非接触式测量技术

目录
摘要 (1)
1 引言 (1)
2 非接触式测量技术简介 (1)
2.1 非接触式测量方法的定义 (1)
2.2 非接触式测量方法的分类 (2)
3 非接触测量技术发展的现状 (2)
3.1 光学法 (2)
3.1.1 结构光法 (2)
3.1.2 激光三角法 (3)
3.1.3 激光测距法 (4)
3.1.4 光学干涉法 (5)
3.1.5 图像分析法 (6)
3.2 非光学法 (7)
3.2.1 声学测量法 (7)
3.2.2 磁学测量法 (8)
3.2.3 X射线扫描法 (9)
3.2.4 电涡流测量法 (10)
3.3 非接触测量技术存在的不足和总结 (11)
4 非接触式机器人测量系统 (11)
5 非接触测量技术在船体分段测量中的应用 (14)
5.1 非接触测量技术在船厂的应用情况 (14)
5.2 船体分段测量方法介绍 (14)
5.2.1 传统测量方法系统 (14)
5.2.2 激光经纬仪测量系统 (14)
5.2.3 近景摄影测量系统 (15)
5.2.4 全站仪测量系统 (17)
5.2.5 三维扫描测量系统 (18)
5.3 测量方法的比较 (19)
6 非接触测量技术的发展趋势 (21)
7 结束语 (21)
参考文献 (22)
摘要
非接触测量方法以光电、电磁、超声波等技术为基础，在仪器的感受元件不与被测物体表面接触的情况下，即可获取被测物体的各种外表或内在的数据特征。

详细阐述了部分常用的光学法和非光学法测量技术及相应的测量仪器，并结合船体分段测量方法说明了这些非接触测量方法的原理、优缺点、精度及适用范围，指出了未来非接触测量技术的发展趋势。

关键词：非接触测量; 光学法; 非光学法；船体分段
1 引言
开展船体分段测量技术研究的意义在于首先它是实现分段无余量对接的保证,可以大大缩短分段吊装搭接的船台占用时间,其次采用这项技术有助于实现船舶建造的信息流闭环,以及生产状态下的船体建造的“动态虚拟装配”。

最后精确、快速、可靠的船体分段测量技术的突破有助于提升我国造船企业的国际竞争力[1]。

建造精度直接影响船舶建造的总周期,建造质量也将影响后道工序的质量,影响船舶的航运性能。

船体建造的精度控制技术是以船体建造精度标准为基本准则,通过科学的管理方法与先进工艺手段,对船体零部件、分段和全船舰装件进行尺寸精度控制,最大限度的减少船台船坞修整工作量,并为提高预舶装率、降低涂装破损率创造有利条件。

它对保证船体建造质量、缩短造船周期、提高生产效率等诸多方面都有不容置疑的作用,是船舶建造技术的重要组成部分。

推进造船精度控制技术需要更加完善的管理体制与先进的测量手段。

因此,对先进测量手段的研究具有重要意义。

测量方法包括传统测量方法和非接触式测量方法。

随着计算机科学的发展，非接触式测量技术逐渐成为研究热点。

2 非接触式测量技术简介
2.1 非接触式测量方法的定义
非接触测量[2]是以光电、电磁、超声波等技术为基础，在仪器的感受元件不与被测物体表面接触的情况下，得到物体表面参数信息的测量方法。

2.2 非接触式测量方法的分类
典型的非接触测量方法可分为光学法和非光学法。

光学法包括结构光法、激光三角法、激光测距法、干涉测量法和图像分析法等；而非光学法包括声学测量法、磁学测量法、X射线扫描法、电涡流测量法等。

3 非接触测量技术发展的现状
3.1 光学法
3.1.1 结构光法
结构光法作为一种主动式非接触的三维视觉测量新技术，在逆向工程质量检测数字化建模等领域具有无可比拟的优势[3]，投影结构光法是结构光测量技术的典型应用。

基本原理:
用投射仪将光栅投影于被测物体表面，光栅条纹经过物体表面形状调制后会发生变形，其变形程度取决于物体表面高度及投射器与相机的相对位置，再由接收相机拍摄其变形后的图像并交与计算机依据系统的结构参数作进一步处理，从而获得被测物体的三维图像。

特点：
结构光视觉检测具有大量程非接触速度快系统柔性好精度适中等优点[3]，但是由于其原理的制约，不利于测量表面结构复杂的物体（见图1）。

图1 投影结构光三维测量系统原理图
焊缝的三维测量技术是当今焊接智能化、自动化发展的重要方向之一，基于结构光视觉焊接机器人已经成为焊接智能化和自动化的发展方向，也是目前应用比较多的焊接过程控制方法。

