基于三维激光扫描仪对元件面积精确度的测量

黄炜钰 齐东平 路永鑫 沈楚苇

（上海工程技术大学，中国 上海201620）

0 引言

二维激光扫描仪的快速扫描是扫描仪诞生产生的概念，在常规测量手段里，每一点的测量费时都在2-5秒不等，更甚者，要花几分钟的时间对一点的坐标进行测量，在数字化的今天，这样的测量速度已经不能满足测量的需求，三维激光扫描仪的诞生改变了这一现状，最初每秒1000点的测量速度已经让测量界大为惊叹，而现在脉冲扫描仪（scanstation2）最大速度已经达到50000点每秒，相位式扫描仪（Focous3D）的最大速度已达到每秒百万次。利用其高效性，对100cm2以内已知不规则面积元件进行精确度的研究，并介绍理论上激光热量和强激光束在测量中的影响。

1 面积精确度测量研究

激光成像原理是利用激光束扫描物体，将反射光束反射回来，得到的排布顺序不同而成像。用图像落差来反映所成的像。[1]采用控制变量法，如图，定点放置三维激光扫描仪于距桌面一米处，使发射口垂直，被测元件水平放置在扫描仪下方，保持室内温度为恒温，相同时间间隔内发射出激光束，对被测元件扫过一周为一组；待元件达到常温后，改变发射激光的种类，进行多组实验并记录。图像处理方面，利用C语言开发出采集边缘进过图像处理软件输出图像，提取出图像的外围轮廓，生成轮廓矢量图，输出Auto CAD图像，或直接运用Imageware软件即可得出精确面积。

为了研究面积的准确性，多次采集图像并计算其平均值，与一直面积值做对比，在误差范围内比较各种类型激光测出的面积精确度。

图1

2 精确度误差分析

2.1 环境因素引起误差

在面积测量过程中，环境参数（如空气的温度、湿度、压力等）的变化将改变空气的折射率，是激光光束传播过程中偏离直线，进而影响测量结果，产生测量误差。在实际测量中，保证环境参数的相对稳定，减小误差。

2.2 激光光线稳定性的影响

激光扫描仪发射出激光的基准是激光光线，即要求激光光束的能量中心连线为直线，且这一直线不随时间和空间位置变化。但是由于各种因素的影响，会造成激光光线的位置随时间变化，发生了光线漂移，使得激光能量中心的连线并非直线，这将严重影响激光准直测量的精度。[3]

3 激光热量对材料面积的影响

本文理论上阐述热量对测量过程中的影响，从材料受温度影响的形变程度入手，部分塑料受温度影响强烈，自然不能耐受激光的高强度照射，对金属而言，以铜为例，方坯结晶器铜管与规格相当的圆坯结晶器铜管由形状决定了强度的不同，方坯结晶器铜管强度比圆坯结晶器铜管强度大，因此抗热变形能力不同。常规的设计标准，铜管壁厚方坯取铸坯名义尺寸的8%～10%；例如：150方结晶器铜管壁厚为12～15mm，而圆坯结晶器铜管同样取8%～10%，因为圆坯结晶器铜管容易变形，为此，大连大山结晶器有限公司在设计圆坯结晶器铜管时，壁厚取铸坯名义尺寸的9%～11%，提高了结晶器铜管的强度[2]。所以在抗热形变强的材料面前，或者元件面积较大当误差远小于测量面积时，并不用担心激光测量元件面积所产生的误差影响。关键在于确定所测元件的材料组成以及抗热形变强度，在此基础上，完全可以考虑该技术的运用。

［1］百度百科[OL].http：//baike.baidu.com/link?url=Awi HwMaifC4291gWQ-v5OsZZC4 htdrbP-4pPx1Tqj39VvEwSFfW5Mv02_dsm0eNZ2B-KawUHT0uYdD9_HZTS5_.

［2］杨东.品种钢优特钢连铸结晶器及二次冷却[OL/J].http：//www.jxcad.com.cn/thread-1003804-1-1.html.

［3］焦明星,冯其波,王鸣,刘君.激光传感与测量[M].北京.科学出版社,2014.