測控技術與儀器專業光學檢測工程實訓的探索研究

陳慶光 徐英 肖幟 祝磊 薛凌云

摘要：光學檢測項目采用光學效應作為信息獲取的方法，涉及信息傳感、數據處理、運動控制、計算機技術等內容，具備完整功能的光學檢測實驗系統的開發綜合了理論知識和工程實踐，很好地滿足了測控技術與儀器專業工程實訓環節對學生工程能力的培養要求。以激光衍射細絲直徑測量以及線激光掃描三維成像為例說明了光學檢測類工程實訓內容選題原則和實施過程。以實戰型項目為對象、學生為實施主導、現場答辯和學術論文總結的教學模式培養了學生將理論知識轉換為創新性實踐的能力。

關鍵詞：工程實訓;光學檢測;綜合性實踐項目;創新性實踐能力

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2019）20-0021-03

工程實訓是培養學生實踐能力和創新能力的重要環節[1]，通過工程實訓可將前期課程教學的理論知識進行應用并內化為解決問題的創新能力，可培養學生實踐準備的感性意識和知識遷移、實踐創新的理性意識相協同的綜合能力。測控技術與儀器專業作為儀器科學與技術學科唯一的本科專業，自身結構已發展成為集傳感技術、計算機技術、電子技術、現代光學、精密機械等多種高新技術于一身的系統，要求學生掌握檢測技術、傳感器技術、計算機測量控制技術和信息處理技術[2-3]。如何設計緊跟目前科技發展趨勢，并符合本專業培養目標的實訓項目是需解決的重要問題。

一、光學檢測類工程實訓項目的優勢

光學類課程是測控技術與儀器專業教學中的重要內容[4]，但由于光學知識理論性強，光學現象抽象難理解，光學教學實驗側重現象的觀察，造成學生對光學技術在工業生產中的應用價值認識不深刻，為此需提高學生對光學技術工業實踐的認知。光學的成像、衍射、干涉、偏振等效應作為有效的信息傳感方法可用于高精度的尺寸測量、非接觸式的三維成像[5]、微觀的結構信息提取等領域，結合機器視覺技術可視化光學效應，并利用運動控制和計算機編程進行數據的采集和處理的實驗內容，涵蓋了數據采集、信號傳輸、信號處理以及控制為一體的測控過程，屬于典型的儀器儀表領域的應用案例，非常適合測控技術與儀器專業工程實訓的實踐內容，是培養具備理論素養以及實踐創新能力的復合型人才的重要途徑。

二、實訓內容的選擇

光學類課程知識點繁多，基礎知識介紹完后的各類光學效應，如光的成像、干涉、衍射、偏振等內容相對獨立，彼此不受影響，因此可將其中的某種物理效應作為信息傳感的方法應用于工業實踐，可選擇學生感興趣、易理解、易實施、具有代表性、符合測控技術與儀器培養目標的綜合性項目作為實踐內容。表1列出了光學檢測類工程實訓題目。

表1所列實訓題目基本利用廣泛應用于機器視覺行業的工業相機作為傳感信號的接收裝置，并結合圖像處理技術進行數據處理與分析，屬于實驗室常規設備，方便實現和直觀觀察。以下以激光衍射細絲直徑測量和線激光掃描法三維成像為例說明光學檢測類工程實訓題目的構建原則。尺寸測量是日常生活經常進行的項目，但高精度測量則是工業生產中需解決的問題，如漆包線、光纖等外徑尺寸均需達到微米量級的測量精度。傳統的接觸式測量方法無法滿足要求，在激光衍射測量教學環節，我們知道激光衍射的細絲直徑測量分辨力為：

其中Xk為第k級暗條紋距離中央極大值點的距離，b為待測細絲的直徑，f為透鏡的焦距，λ為激光的波長。當b為0.1mm規格，L為300mm，λ為632.8nm時，計算第4級的測量分辨力β為76，即相當于1μm的外徑變化將導致76μm的衍射暗紋移動，放大了76倍。可見通過激光衍射放大效應大大提高了待測物體的尺寸測量精度，可輕松實現0.1mm—0.5mm外徑規格的高精度測量，通過此實踐內容，實例化學生對光學在尺寸測量領域應用的認識，是光學理論和工程實踐相結合的代表性案例。隨著3D打印、3D電影等技術的出現，學生普遍對三維領域相關的內容感興趣，總體而言，三維領域包括獲取3D數據的三維成像技術以及在已有3D數據基礎上的三維顯示技術。三維成像技術在表面缺陷檢測、逆向工程、虛擬現實、人機交互等領域得到廣泛應用，基于光學三角法的線激光掃描法三維成像技術將線激光投影至待測物體表面，工業相機采集物體表面輪廓對線激光的調制變形圖像，待測物體與線激光做相對運動，進而掃描整個表面，最終利用幾何關系重構出每一個像素點所對應的高度點云信息。此技術屬于學生感興趣方向，有助于激發學生的求知探索欲，提高實踐動力。