将线结构光主动视觉检测技术引入焊缝检测就可以有效推动焊接领域的高速发展。

基于线结构光视觉技术的焊缝检测，即利用激光和CCD图像传感器拍摄并采集焊缝表面的原始图像信息，通过数字图像处理手段可以获取焊缝表面的三维信息，并计算其尺寸参数。

该检测具有直观性、非接触性、高效性等优点，因而现已广泛应用于激光焊接的焊缝检测。

但是，由于焊接过程的复杂性，导致焊缝表面因材质反光特性不同，以及复杂的轮廓结构都会造成激光条纹的粗细不均、灰度变化强烈、噪声较多等问题，因此选取合适的光学成像系统和图像处理算法是整个焊缝三维测量的关键，这将直接影响到后期焊缝计算的准确性与稳定性。

图2 国外线结构光测量产品
3.1.2 激光三角法
激光三角法是非接触光学测量的重要形式，应用广泛，技术也比较成熟。

基本原理:
由光源发出的一束激光照射在待测物体平面上，通过反射最后在检测器上成像。

当物体表面的位置发生改变时，其所成的像在检测器上也发生相应的位移。

通过像移和实际位移之间的关系式，真实的物体位移可以由对像移的检测和计算得到[4]。

图3 激光三角法测距系统原理图
特点：
该方法结构简单，测量速度快，精度高，使用灵活，适合测量大尺寸和外形复杂的物体。

但是，对于激光不能照射到的物体表面无法测量，同时激光三角法的测量精度受环境和被测物体表面特性的影响比较大，还需要大力研究高精度的三角法测量产品。

3.1.3 激光测距法
激光具有良好的准直性及非常小的发散角，使仪器可以进行点对点的测量，适应非常狭小和复杂的测量环境[5]。

基本原理：
激光测距法利用激光的这些特点，将激光信号从发射器发出，照射到物体表面后发生反射，反射后的激光沿基本相同的路径传回给接收装置，检测激光信号从发出到接收所经过的时间或相位的变化，就可以计算出激光测距仪到被测物体间的距离。

图4 相位式激光测距原理
特点：
激光测距主要分为脉冲测距和相位测距两大类。

对于脉冲测距法来说，其系统结构简单，探测距离远，但是传统的测距系统采用直接计数来测量光脉冲往返时间，精度低[6]。

相位测距系统结构相对复杂，但是其精度较高，随着光电技术的快速发展，相位激光测距技术得到不断优化和提升，已能满足超短距离和超高精度的测量需求。

随着激光测距仪朝着小型化、智能化的方向发展，由于激光测距技术特有的优点，将在各类距离测量领域有越来越广阔的应用前景。

3.1.4 光学干涉法
干涉测量法通过相干光照射到被测表面，之后通过与参考光进行比较测得粗糙度数值。

基本原理：
常用的激光干涉仪是以激光为光源的迈克尔逊干涉仪，即由光源射出的一束光由分光镜分为测量光和参考光，分别射向参考平面和目标平面，反射后的两束光在分光镜处重叠并相互干涉。

当目标平面移动时，干涉图样的明暗条纹会变化相应的次数并由光电计数器记下其变化次数，由此可计算出目标平面移动的距离。

图5 激光干涉测距技术原理框图
图6 分光路干涉显微镜光路图
特点：
按照光路不同，有分光路和共光路两种类型。

激光干涉测量法的特点是测量精度非常高，测量速度快，但测量范围受到光波波长的限制，不适于大尺度物体的检测，也不适合测量凹凸变化大的复杂曲面[6]，只能测量微小位移变化。

3.1.5 图像分析法
图像分析法也叫立体视觉，其研究重点是物体的几何尺寸及物体在空间的位置、姿态[7]。

基本原理：
立体视觉测量是基于视差原理，视差即某一点在两副图像中相应点的位置差。

通过该点的视差来计算距离，即可求得该点的空间三维坐标。

一般从一个或多个摄像系统从不同方位和角度拍摄的物体的多幅二维图像中确定距离信息，形成物体表面形貌的三维图像，单目、多目视觉。

立体视觉测量属于被动三维测量方法，常常用于对三维目标的识别和物体的位置、形态分析，采用这种方法的系统结构简单，在机器视觉领域应用较广。

立体视觉的基本几何模型如图7所示。

图7 立体视觉的基本几何模型图
双目立体视觉是由不同位置的两台摄像机经移动或旋转拍摄同一场景，通过计算空间点在两幅图像中的视差，获得该点的三维坐标值[8]，其测量原理如图3所示一个完整的立体视觉系统通常包括图像采集摄像机标定特征提取图像匹配三维信息恢复后处理6大部分立体视觉法广泛应用于航空测量机器人的视觉系统中，双目多目以及多帧图像序列等立体视觉问题已经成为国际学术研究的重点和热点。

