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光学精密测量技术与仪器 2010年9月7日 朱传贵 光学精密测量仪器综述 光学精密测量仪器综合了光学、机械、电子、自动控 制和软件多种专业，其技术内涵宽广，产品种类繁多， 应用领域广泛，是制造工业的支撑基础之一。光学精 密测量仪器具有快速、精确及非接触无损伤地测量多 种物理量的特点，近年获得了极大的发展和越来越广 泛的应用。 • 今天以舜宇仪器新加坡公司（SIS）研发生产的三维 全自动影像测量机和激光多普勒测振仪为例，介绍一 下现代光学精密测量技术与仪器的技术特点、应用案 例和发展趋势。 舜宇仪器新加坡公司简介 舜宇仪器新加坡公司（SIS）为一在新加坡注册的， 舜宇控股的，有独立法人地位的有限责任公司。 在三维光学测量与检测领域，特别是在亚毫米、微 米及纳米三维坐标测量领域，从事技术研究、产品 开发、生产、销售与服务。 苏州舜新仪器有限公司是SIS的独资子公司 尺寸、形位测量仪器 光学投影仪 测量显微镜 影像测量机 振动、位移测量仪器 激光多普勒测振仪 三角法和共焦微位移计 激光测长尺 激光多普勒测振仪 激光三角法微位移计 MV-322 三维全自动影像测量机 根据工作台驱动模式分类 产品分类 手动坐标测量仪 自动坐标测量仪 根据传感器模式分类 视频+探针 接触式坐标测量仪 非接触式坐标测量仪 混合式坐标测量仪 根据取点模式分类 手动取点 自动取点 视频+激光 视频+光纤 根据聚焦模式分类 手动聚焦 自动聚焦 固定桥式结构 桥式 固定桥式 悬臂式 水平臂式 台式 立式 固定桥式特点 系统的稳定性和可靠性高 最大限度地减少了阿贝误差的影响 测量空间大而占地空间小，安全性高、测量精 度受被测工件重量和摆放位置影响小 采用了铸铝结构，大大减少了机器的重量。 测量软件 自动边缘检测 19种几何测量功能 自动批量测量 自动聚焦 自动光源控制 CAD 叠加（增强现实技术） 多传感器融合的测量软件设计。从体系结构上充分考虑了现代 光学测量仪器多传感器融合的特点，做到了从最底层对各种传 感器的兼容。其兼容了接触式测头的混合式测量机，做到了影 像测量和接触测量功能的高度统一。事实上，除了取点方式不 同，其它计算功能是完全通用的。 CAD叠加（增强现实技术） 增强现实技术结合了虚拟现实技术和现实影像，通过导入被 测工件的CAD设计图并与实际被测工件配准，可以把CAD设 计图精确叠加在被测工件的实际影像上，使得测量人员可以 通过观察二者的匹配情况快速发现误差或异常情况。 影像测量机应用领域 应用举例：太阳能面板 测量和检测太阳能面板的长度、宽 度和高度，表面裂纹是近年来的新兴 需求。太阳能面板将吸收到的光能转 化为热能，吸收面积的大小直接影响 了热能的大小。MeasurE软件增加了 面积测量功能，可以精确的测量太阳 能面板受光面积，便于计算能量转换 效率。 Height Surface Area LINE WIDTH 应用举例：塑胶模具 塑胶材质柔软，一旦接 触很有可能改变其形状， 三维影像测量机进行非 接触测量即可避免这类 问题。 SIZE HAIRLINE CRACK 应用举例：台阶高度测量 Standard Deviation Max Min Range Average Sample: Hard disk cover Step height approx 1.6mm Z-height Data 1.5839 1.5849 1.5844 1.5865 1.5839 1.5835 1.5870 1.5844 1.5849 1.5844 0.001132 1.5870 1.5835 0.0035 1.5847 1.58800 1.58700 1.58600 3.5um 1.58500 1.58400 1.58300 1.58200 1.58100 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 发展趋势：在线测量 随着人工成本的上升，生产的自动化，也包括检测的自动 化，成为必然。生产自动化正越来越多的依赖由高精度加 工系统和高精度测量仪器组合的集成加工系统来完成影像 测量机融合到生产自动化过程中，向在线测量系统发展成 为必然的趋势。 测量与检测相融合 PART CAD 目前在线所用的 光学系统，是以统 称为机器视觉的检 测技术为主流。这 类光学检测系统一 般是非通用的，以 检查缺陷为主，几 何量测量为辅。影 像测量机若要发展 为在线测量系统， 也必然需要融入一 些检查功能。 