非接触式3D测量技术
表面三维形貌非接触测量的现状
表面三维形貌非接触测量的现状近年来，随着三维数字化技术的突飞猛进，非接触式三维形貌测量也逐渐成为了研究的热点。
其不仅可以提高测量效率、增强测量准确性，还能够充分保护被测物体的表面完整性，避免硬接触带来的破坏。
因此，在生产制造、医疗、文化保护等领域都得到了广泛应用。
目前，非接触式三维形貌测量技术已经有了多种方法，例如：光学测量、激光扫描和结构光测量等。
其中，激光扫描技术是最常用的一种方法。
它的原理是利用激光束在被测物体表面进行扫描，通过收集反射光或散射光进行三维形貌的测量。
这种方法可以在几毫秒内完成对物体表面的扫描，其测量精度达到了数十微米，同时也具备了高速、高效、高精度等优点。
另外，结构光测量也是一种常用的表面三维形貌非接触测量技术。
它的原理是投射光源这一结构图案到被测物体表面，在投射的过程中通过对图案失真的分析，对被测物体表面的形貌进行测量。
与激光扫描技术相比，结构光测量虽然精度相对较低，但其适用于测量范围广泛，包括具有透明、反射等特性的物体。
除此之外，非接触式三维形貌测量技术还应用了光电子器件，如数字相机、CCD相机等，收集物体表面反射的光信号，并通过图像处理技术分析出物体表面的三维形貌。
这种方法不仅可以在较低成本的情况下实现三维形貌测量，而且还可以在人体和生物组织等非金属物体上进行测量。
总的来说，目前表面三维形貌非接触测量技术在多个领域都得到了广泛应用。
在以后的研究中，我们需要通过实验进一步改进技术，提高测量精度和速度，以便更好地适应不同领域的应用需求。
此外，非接触式三维形貌测量技术在制造业中的应用也是非常广泛的。
例如，在零部件加工过程中，这种技术可以非常精确地测量零件的形状和几何参数，从而保证零件的精度和质量。
在金属材料表面的质量检测中，非接触式三维形貌测量技术可以检测表面缺陷，例如凹陷或凸起，从而防止产品的失效或受损。
在文化遗产保护领域，非接触式三维形貌测量技术也发挥了重要作用。
利用这种技术，专家可以对文物进行精确的三维形貌测量，并利用测量结果进行数字化保护和虚拟展示。
非接触式测量技术在工程测量中的应用
非接触式测量技术在工程测量中的应用近年来，随着科技的不断进步，非接触式测量技术在工程测量领域得到了广泛应用。
非接触式测量技术是指通过利用传感器和光电子设备等无需直接接触测量对象的方法来获取物理量的测量值。
这种测量方式具有高效、准确、安全等优点，因此在工程测量中得到了广泛的应用。
一、光学测量技术在工程测量中的应用光学测量技术是非接触式测量技术中的一种重要手段。
它通过利用光学原理来达到测量的目的。
例如，三维扫描仪通过发射激光束，利用激光反射回来的时间差来计算测量对象的距离，从而实现对物体形状和尺寸的测量。
光学测量技术在工程测量中可以广泛应用于建筑物、桥梁、隧道等大型工程结构的变形监测，以及机械零件的形状测量、表面质量检测等方面。
二、红外热像仪在工程测量中的应用红外热像仪是一种能够测量物体表面温度分布的仪器。
它利用物体发射的红外辐射来反映物体表面的温度分布情况，并通过显示屏上显示出热像图。
红外热像仪在工程测量中的应用非常广泛。
例如，它可以用于建筑物的能量损耗检测，通过测量表面温度分布来确定建筑物的热保护性能；它也可以用于电力设备的异常检测，通过测量电力设备表面温度来判断设备是否存在故障。
三、雷达测距技术在工程测量中的应用雷达测距技术是利用电磁波传播和回波时间差来测量物体距离的一种技术。
它通过发射电磁波并接收其回波，根据回波的时间差来计算出物体到雷达的距离。
雷达测距技术在工程测量中具有广泛的应用。