三、實驗裝置的設計

實驗裝置的設計是理論知識映射為實際應用的具體創新性實踐，需要以整體目標為導向，從系統角度構建實施方案，并根據參數指標要求以及實際情況反推細化各元器件的型號。結合激光衍射細絲外徑測量而言，根據激光衍射理論可知，基爾霍夫衍射屬于遠場衍射，接收屏與衍射物之間距離為無窮遠，考慮到實際工業應用裝置的大小限制，可利用傅里葉變換透鏡放置于衍射物后方，將接收屏放置于透鏡的焦距處接收衍射光斑。如圖1所示。傳統的激光衍射實驗利用白板作為接收屏肉眼觀察，無法精確反演待測物外徑，隨著傳感技術的發展，二維圖像傳感器CMOS可作為像素量級的二維尺子用于尺寸測量。將單個像素尺寸為5.2μm，分辨率為1280*1024的CMOS相機放置于接收屏位置接收衍射光斑，并以圖像形式傳輸至上位機進行數據處理與分析。當傅氏透鏡焦距為300mm，0.1mm規格待測物外徑時，根據衍射理論，極小值點間的間距為1.8mm。對于1/2英寸CMOS靶面而言，可顯示3—4個衍射圓斑。采用目前市場上較成熟的商業化產品作為探測器，有利于工程轉化的可行性和操作性。在實踐過程中上位機所觀察的衍射光斑的強度分布受激光器功率、相機的靈敏度、曝光時間、增益等參數的影響，需根據圖像調節內部參數，尋找最佳組合。在既定參數依然曝光過量的前提下，需考慮放置能量衰減片。以此最終確定裝置的結構構成及各部件的型號。可見，實驗裝置的構建是整體到細化，根據指標要求以及探索實踐逐步確定的過程，也即構思—設計—實施—失敗—再思考—更改設計—實施，體現了國際工程教育的CDIO教育模式，學生在項目實踐過程中消化理論、應用知識并解決問題。由于利用工業相機采集衍射光斑圖案，學生在實踐過程中易可視化觀察待測物外徑尺寸以及傾斜角度等因素對衍射光斑的影響，上位機以圖像的形式顯示，結合圖像處理技術容易上手，利用信號處理方法獲得衍射方向上的極小值點位置，并以像素為單位計算長度進而反推出待測物直徑。本項目實施過程中涉及衍射原理、光學裝置搭建、信號處理、圖像處理、軟件編程、誤差分析等教學內容，屬于光機電算一體化的綜合性實踐內容。

線激光掃描法三維成像在掌握光學三角法的基礎上，容易構建實驗方案。此方法裝置簡單，但三維重構需要掌握充分的理論知識，即空間坐標到圖像坐標之間的轉換關系，以及成像系統的標定，標定過程可利用目前已經成熟的模塊化軟件實現。待測物與線激光器的相對運動可采用國內雷賽公司主流的運動控制方案，采用PCI運動控制卡DMC1380實現上位機編程控制，57電機57HS22步距角為1.8°，M542步進電機驅動器的細分設定為5倍，絲桿導程為10mm，則直線的步進距離分辨率為10μm。上位機上運動控制卡和工業相機協同編程，實現步進距離和圖像采集的同步。本實驗將運動控制與圖像采集協同集成，涵蓋運動控制、相機開發、光學成像、數據處理、誤差分析、數學建模等多個教學內容，是另一典型的綜合性實踐內容。

四、實施方案及考核方法

從以上兩例光學測量實訓項目可看出他們均是具備獨立功能的完整系統，難易適中，有豐富資料可供參考，在學生團隊的能力范圍之內。實施過程可分為項目準備、項目實施、項目考核三個階段。具體如圖3所示。工程實訓采用實戰型教學模式，完全模擬真實的工程應用，遵循以學生為主導的原則，教師起到引導和咨詢顧問的作用，增強學生的自主探索能力和對項目的整體掌控能力，并培養團隊合作意識和項目協調能力。

為構建自主探索型的實踐考核要求，考核成績主要由項目成果評定和總結報告兩部分構成，其中成果評定占65%，總結報告占35%。項目成果需能夠實現某一功能的實物化裝置，學生答辯放置于實驗室，在答辯過程中實時對照實驗裝置進行參數驗證，教師現場提問，并從檢測指標、裝置可靠性、軟件運行穩定性等角度進行分數評定。獨創性的現場答辯方式真實考驗學生對實踐項目的掌握程度。

另外，工科類學生普通側重技術導向而忽視問題導向。為提高學生對問題的綜合概況能力，工程實訓總結報告部分要求學生以學術論文的形式撰寫，在參考至少10篇學術論文基礎上，從國內外研究現狀、實驗原理、實驗裝置、數據處理與分析、討論、參考文獻等方面進行全面而清晰的闡述，并按照定義好的格式規范提交3000—5000字的論文。論文寫作是一個分析、總結、提煉、去粗取精、去偽存真的過程，通過這一過程培養學生的科研探索精神和工作總結能力。

五、小結

結合機器視覺技術的光學檢測類項目由于具有綜合性、完整性、實驗結果直觀可視化等特點非常適合測控技術與儀器專業工程實訓題目，貼近工業實際應用的備選題目激發了學生實踐的動力，學生為主導的實施方式提高了對知識生產的認識，實戰型項目的開發鍛煉了解決問題的實踐創新能力，現場答辯及學術論文的考核方式保證了工程實訓環節的效果。

參考文獻：

[1]陳劍松，邱川弘.校內實訓基地必須凸顯“職業”核心要素[J].實驗技術與管理，2015，（5）：245-249.

[2]宋愛國，吳涓，崔建偉.測控技術與儀器專業學生工程意識培養與創新教育的探索[J].中國大學教學，2012，（1）：41：43.

[3]楊森林，李院院，張變蓮，等.測控技術與儀器專業應用型人才培養新模式探索[J].科技信息，2013，（17）：43-43.

[4]周木春，趙琦，陳延如.工程光學教學改革探索與實踐[J].中國現代教育裝備，2013，（19）：59-60.

[5]吳平輝，付戀戀，蔣記望.物理光學實驗仿真平臺的開發[J].實驗室研究與探索，2012，31（5）：31-33.