【技術文章】二次元影像測量儀誤差是如何產生

二次元影像測量儀是近十年來發(fā)展最為快速的幾何光學測量儀，它是一種基于光學投影原理，結合應用現(xiàn)代光電技術和計算機處理技術，完成對試件邊緣輪廓金相瞄準來實現(xiàn)長度尺寸測量的二維平面坐標位置測量儀。該儀器能高效地檢測各種形狀復雜工件的輪廓和表面形狀尺寸、角度及位置，特別是精密零部件的微觀檢測與質量控制。適用于產品開發(fā)、逆向工程、品質檢測等領域。比起傳統(tǒng)的萬能工具顯微鏡和投影儀，在硬件上增加了CCD攝像傳感器、數(shù)顯化光柵位置輸出裝置及自動定位伺服控制系統(tǒng)，在測量或軟件功能上，具有自動對焦、自動瞄準及各種復雜自動計算處理特點。電子和圖像處理技術的發(fā)展應用，為二次元影像測量儀的多功能、高精度和自動化程度提供了關鍵的技術支撐作用。應用于工廠現(xiàn)場測量的二次元影像測量儀，通常其分辨率為0.001mm，測量不確定度一般為（3+L/200）μm左右，其中L為測量長度（mm）。應用于精密計量、量值傳遞等高精度測量領域的二次元影像測量儀，測量不確定度一般優(yōu)于（1.0+L/300）μm。

1、二次元影像測量儀的結構組成及光學原理特點

二次元影像測量儀一般由機械、照明、測長、圖像采集、計算機和測量軟件等六部分組成。
二次元影像測量儀的光學原理與普通投影儀很類似，區(qū)別在于影像前者被測件的輪廓影像被CCD傳感器接收并由計算機進行圖像采集和處理，后者則直接把影像投射到投射觀測屏，輪廓對準有操作者的人眼完成，因而導致兩者測量精度和自動化程度相差很大。二次元影像測量儀一般具有較大的測量范圍，通常配備有（0.7-4.5X）的變焦物鏡，照明光源除了常見的底光和頂光外，還有環(huán)形照明光，適合于底光和頂光都不能有效照明時應用。
 
2、二次元影像測量儀的誤差來源

在二次元影像測量儀上的測量均是單軸或二維平面坐標的測量，測量時先對焦，后對準，在讀數(shù)（計數(shù)），最后計算處理。讀數(shù)來自于標尺即光柵系統(tǒng)，對焦對準依靠顯微鏡光學系統(tǒng)，還有一個直接影響測量效果和精度的照明光源，因為，基于影像方法測量的儀器，如果被測件不能被有效正確的照明，則測量的結果顯然要偏離其真實尺寸。除前述因素外，環(huán)境條件也是制約測量精度不可忽視的因素。基于上述分析，可以歸納一下幾個方面的誤差來源：

1）光柵計數(shù)尺的誤差；

2）工作臺移動時存在的直線度、角擺帶來的誤差；

3）工作臺兩測量軸垂直度帶了的誤差；

4）顯微鏡光軸與工作臺不垂直帶了的誤差；

5）測量室溫度帶來的誤差；

6）光源照明條件的變化帶來的對焦和對準誤差。
 
在這幾種因素中，前四項誤差，是硬件誤差，在儀器制造過程中已經(jīng)形成并固定下來，一般無法改變，溫度影響帶來的誤差，必須通過控制測量室的溫度和等溫過程來減小其影響。

最后一項則常被忽視，而在實際測量中，當光源照明條件改變時，直接影響被測工件的照明效果和影像質量，主要是因為二次元影像測量儀的圖像是通過CCD接收，盡管CCD具有自動調節(jié)增益的功能，但當亮度過大時即失去調節(jié)功能，導致被測工件影像在縮小，當亮度過低時，工件影像反而變大。

這種影響，對于測量具有重復圖形結構之間的間距時，只要整個測量過程中照明條件保持不變，其影響可以忽略，因為每個重復圖形結構都同時在變大或者變小，間距的測量計算直接消除了影像變形的影響，如測量玻璃尺、網(wǎng)格板刻線間距；除了這種特殊情形外，如測量圓的直徑、工件的長度和寬度，都將帶來明顯的誤差。
 

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