例如，在大型工程建设中，可以利用雷达测距技术来测量地质构造、地层厚度和水位等参数，为工程建设提供可靠的地质测量数据。
四、激光雷达技术在工程测量中的应用激光雷达技术是通过利用激光束来实现对物体的测量。
它通过发射激光束并接收其回波，并根据回波的时间差来计算物体到激光雷达的距离。
激光雷达技术在工程测量中的应用十分广泛。
例如，它可以用于地形测绘，通过测量激光束与地面的交互反射来获得地面高程和三维地形模型；它也可以用于道路测量，通过测量激光束与路面的交互反射来获得道路的平整度和坡度等信息。
工程测绘中的新技术及运用
工程测绘中的新技术及运用随着科技的不断发展，工程测绘领域也出现了许多新技术，这些新技术有效地提高了测绘的精度和效率，为建设工程提供了更加精准的数据支撑。
以下是工程测绘中的新技术及其运用。
1.卫星测量技术卫星测量技术是目前应用最为广泛的工程测量技术之一。
它利用卫星信号实现地球上任意点的位置测量，具有高精度、快速和全球覆盖的特点。
卫星测量技术包括全球定位系统（GPS）、北斗卫星导航系统（BDS）等。
在道路、桥梁、隧道、水利、环境等领域的测绘中已经广泛应用。
2.激光扫描技术激光扫描技术是一种非接触式的三维测量技术，它利用激光器发射激光束，对目标物进行扫描，同时记录目标物的形状和位置信息。
它可以在较短的时间内获取复杂的三维模型，并且具有高精度和高效率的特点。
激光扫描技术主要应用于建筑、文物保护、工业制造等领域。
3.无人机测量技术无人机测量技术是一种新兴的测量技术，它利用无人机进行空中测量，可以获取地面的高分辨率影像数据和三维数据。
无人机测量技术具有灵活性高、低成本、工作效率高等优点，在土地测量、灾害监测、建筑测量等领域有着广泛的应用。
4.遥感技术遥感技术是一种非接触式的地球观测技术，它利用航天器、卫星或者飞机对地球表面进行观测，并获取大规模的地理信息数据。
遥感技术主要包括光学遥感和雷达遥感。
它可以应用于土地利用、环境监测、自然资源调查等领域。
5.3D打印技术3D打印技术是一种快速成形技术，它可以根据三维数据将数字模型转化为实体模型，形成物理实体。
3D打印技术在模型制作、零部件生产、装备维修等领域有着广泛的应用，可以有效地提高产品的开发、制造、维护等效率。
综上所述，工程测绘中的新技术不断涌现，这些新技术的不断发展和应用，为工程建设计划和实施提供了更加精准的支持，为建设出更加先进、环保、节能的工程提供主要支持。
10.1三维非接触式形貌测量方法简介
工程振动测试技术非接触式测量方法是目前发展较快的一种方法，在以下几种情况下，需要采用非接触式测量方法：01 对附加质量比较敏感，传感器的质量对测量结果影响大，如各种轻薄结构；02 直接接触会对试件产生损毁，如各种文物等；03 在恶劣条件下不能接触，如高温高压的试件；04 接触会改变整个系统，如液体表面等。
三维非接触式形貌测量1.电磁学2.声学3.光学根据测量原理的不同，可分为三类，是各学科的相互交叉和相互渗透的结果。
光学方法可依照光源扫描方法的不同分为点扫描、线扫描和全场扫描。
从被测物的运动状态出发，可分为动态测量和静态测量等。
三维非接触式形貌测量1.电磁学2.声学3.光学根据测量原理的不同，可分为三类，是各学科的相互交叉和相互渗透的结果。
光学方法可依照光源扫描方法的不同分为点扫描、线扫描和全场扫描。
从被测物的运动状态出发，可分为动态测量和静态测量等。
3.光学主动式光学三维测量相位测量轮廓法空间相位检测法调制度测量轮廓法飞行时间法主动三角法莫尔云纹法傅立叶变换轮廓法主动式光学三维测量相位测量轮廓法空间相位检测法调制度测量轮廓法飞行时间法主动三角法莫尔云纹法傅立叶变换轮廓法阴影云纹法将一平行光栅置于物体表面，并用一束与光栅表面法线夹角为γ的光线照射，设观测方向与光栅表面法线夹角为φ，如图所示。