图8 双目立体视觉三维测量原理
3.2 非光学法
3.2.1 声学测量法
声学测量法主要用于测距，其中超声波测距技术应用比较广泛。

为了以超声波为检测手段，必须产生超声波和接收超声波[9]。

要求使用高频声学换能器[10]，来进行超声波的发射和接受。

超声波的指向性很强，在固体介质中传播时能量损失小，传播距离远，因此常用于测量距离。

基本原理：
超声波测距的原理是在已知超声波在某介质中的传播速度的情况下，当超声波脉冲通过介质到达被测面时，会反射回波，通过测量仪器测量发射超声波与接收到回波之间的时间间隔，即可计算出仪器到被测面的距离。

利用超声波检测速度快，灵敏度高，仪器体积小，精度也能达到大部分工业应用的要求。

传统的声学仪器大部分为模拟信号仪器，精度不高，稳定性和可靠性不尽人意。

数字化声学测量技术却可以弥补这些缺点，而且具有容易升级更新、可获得很高的性能指标、存储数据方便等优点，逐步被人使用。

图9 声学信号分析工作站的组成框图
3.2.2 磁学测量法
磁学测量法是通过测试物体所在特定空间内的磁场分布情况，来完成对物体外部或者内部参数的测量。

核磁共振成像技术是磁学测量法的代表技术。

基本原理:
利用核磁共振原理，在主磁场附加梯度磁场，用特定的电磁波照射放入磁场的被测物体，使物体内特定的原子核磁发生核磁共振现象从而释放出射频信号，将这些信号经过计算机处理后，就能得知组成该物体的原子核的种类和在物体内的位置，从而构建出该物体的内部立体图像。

特点：
成为研究高分子链结构的最主要手段[10]，相比其他传统检测方法，核磁共振法能够保持样品的完整性[11]。

同时在医学领域广泛采用，用于提取人体内部器官的三维轮廓，为医生制定医疗方案提供有力证据。

但核磁共振技术精度依然不及高精度的机械测量技术，而且测量速度较慢，对被测物体也有材质、体积方面的要求。

3.2.3 X射线扫描法
X射线是19世纪末20世纪初物理学的三大发现之一，标志着现代物理学的产生。

工业CT，即工业计算机断层扫描成像，主要用于工业构件的无损检测[12]，基于射线扫描技术。

基本原理:
用X射线束在一端沿一定方式照射被测物体，高灵敏度的检测器在另一端接收透过被测物体的X射线，将所得信号交由计算机进行处理后，重构出被测物体的三维图像或者断层图像。

图10 X射线扫描相机动态范围标定装置
图11 X射线扫描相机强度标定装置图
特点：
工业CT系统的检查对象是大型高密度物体[13]，不需要精密的固定设备和其他前期处理措施，不受被测物体表面复杂程度的限制，就能够无损地测量物体内外表面;缺点是成本高，获取数据的时间较长，X 射线对人体有一定的危害，同时工业CT 的分辨率与被测工件的外形有关，对不同的工件分辨率也不尽相同。

高灵敏度的检测器和用于提高射线功率的直线加速器是工业 CT 的发展重点。

3.2.4 电涡流测量法
根据法拉第电磁感应原理，块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时，导体内将产生呈涡旋状的感应电流，此电流叫电涡流，以上现象称为电涡流效应。

电涡流传感器是基于电涡流效应工作的一种传感器，具有可靠性高、灵敏度高、响应速度快等特点[14]。

基本原理：
传感器线圈通入交变电流产生磁场使金属导体产生感应电流，感应电流产生的磁场会削弱线圈产生的磁场，影响线圈的电感量，金属导体与线圈距离的变化引起感应电流的变化，相应改变传线圈的电感量，通过测量该电感量的变化值，即可测出线圈与导体的距离。

图12 电缆偏心测量装置的原理框图
特点：
电涡流传感器体积小，连续工作可靠性高，能对位移、速度、应力、厚度、表面温度、材料损伤等进行非接触测量，特别是在高速运动机械的状态分析中应用较广。

