【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、逆向工程、品質檢測等領域。比起傳統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、數顯化光柵位置輸出裝置及自動定位伺服控制系統，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（計數），最后計算處理。讀數來自于標尺即光柵系統，對焦對準依靠顯微鏡光學系統，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具有自動調節增益的功能，但當亮度過大時即失去調節功能，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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