在远处观测，从P点入射的光线（假想P点为光栅透光量最大点），由物体表面反射，为观测者所接受，则形成亮点，一系列这样的亮点形成了亮条纹。
它们必然满足以下的几何关系：在远处观测，从P点入射的光线（假想P 点为光栅透光量最大点），由物体表面反射，为观测者所接受，则形成亮点，一系列这样的亮点形成了亮条纹。
它们必然满足以下的几何关系：ϕγtan tan +=na w 式中w 即为物体上的p’点的高度该方法测量精度较低，同时由于制作大面积的光栅很困难，所以阴影云纹法只适用于小范围的测量。
投影云纹法将一光栅投射到物体表面，用摄像机记录下由于物体表面不平而引起变形的栅线，再与未变形的栅线叠加，产生几何干涉云纹条纹图，分析云纹图就可以得到物体表面的等高线分布图。
3d轮廓仪原理
3d轮廓仪原理
3D轮廓仪是一种常用于非接触式检测的三维形貌测量设备，原理是基于光线三角测量原理和相位移位原理。
它主要由投影仪，相机和相应的软件组成。
其中，投影仪会将白光分成多束并投射在待测物体表面上，形成一个具有编码条纹的图像。
而相机则用于收集被测物体上形成的这些编码条纹。
当物体有微小的形变或移动时，编码条纹发生相对位移。
根据相位移位原理，从编码条纹的位移量可以计算出物体表面像素点处的高度信息，进而得到待测物体的三维表面数据。
这样，通过全方位拍摄待测物体，就可以获得该物体在三维空间中的完整轮廓，并生成对应的三维模型。
特别需要注意的是，由于编码条纹的形成是基于光学原理，因此在非黑暗环境下可能会受到环境光和反射光的影响，导致测量误差或数据失真。
因此，在使用3D轮廓仪时需要尽可能地避免这些外界光干扰。
3dxray原理
3dxray原理3D X射线成像（3D X-ray Imaging）是一种用于获取物体内部结构信息的非接触式成像技术。
其基本原理是通过向物体射入X射线束，然后测量透射或散射的X射线来推断物体的内部结构。
与传统的2D X射线成像技术相比，3D X射线成像能够提供更为精确的物体几何结构和位置信息。
3DX射线成像的原理可分为光法和电流法两种方法。
光法：在光法中，通过将物体放置在X射线源和X射线探测器之间，并利用相位差测量来获得物体的3D结构信息。
当X射线束射到物体上时，会在物体内部发生干涉现象，同时由于物体的吸收能力的不同，会导致X射线束的相位差。
通过测量相位差，可以推断出物体的3D结构。
光法的优点是对于具有较弱吸收能力的物体效果较好，但缺点是其灵敏度较低，需要较长时间的测量。
电流法：在电流法中，通过在物体内部注入一定强度的电流，并测量电流在物体内部的分布来推断物体的3D结构。
电流法基于库仑定律，根据电流的强度和方向的变化来计算物体内部的电导率分布，并以此推断出物体的3D结构。
电流法的优点是其测量速度较快，但缺点是对于吸收能力较强的物体效果较差。
无论是光法还是电流法，3DX射线成像都需要使用先进的成像算法来处理获得的数据，以重建物体的3D模型。
3DX射线成像技术广泛应用于医学影像学、工业非破坏检测等领域。
在医学影像学中，3DX射线成像可以用于获取人体内部器官的三维结构信息，辅助医生进行诊断和手术规划。
在工业应用中，3DX射线成像可以用于检测封闭结构中的缺陷和异物，如焊接缺陷、裂纹等，以提高产品质量和安全性。
总之，3DX射线成像是一种强大的非接触式成像技术，能够获得物体内部的3D结构信息。
它通过先进的成像算法和X射线测量技术，从透射或散射的X射线中推断出物体的几何形状和位置信息。
3DX射线成像技术在医学和工业等领域具有广泛的应用前景。