其中具有代表性的是电涡流测速传感器和电涡流厚度传感器。

电涡流测量技术的缺点是被测物体必须是一定厚度的金属导体且表面光滑，传感器线圈周
围不允许有其他金属端面。

温嘉斌等[15]利用电缆偏心与物理场数值模拟结合电路瞬态仿真和相似理论，解决电涡流传感器设计中许多用等效电路概念不能解决的问题。

3.3 非接触测量技术存在的不足和总结
激光三角法测距技术比较适合用于较短位移的测量,主要应用于机器人视觉系统和汽车倒车系统,对于躲避障碍有比较好的效果。

激光脉冲测距技术适合用于较远距离的测量；激光相位法测距技术适合用于中远距离的测量；激光干涉测距技术适合用于微小位移变化的测量；而激光三角法测距技术适合于较短距离的精密测量,特别是当激光光斑照射到粗糖的物体表面时,激光三角法测距技术就是一种非常行之有效的技术。

非光学测量方法具有更新快，数据以存储等众多优点，然而对工件和环境要求较光学测量方法高，成本也较高[2]。

经过几十年来的发展，非接触测量技术得到了长足的提高，但除了有不与测量物体接触这一突出优点外，也有各种各样的不足。

(1)较接触测量仪关节臂、三坐标机等，精度不算高
非接触测量技术由于量仪的感应元件不与被测物体相接触，中间的间隔介质和距离大大影响了测量精度，大多数情况下测量精度均低于接触测量技术。

(2) 价格较高
非接触测量技术大量使用高精密的光学电子元器件，价格相对接触式测量产品来说高出太多，不利于非接触测量技术的普及。

(3) 部分非接触测量方法对工件和环境有特殊要求
非接触测量方法因其特殊性，对工件和环境也有一些特殊要求。

如核磁共振仪不能测量磁金属物体，超声波测量技术对于环境温度比较敏感，而基于光学测量技术的量仪不能适应恶劣的工作环境。

4 非接触式机器人测量系统
随着科学技术和现代制造业的发展,工件的制造精度越来越高,因此对测量设备的精度和功能的要求也越来越高,而且新型专用的测量设备的需求也日益增
多。

传统的测量机,大都基于一种几何坐标系,如笛卡儿坐标系,柱坐标系等。

这些测量机,机械结构比较直观,控制算法简单,测量精度高,系统的误差模型经多年的研究已完善。

但在有些特殊场合,这些测量机不能适应。

而非正交坐标测量系统由于其所具有高的灵活性已经成为坐标测量机的发展趋势。

经大量的调查研究,方案比较,参数的计算与优化,计算机仿真。

充分考虑精度,效率,可靠性,操作性,空间的兼容性等,在基于直角坐标系与原柱坐标系的固定桥式,关节机器人测量机等多种方案的基础上,为在有限的空间实现半球自动非接触测量,将机器人测量机与激光非接触测量传感器技术相结合,研制了一种新型的非接触式测量机器人[16]。

图 13 测量机器人机械结构
西安交通大学邵伟[16]等研制了一种新型的非接触式测量机器人系统,该测量系统以串联机器手作为测量主体,可以对球壳类、回转类部件的几何尺寸、表面缺陷进行非接触式、高精度测量。

为了提高机器人旋转关节角位移的测量分辨率,将对角位移的测量转换成弧长的测量。

在此基础上,对机器人运动学参数的误差对机器人末端执行器位置精度的影响进行了详尽分析,这对提高测量机器人的精度有很大的指导意义。

非接触浮体六自由度测量系统在大连理工大学海动实验室得到了应用[17]。

在应用过程中首先将发光标志点放置在所测模型上，然后使用造波机在大水池里产生各种模拟波浪，如规则波、椭余波、不规则波、破碎波、孤立波及聚焦波，作用于船模，通过本测量系统分析各种模拟波浪对船模六自由度的影响。

图6为一次实测数据显示，其中图6(a)为模型在运动过程中的角度变化，图6(b)为模型在运动过程中的位移变化。

实验过程中首先用弹性绳索拉伸模型记录初始位姿，
然后下按约23cm(下沉)，随后做六自由度运动。

实验结果经实际比对，与观测数据相符，且变化规律明显。

图14 实物图
图15 实际测量数据显示
利用图像处理和立体视觉技术对水池模型试验海洋平台的运动进行非接触式测量，实时地得到了平台六自由度的运动轨迹，且对浮体的移动没有任何影响，精度相对较高，测量结果令人满意。

这为海洋工程领域的模型试验测量引入了新的技术手段，也为海洋平台稳定性的研究提供了准确的试验数据。

5 非接触测量技术在船体分段测量中的应用
5.1 非接触测量技术在船厂的应用情况
目前中国造船业主要应用激光经纬仪,全站仪已经开始使用,但是还处于扩大应用的阶段。

