基于三維激光掃描儀對元件面積精確度的測量

黃煒鈺 齊東平 路永鑫 沈楚葦

（上海工程技術(shù)大學(xué)，中國 上海201620）

0 引言

二維激光掃描儀的快速掃描是掃描儀誕生產(chǎn)生的概念，在常規(guī)測量手段里，每一點(diǎn)的測量費(fèi)時(shí)都在2-5秒不等，更甚者，要花幾分鐘的時(shí)間對一點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行測量，在數(shù)字化的今天，這樣的測量速度已經(jīng)不能滿足測量的需求，三維激光掃描儀的誕生改變了這一現(xiàn)狀，最初每秒1000點(diǎn)的測量速度已經(jīng)讓測量界大為驚嘆，而現(xiàn)在脈沖掃描儀（scanstation2）最大速度已經(jīng)達(dá)到50000點(diǎn)每秒，相位式掃描儀（Focous3D）的最大速度已達(dá)到每秒百萬次。利用其高效性，對100cm2以內(nèi)已知不規(guī)則面積元件進(jìn)行精確度的研究，并介紹理論上激光熱量和強(qiáng)激光束在測量中的影響。

1 面積精確度測量研究

激光成像原理是利用激光束掃描物體，將反射光束反射回來，得到的排布順序不同而成像。用圖像落差來反映所成的像。[1]采用控制變量法，如圖，定點(diǎn)放置三維激光掃描儀于距桌面一米處，使發(fā)射口垂直，被測元件水平放置在掃描儀下方，保持室內(nèi)溫度為恒溫，相同時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)射出激光束，對被測元件掃過一周為一組；待元件達(dá)到常溫后，改變發(fā)射激光的種類，進(jìn)行多組實(shí)驗(yàn)并記錄。圖像處理方面，利用C語言開發(fā)出采集邊緣進(jìn)過圖像處理軟件輸出圖像，提取出圖像的外圍輪廓，生成輪廓矢量圖，輸出Auto CAD圖像，或直接運(yùn)用Imageware軟件即可得出精確面積。

為了研究面積的準(zhǔn)確性，多次采集圖像并計(jì)算其平均值，與一直面積值做對比，在誤差范圍內(nèi)比較各種類型激光測出的面積精確度。

圖1

2 精確度誤差分析

2.1 環(huán)境因素引起誤差

在面積測量過程中，環(huán)境參數(shù)（如空氣的溫度、濕度、壓力等）的變化將改變空氣的折射率，是激光光束傳播過程中偏離直線，進(jìn)而影響測量結(jié)果，產(chǎn)生測量誤差。在實(shí)際測量中，保證環(huán)境參數(shù)的相對穩(wěn)定，減小誤差。

2.2 激光光線穩(wěn)定性的影響

激光掃描儀發(fā)射出激光的基準(zhǔn)是激光光線，即要求激光光束的能量中心連線為直線，且這一直線不隨時(shí)間和空間位置變化。但是由于各種因素的影響，會造成激光光線的位置隨時(shí)間變化，發(fā)生了光線漂移，使得激光能量中心的連線并非直線，這將嚴(yán)重影響激光準(zhǔn)直測量的精度。[3]

3 激光熱量對材料面積的影響

本文理論上闡述熱量對測量過程中的影響，從材料受溫度影響的形變程度入手，部分塑料受溫度影響強(qiáng)烈，自然不能耐受激光的高強(qiáng)度照射，對金屬而言，以銅為例，方坯結(jié)晶器銅管與規(guī)格相當(dāng)?shù)膱A坯結(jié)晶器銅管由形狀決定了強(qiáng)度的不同，方坯結(jié)晶器銅管強(qiáng)度比圓坯結(jié)晶器銅管強(qiáng)度大，因此抗熱變形能力不同。常規(guī)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，銅管壁厚方坯取鑄坯名義尺寸的8%～10%；例如：150方結(jié)晶器銅管壁厚為12～15mm，而圓坯結(jié)晶器銅管同樣取8%～10%，因?yàn)閳A坯結(jié)晶器銅管容易變形，為此，大連大山結(jié)晶器有限公司在設(shè)計(jì)圓坯結(jié)晶器銅管時(shí)，壁厚取鑄坯名義尺寸的9%～11%，提高了結(jié)晶器銅管的強(qiáng)度[2]。所以在抗熱形變強(qiáng)的材料面前，或者元件面積較大當(dāng)誤差遠(yuǎn)小于測量面積時(shí)，并不用擔(dān)心激光測量元件面積所產(chǎn)生的誤差影響。關(guān)鍵在于確定所測元件的材料組成以及抗熱形變強(qiáng)度，在此基礎(chǔ)上，完全可以考慮該技術(shù)的運(yùn)用。

［1］百度百科[OL].http：//baike.baidu.com/link?url=Awi HwMaifC4291gWQ-v5OsZZC4 htdrbP-4pPx1Tqj39VvEwSFfW5Mv02_dsm0eNZ2B-KawUHT0uYdD9_HZTS5_.

［2］楊東.品種鋼優(yōu)特鋼連鑄結(jié)晶器及二次冷卻[OL/J].http：//www.jxcad.com.cn/thread-1003804-1-1.html.

［3］焦明星,馮其波,王鳴,劉君.激光傳感與測量[M].北京.科學(xué)出版社,2014.