3d-dic技术在材料力学弯曲梁实验中的拓展应用
3d-dic技术在材料力学弯曲梁实验中的拓展应用3D数字图像相关技术（3D-DIC）是一种非接触式的三维形变测量方法，已广泛应用于材料力学领域中的弯曲梁实验中。
本文将探讨3D-DIC技术在材料力学弯曲梁实验中的拓展应用。
材料力学弯曲梁实验是一种常用的实验方法，用于研究材料的弯曲性能和力学行为。
传统的弯曲梁实验通常使用传感器、测力仪和位移计等设备进行测量，但这些设备存在接触式测量的局限性，例如精度受限、测量范围较小、对材料表面要求高等。
相比之下，3D-DIC技术采用摄像头对材料进行全面的非接触式测量，能够提供更为全面准确的测量数据。
在弯曲梁实验中，3D-DIC技术可以实时、全方位地获取材料表面的形变和位移信息，从而分析材料的应力分布和变形情况，进而揭示材料的力学性能和破坏机制。
3D-DIC技术在材料力学弯曲梁实验中的拓展应用主要包括以下几个方面：1.材料形变和位移场的全面测量：传统的测力仪和位移计只能测量局部的应变和位移信息，而3D-DIC技术可以全面测量材料表面的形变和位移场。
这对于理解材料的全局变形和局部应变集中区域具有重要意义。
2.应力场的分析和模拟：通过测量材料表面的形变信息，可以反推出应力场的分布情况。
将测量得到的形变数据输入到有限元分析软件中，可以进一步模拟和预测材料的应力分布和变形情况。
3.破坏机制的研究：通过连续观察材料在弯曲过程中的形变和位移，可以揭示材料的破坏机制和失效过程。
例如，可以通过形变场的变化来检测材料的裂纹扩展和局部变形。
4.复杂材料力学性能的评估：对于复杂的材料，如纤维增强复合材料，3D-DIC技术可以提供更为全面准确的形变和位移测量，从而揭示纤维与基体之间的相互作用和界面效应。
虽然3D-DIC技术在材料力学弯曲梁实验中有着广泛的应用前景，但也面临着一些挑战和限制。
例如，3D-DIC技术对于材料表面的纹理和颜色要求较高，对于光照条件和干扰因素的敏感性较强。
此外，测量过程中需要处理海量的数据，对于数据处理和分析技术要求较高。
非接触式三次元测量仪原理
非接触式三次元测量仪原理非接触式三次元测量仪是一种用于测量固体物体表面三维形状的设备。
它采用非接触式测量技术，通过光学、激光或其他传感器获取物体表面的几何信息，然后将这些信息转化为数字坐标，并生成三维模型。
该测量方法不需要物体接触式触探测量，不会对物体造成破坏，能够实现高精度、快速测量，已广泛应用于机械加工、汽车制造、航空航天、医疗器械、消费电子、艺术品等领域。
非接触式三次元测量仪的工作原理是通过光学传感器、激光传感器等设备对待测物体进行扫描，获取其表面形貌的分布数据，然后通过数字处理和三维重构算法获取物体表面的三维坐标。
下面将从光学传感器和激光传感器两个方面来介绍非接触式三次元测量仪的工作原理。
一、光学传感器的工作原理光学传感器是一种能够测量目标物体表面形状的设备，它通过光学成像原理将物体表面的图像传送到相机中，进而获取物体表面的坐标数据。
具体来说，光学传感器中包括光源、透镜、成像器等组成部分。
光源发射出光束照射在待测物体表面，经过透镜进行聚焦形成物体表面的图片，成像器将这个图片转换成数字化的数据。
在光学传感器中，主要有白光、相机、镜头等设备组成。
在测量中，光学传感器会发射一束光束（通常是白光），照射在待测物体表面上，然后将物体表面反射回来的光通过镜头透过接收回来，形成一个二维图像。
由于光照射到物体表面上所反射回来的光的方向和原来的照射方向是不同的，因此通过这个光学成像原理可以推导出物体表面的三维坐标。
根据相机的内部参数，可以将输入的二维图像转换成物体表面的三维坐标信息，并生成三维模型。