船厂造船业的测量技术根据采用仪器不同大致分为以下五个阶段传统测量、基于激光经纬仪的测量、基于近景摄影的测量、基于全站仪的测量、基于三维扫描仪的测量。

目前,国外很多船厂己经开始采用三维扫描技术用于船体测量,而我国造船业基于全站仪的测量尚未完全普及[1]。

前三种测量方式用于船体测量,在某种层面上是有较大缺陷的。

目前,虽然国内部分船厂已经采用全站仪作为测量仪器,但是全站仪测量中主要还是应用全站仪自带的测量软件,属于通用软件,导致全站仪的许多功能没有开发出来。

由于没有专用软件进行坐标系的转换,测量时需要将分段调平。

此外,全站仪属于单点测量,测量之前需要在关键点上贴靶标,这在一定程度上也影响了测量速度。

船厂推进造船精度管理需要更加完善的管理体制与先进的测量手段,需要坚定不移的让先进的测量方式在船舶制造业中应用起来。

因此,开发建立一套用于船体测量的精确、快速的测量系统,对中国造船业有着及其重要的作用。

5.2 船体分段测量方法介绍
5.2.1 传统测量方法系统
传统测量方法[18]是船舶工业早期应用的主要和大量的方法。

传统测量方法中,常用量仪主要有钢卷尺、吊线锤、水平软管、光学水平仪、经纬仪等。

有些场合需要先确定测量基准,如用线锤、经纬仪、光学水平仪来构造光学基准直线或光学基准平面,再用钢卷尺连续测量。

另外,采用样板、样棒、样箱作为相对基准进行比较测量也是常用方法。

5.2.2 激光经纬仪测量系统
1、系统构成
激光经纬仪测量系统由经纬仪、激光管、激光启动电源及其附件米准直波带片和可调两向支座四部分组成,如图所示。

经纬仪应用光的直线传播特性,通过一定的光学机械装置获得所需直线或角度或点在空间的位置。

因此,在船体测量中,
经纬仪完全可以代替线锤、水平管等测量工具的作用。

图16 激光经纬仪的系统组成
2、垂直断面测绘
图17 采用激光经纬仪划分段垂直断面线
（1）确定分段的中心线为OO1，由此确定分段尺寸AB；
（2）过A（B）点分别作OO1的垂线C1C2、D1D2；
（3）将激光经纬仪放置于直线C1C2（D1D2）上对中整平，发射激光束与C1C2（D1D2）上任意一点重合；
（4）回转望远镜，向分段余量上发射激光束得到一条线,即为所需一舷的垂直断面线；（5）将仪器移到另一舷重复以上步骤，即得另一舷的垂直断面线。

5.2.3 近景摄影测量系统
近景摄影测量又叫非地形摄影测量是通过摄影手段确定目标地形以外的外形和运动状态的学科。

它是摄影测量与遥感学科的一个分支。

也有人认为,摄影
距离大约小于米的摄影测量应称之为近景摄影测量。

近景摄影测量经历了模拟摄影测量、解析摄影测量,进入全数字近景摄影测量时代。

1、测量原理
近景摄影测量,是通过在不同位置和方向获取同一物体两幅以上的数字图像,经捆绑调整、计算机图像匹配等处理及相关数学计算后得到待测点精确的三维坐标值。

测量原理为三角形交会法。

图18 摄影测量原理
2、系统组成
系统一般分为单台相机的脱机测量系统和多台相机的联机测量系统,系统组成如图
图19 测量系统组成
单台相机脱机测量系统的测量精度较高,携带方便。

多台相机联机测量系统,主要
用于在不稳定的测量条件下提供实时测量。

摄影测量影响其测量精度的主要因素有相机拍摄相片的质量、图像处理得到点的坐标算法的优劣、点的空间分布位置和标志点辅助控制点的分布[19]。

3、测量流程描述
（1）在分段或者结构上布置一定数量的标志点；
（2）利用摄像机获取目标物体的多张图像；
（3）通过姿态估计优化算法确定标志点的空间坐标；
（4）根据图像匹配算法确定被测点的空间三维坐标。

5.2.4 全站仪测量系统
全站仪由电子测角系统、电子测距系统和控制系统三大部分组成。

全站仪测量系统的基木理念是从设计软件系统、中导出分段的理论模型,利用三维测量系统软件将建模数据导入到三维分析程序中生成相应的分段关键点,关键点就是分段的理论数据,现场实际测量操作获取的实际测量数据与理论数据相对比的过程即为三维测量。

1、坐标测量原理
全站仪测量系统采用空间极球坐标测量原理。

电子测角系统获取目标点的水平角和天顶角,电子测量系统获取目标点到坐标原点的斜距,由此计算目标点的三维坐标。

测量原理如图所示。

图20 全站仪测量原理。