表面三维微观形貌测量及其参数评定的研究

论文摘要

表面三维微观形貌检测是获取零件表面形态特征的一种重要手段,本文对基于相移干涉法测量表面三维形貌技术展开了较为全面的理论与实验研究工作;相移干涉术(PSI)作为一种光电型干涉测量技术,具有结构简单、调制方便、实时快速、高精度以及全场自动测量等优点。整个测量过程由相移、采样、相位提取及数据处理等部分组成。本文首先介绍研究表面三维形貌的意义,然后阐述表面三维形貌测量原理,并详细介绍了测量的过程。实验采用压电陶瓷作为相移器件,选定了其线性较好的区域,并根据这一区域设计出了相应的驱动电源,完成了精密移相系统的设计,实现线性连续式相移。系统要求自动连续保存干涉图样,编制出合理的图像采集系统来采集图像;文中详细地分析了干涉图像的各种处理方法,并提出了改进算法,提高了干涉测量的精度。针对相移干涉术的核心问题——相位提取技术进行深入研究;根据采集到的干涉条纹利用相位提取算法,计算出图像各点的高度值,还原其三维形貌;然后利用小波理论模型建立基准面,分离出粗糙度、波度、形状误差和由其他参数值决定的表面形貌特征。再按不同的表征特性将参数分为四类,它们是:幅度参数、综合参数、空间参数和功能参数,考虑到“参数爆炸”的原因,共给出了15个评定参数。整个测量系统采用激光为干涉光源,CCD为图像传感器,压电陶瓷提供微小位移,通过图像采集卡将干涉条纹采集到计算机内存。采用上述理论对标准样块进行了测量,计算机得到表面三维形貌图,根据建立的基准面分离出粗糙度信息;并由给出的参数评定数学模型,编制出合理的软件,计算出零件表面的三维参数。文中最后给出实验结果和分析,进行了总结和展望,并提出下一步研究工作的设想。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 课题研究的目的与意义
• 1.3 表面三维形貌测量方法的比较
• 1.4 相移干涉术的研究现状和发展趋势
• 1.4.1 相位提取算法
• 1.4.2 相位解包裹算法
• 1.5 三维表面参数表征趋势
• 1.6 本课题研究的主要内容
• 第2章 三维表面微观形貌测量及评定的理论基础
• 2.1 相移干涉术原理在测量表面三维形貌中的应用
• 2.1.1 干涉显微镜
• 2.1.2 相移干涉术的基本测量原理
• 2.1.3 最佳采样方式
• 2.1.4 移相方法
• 2.1.5 表面轮廓相位计算
• 2.1.6 影响测量误差的主要因素
• 2.2 小波理论原理在三维表面评定中的应用
• 2.2.1 三维表面评定技术发展综述
• 2.2.2 小波滤波技术在三维表面功能评定中的应用
• 2.3 参数表征理论基础
• 2.4 本章小结
• 第3章 测量系统的原理及其设计
• 3.1 测量系统的原理
• 3.2 系统的测量过程
• 3.2.1 采样
• 3.2.2 形貌还原及基准面的建立
• 3.2.3 参数评定
• 3.3 微位移系统的研究设计
• 3.3.1 微位移驱动器
• 3.3.2 压电陶瓷误差分析
• 3.3.3 压电陶瓷线性区域测试及选定
• 3.3.4 微位移活动平台设计
• 3.4 压电陶瓷驱动电源的设计
• 3.5 系统的整体设计
• 3.5.1 CCD 摄像机与图像采集卡
• 3.5.2 系统的整体实物设计
• 3.6 系统软件设计
• 3.6.1 图像采集软件设计
• 3.6.2 图像数据处理软件设计
• 3.7 本章小结
• 第4章 实验数据处理
• 4.1 干涉图像处理
• 4.1.1 频域处理方法
• 4.1.2 空域处理方法
• 4.2 三维形貌的还原及处理
• 4.2.1 三维形貌的还原
• 4.2.2 基准面的建立以及粗糙度的分离
• 4.3 三维形貌的参数表征计算
• 4.3.1 幅度参数
• 4.3.2 综合参数
• 4.3.3 其他参数
• 4.4 本章小结
• 第5章 实验结果及分析
• 5.1 表面三维形貌计算结果及比较
• 5.2 表面三维参数计算结果及比较
• 5.3 实验结果的总结分析
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