二、激光传感器的工作原理激光传感器是一种光电传感器，通过激光进行光测量，能测量非常精细的物体表面结构。
激光传感器通常包括激光光源、光电探测器、干涉仪等部件。
在测量中，激光光源会向待测物体表面发射一束激光光束，光电探测器接收反射回来的激光信号，并通过干涉仪对接收到的激光信号进行干涉，得到波形数据。
根据激光光束在物体表面上反射和散射后的返回信息，可以获得物体表面的形态信息和精度。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
4.1 三维激光扫描技术
4.1.1 典型的基于面结构光三维测量系统的结构 典型的基于面结构光三维测量系统的结构简图如图4.1所示。此系统由一个数字光栅投
影装置和一个（或多个）CCD摄像机组成，测量时使用数字光栅投影装置向被测物体投射 一组光强呈正旋分布的光栅图像，并使用CCD摄像机同时拍摄经被测物体表面调制而变形 的光栅图像；然后利用拍摄得到的光栅图像，根据相位计算方法得到光栅图像的绝对相位 值；最后根据预先标定的系统参数或相位-高度映射关系从绝对相位值计算出被测物体表 面的三维点云数据。此系统涉及相位计算、系统参数标定和三维重建等多个关键技术[41]。
环境空气湿度：10%-90% 非液化（请尽量保持环境干燥）。
环境光线：应将本机器置于无频闪光源、弱光照的稳定光强环境。
工作环境：置于可稳定放置的环境中工作。通常将其与三脚架稳固连接，或者直接将
其置于工作平台上使用。
其他要求：工作时测量系统与样品的工作距应保持固定，直至扫描测量结束（周围无
震动源）。请勿敲击、碰撞本产品，运输时请将其置于工具箱中，轻拿轻放。 2、配置要求 电源：220V 交流电源 操作系统：Windows7 32位旗舰版或专业版（推荐） 电脑：台式电脑 处理器：英特尔Core i5 750 @ 2.67GHz 主板：微星P55-SD50 (MS-7586) 芯片组：英特尔Core Processor DMI - P55 Express 芯片组 内存：4 GB ( 金士顿DDR3 1333MHz ) 主硬盘：500 GB (西数WDC WD5000AAKS-00V1A0) 主显卡：512 MB (Nvidia GeForce GT 240) 显示器：19英寸宽屏（1440x900）液晶显示器
图 4.1 典型的基于数字光栅投影的结构光三维测量系统结构简图
4.1.2 PowerScan系列快速三维测量系统介绍 1、系统框图 PowerScan三维测量系统采用是一种结构光技术、相位测量技术、计算机视觉技术的复
合三维非接触式测量技术[42]。测量时光栅投影装置投影特定编码的光栅条纹到待测物体上，
3、硬件连接 如图 4.8 所示，是三维测量系统与电脑主机连接的连线图。
图 4.8 硬件连线图
4、系统驱动和软件安装 硬件接线完成后，打开计算机和三维扫描仪电源，放入安装光盘。并按照以下顺序安装。 ① 运行时库安装 打开光盘“运行时库”文件夹，双击“MCRIstaller.exe”文件，根据软件安装步骤提示 进行操作，直到安装完成。如图4.9所示。
图 4.5 云台图
三角架结构如图4.6所示，其中： ①——三角架升降锁紧开关，用于控制三角架的升降； ②——三角架角度控制开关，用于调整三角架支撑杆之间的角度； ③——三角架伸缩控制开关，用于放出和收回三角架的内支撑杆。 注意：当三角架和云台都调整到最佳状态后，请锁定，以免发生意外。
图 4.6 三角架图
图 4.10 Basler 相机驱动安装界面
注：安装完成后启动桌面上 pylon IP Configurator 配置每个相机的静态 IP，使其与网卡 在同一个网段上。