多传感器综合测量 Optical MEMS system Lenses on CNC system x y Surface roughness of solar cell or microchip 融合包括距离测量和面型测量的多种传感 器，发展成为多传感器综合测量系统是另 一个发展方向。 LV-S01激光多普勒测振仪 SIS研发生产的NanoVision 激光多普勒测振仪，采用了外 差式激光干涉原理，可以对各种物体的振动、速度及位移 等进行非接触测量。其LV-S01型激光多普勒测振仪，如图 二所示，具有测量精度高，抗干扰能力强，结构设计坚固 紧凑、易于使用等特点。 测量原理 激光多普勒测振仪是基于光学干涉原理， 也就是光强分别是I1和I2的两个相干光束 相互重叠。其总光强不是简单的单独光强 的相加而是根据以下称之为干涉条件的公 式得出的 Itot = I1 + I2 + 2√(I1I2)cos[2π(r1–r2)/λ] 由于多普勒频移f=2v/λ,即f与速度(v)成 正比变化。传感器获得的信号再经过频率 电压转化为电压信号U,由于该转化为线性， 即： U=k(F+f)+L=k*f+L' 其中L,L‘为常数，电压通过高通滤波去处 直流分量得： U=k*f=2kv/ λ，则v=k'*U， 电压与振动速度成正比。 技术特点 采用先进的外差干涉技术 通过非接触式测量，对各种物体的 振动、速度及位移等进行测量 高空间分辨率 精巧的内部设计，坚实的外部防撞 设计，以及多种可以适用不同工业 领域的要求的光传感器 可以通过CCD镜头实时的观察检测 范围 多种配套振动分析软件 完整测量解决方案 性能参数 22 Soft DSA振动测量分析软件 实时数据显示、分析与触发控 制 先进时域与频域波形分析 多种信号滤波和峰值锁定功能 输出转换为各种对应的物理量 简便易用，各种主要信息均显 示在同一页面上 Waterfall 振动测量分析软件 Runout 振动测量分析软件 Bode-Plot 振动测量分析软件 激光测振仪应用领域 应用举例：硬盘读写头 客户需求：测试硬盘读写头的振动频响曲线，以分析谐振点 解决方法：轴承连接器影响音圈电机的频响特性，正常和非正常连接器会 引起不同谐振频率。SIS为客户提供了音圈电机驱动器、LDV和测量软件。 将激光对准硬盘读写头的侧壁，LDV即可记录振动特性，描绘出波特图， 即可分辨轴承连接器设计的好坏。 应用举例：质量控制 振动衰减的过程 振动细节分析 LDV常用于产品质量检测，如压电陶瓷、喇 叭、玻璃等等。如图，玻璃敲击后会产生振 动，不同的材质、尺寸和劳损会影响振动特 性，而这些因素都会影响玻璃质量。通过测 量玻璃的振动特性就可以达到质量检测的目 的。 应用举例：水面振动分析 激光直接射入 水面，以检测 水面的振动， 水杯底部的黑 色物件用于吸 收激光，以消 除杯底反射对 测量结果的影 响 400Hz激励下水面的振动分析 应用举例：超声振动测量 在一些特定的应用中， 如 超 声 设 备 、 PZT 、 MEMS等，需要测试较 高的频率，LDV很好的 满足的客户的要求 应用举例：系统监控 图为LDV监测机械工作 台振动 ,当各器件工作 在正常状态时基台处于 特定的平稳振动状态， 当器件发生磨损、松动 等状况时，都会造成机 械部分工作在非平衡状 态从而产生特殊的振动， 通过分析LDV的振动数 据可以分辨非正常状态， 达到系统检测作用 发展趋势 更廉宜的价格、更小的体积 目前制约激光多普勒测振仪代替加速度传感器，获得更广泛应用的主要因素是价格和体积。随着 半导体激光器技术的发展，使用半导体激光做为光源成为可能，结合几何光学系统的更加紧凑 和小型化，小型低价的激光多普勒测振仪有望成为现实。 更高的面内分辨率 微机电系统(MEMS)要求微米量级或更高的面内分辨率，需要显微激光多普勒测振仪来达到缩小激 光光点从而满足微观振动测量的要求 更远的测量距离 桥梁、水坝和楼房的振动测量结果是质量验收的一个重要标准，是激光多普勒测振仪一个重要应 用领域。该方面的应用，要求发展探测距离更远的激光多普勒测振仪。 多通道实时测量 大到飞机、汽车，小到微机电系统，都有对一个面积内多点的振动进行实时测量的要求。目前的 激光多普勒测振仪仍以扫面测量为主，不能实现多点并行实时测量。而以多台激光多普勒测振 仪组成的多通道测量系统，又有成本高和安装调试复杂的缺点。因此发展多通道实时测量系统 是一个方向。 谢谢！ Thank you Email: [email protected] Tel: +65 91251681; Fax: +65 65696736 Web Site: www.sunnyinstruments.com.sg 36