③ 软件安装 将光盘“PowerScan”文件夹复制至目的盘即可。
4.1.4 软件界面介绍 打开三维测量系统软件，软件主界面包括以下栏目，如图4.11所示。 标题栏：本系统名称和当前活动窗口。 菜单栏：包括所有的操作选项。 工具栏：提供了操作的快捷方式。 视窗栏：如图4.11上面的数字所示，分别为： ① 文件名视窗：显示已扫描测量文件名称。 ② 显示视窗：显示已扫描测量获得的物体三维数据。 ③ 场景视窗：显示相机拍摄到被测量物体的图像场景。
摄像机同步采集相应图像，然后通过计算机对图像进行解码和相位计算，并利用匹配技术、
三角形测量原理，解算出摄像机与投影仪公共视区内像素点的三维坐标，通过三维测量系 统软件界面可以实时观测相机图像以及生成的三维点云数据。系统框图如图4.2所示。
2、三维测量系统结构 PowerScan三维测量系统主要由高精度的CCD相机、投影设备、标定板、云台和三角架 等组成，结构如图4.3所示。
图 4.2 系统框图
图 4.3 三维测量系统结构示意图
3、三角架和云台介绍 如图4.4所示，系统中配合使用三角架和云台来稳定三维测量系统的位置。三角架主 要用来稳定三维测量系统并且调整测量高度，云台主要用来调整系统的俯仰角度，下面 详细介绍云台和三角架的组成及各组件功能。
图 4.4 三角架和云台
云台的结构如图4.5所示，其中： ①——云台竖直控制手柄，用于调整扫描仪在竖直方向的俯仰角度； ②——云台水平控制手柄，用于调整扫描仪在水平方向的倾斜角度； ③——云台转动控制旋钮，用于控制扫描仪在水平面内的转动； ④——云台安装控制把手，用于固定和拆卸扫描仪。
4、标定板 标定板样式如图4-7所示，三维测量系统通过拍摄标定板在不同位置的图像，经过一系 列计算来实现对系统的标定。一般根据扫描物体的大小，选择不同尺寸的标定板。 注意：使用过程中请保持标定板干净整洁，确保标记点准确完整
图4.7 标定板图
4.1.3 三维测量系统安装调试
1、环境要求
环境温度：-10℃—35℃（为达到最佳测量精度，将机器至于恒温环境为宜）。
图 4.9 运行时库安装界面
② 相机驱动安装 打开光盘“basler 相机驱动”文件夹，双击“Basler pylon x64 4.1.0.3660.exe”文件（32 位程序则打开 Basler pylon x86 4.1.0.3660.exe），根据软件安装步骤提示进行操作，直到安装 完成。如图 4.10
图 4.11 三维扫系统软件主界面
1、 菜单栏、工具栏 （1）文件菜单如图 4.12 所示，包括新建、打开、保存和另存为四个功能。
图 4.12 文件菜单
（2）相机设置工具栏如图 4.13 所示，包括图像采集、设置等相关功能。
图 4.13 相机设置工具栏
① 工具栏中的图像采集部分包括： ●连续采集：连续采集图像； ●停止采集：停止采集图像。 ② 工具栏中的测试类别部分包括： ●十字图像：投影出一个十字，用以调节系统的最佳测量距离，当投影十字与相机视 图框内十重合时，扫描测量效果最佳； ●光栅图像：投影出光栅条纹图像，用以调节相机曝光时间； ●白色图像；投影白色光，用以预览图像。 ③ 工具栏中的参数设置部分包括： ●曝光时间：用于调节整幅图像的亮度； ●增益调节：用于调节图像的对比度、清晰度。设置此项目时，可以用鼠标左键拖住 滑块进行左右移动，也可以直接在文本框内手动输入一个整数值，也可以点击增减按钮， 每次加1 或减1。通常情况，在初始状态下，增益可设为8，在以后使用中可根据实际效 果进行修改，一般普通扫描时增益值在4 到12 之间； ●包长调节：根据计算机带宽选择包长。