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郭繼平  于冀平  彭翔  刁艷  宋濤

（深圳市計(jì)量質(zhì)量檢測研究院1，廣東深圳518055；

深圳大學(xué)光電工程學(xué)院2，廣東深圳518060）

摘要：為實(shí)現(xiàn)對密集網(wǎng)孔尺寸的快速測量，提出一種大面積高精度平面網(wǎng)格尺寸快速自動化檢測方法及系統(tǒng)。首先利用高、低，放大倍率光學(xué)同軸成像系統(tǒng)同時(shí)獲取被測網(wǎng)格圖像；并由圖像中同名網(wǎng)孔計(jì)算出高、低倍圖像尺寸轉(zhuǎn)換比例系數(shù)，進(jìn)而得到低倍圖中所有網(wǎng)孔的尺寸；最后通過三維運(yùn)動平臺實(shí)現(xiàn)不同位置網(wǎng)孔的自動化測量。實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)大幅提升了密集網(wǎng)孔的測量效率，高精度達(dá)1um，可用于試驗(yàn)篩檢測并可實(shí)現(xiàn)對篩網(wǎng)面質(zhì)量的客觀綜合評價(jià)。

關(guān)鍵詞：自動化檢測試驗(yàn)篩影像測量光學(xué)成像系統(tǒng)鏡頭電荷耦合器網(wǎng)格傳感器

0引言

  試驗(yàn)篩是粒度分析和篩分試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)器，廣泛應(yīng)用于冶金、化工、醫(yī)藥、建材等行業(yè)領(lǐng)域。試驗(yàn)篩具有典型的平面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，網(wǎng)格尺寸是決定其質(zhì)量水平的關(guān)鍵參數(shù)。常見的試驗(yàn)篩中，最小網(wǎng)孔尺寸僅有20 um，直徑為100 mm的試驗(yàn)篩上約有490萬個(gè)網(wǎng)孔。國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6003.1 - 1997及國家校準(zhǔn)規(guī)范JJF 1175 - 2007對試驗(yàn)篩的檢測和質(zhì)量評判方法進(jìn)行了規(guī)定。標(biāo)準(zhǔn)要求在篩網(wǎng)面上至少選擇兩個(gè)取樣部位，共測量40個(gè)網(wǎng)孔尺寸，并依此對整個(gè)篩子做質(zhì)量評價(jià)。對具有上百萬個(gè)網(wǎng)孔的試驗(yàn)篩而言，該評價(jià)方法存在不合理性。傳統(tǒng)的方法是通過萬能工具顯微鏡或投影儀進(jìn)行手動測量，測量效率低下且存在人為誤差。因此，如何實(shí)現(xiàn)對試驗(yàn)篩網(wǎng)格尺寸的快速自動化精密測量是近年來研究的熱點(diǎn)之一。

  已報(bào)道的試驗(yàn)篩自動測量和分析方法對試驗(yàn)篩等平面網(wǎng)格尺寸測量技術(shù)的發(fā)展有重要的意義，但仍沒有根本解決試驗(yàn)篩由于檢測孔數(shù)較少帶來的質(zhì)量評判問題。因此，進(jìn)一步研究大面積試驗(yàn)篩高精度快速測量方法，提升試驗(yàn)篩網(wǎng)孔測量采樣率乃至實(shí)現(xiàn)全部篩網(wǎng)孔的自動檢測，具有十分重要的意義。

1  測量方法及系統(tǒng)

1.1  大面積平面網(wǎng)格快速測量方法

實(shí)現(xiàn)大面積平面網(wǎng)格尺寸的高精度快速測量，需要解決兩個(gè)技術(shù)問題：一是如何在保證測量精度的同時(shí)獲得大面積測量視野，以保證單次成像能夠獲得足夠多的網(wǎng)格圖像；二是如何實(shí)現(xiàn)對大量網(wǎng)格特征的快速提取和尺寸計(jì)算。為解決上述問題，本文設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示的雙放大倍率共軸成像系統(tǒng)，用于獲取被測網(wǎng)格圖像。成像系統(tǒng)由兩個(gè)CCD、兩組成像鏡頭及一個(gè)光束分束器組成。其中大視野CCD所用的成像鏡頭組放大倍率較低，用于獲得較大測量視野；小視野CCD所用的成像鏡頭具有較高的放大倍率，用于獲得高精度的網(wǎng)孔圖像。兩組鏡頭由分束器連接形成共軸光路，兩個(gè)光路圖像中心重合。此外，本文系統(tǒng)中的兩個(gè)成像鏡頭組都設(shè)計(jì)為放大倍率可調(diào)，以保證在對不同規(guī)格的試驗(yàn)篩(孔徑范圍0.02—5 mm)進(jìn)行檢測時(shí)，兩個(gè)CCD都能夠獲得較為理想的網(wǎng)孔圖像。其中大視野鏡頭包含0.2×、0.4×、0.8×三種放大倍率，小視野鏡頭包含lx~4.5×共五個(gè)放大倍率。

  測量時(shí)，兩個(gè)CCD同時(shí)采集被測篩網(wǎng)同一位置的網(wǎng)格圖像。小視野CCD的放大倍率較高，測量面積小，其采集的圖像P中包含的網(wǎng)格較少（假設(shè)為Ⅳ個(gè)），每個(gè)網(wǎng)格圖像所占的像素?cái)?shù)多。大視野CCD的放大倍率較低，測量面積大，其采集的圖像Q中有大量的網(wǎng)格（假設(shè)為M個(gè)，M>>N）并包含了小視野CCD圖像中的所有網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格圖像所占的像素?cái)?shù)少。通過精密測量圖像P中的少量網(wǎng)格尺寸可計(jì)算出圖像Q中所有網(wǎng)格尺寸，具體算法如下。

  (1)基于邊緣灰度圖像的曲面擬合法提取圖像P中所有的網(wǎng)孔亞像素邊緣特征，計(jì)算得到圖像P中每個(gè)網(wǎng)孔的像素尺寸U，利用事先校準(zhǔn)標(biāo)定好的比例尺系數(shù)p可進(jìn)一步得到每個(gè)網(wǎng)孔的實(shí)際物理尺寸，XPf =B×UP,，i=1，…，N。

  (2)利用兩個(gè)CCD圖像中心重合的特性，從圖像Q中查找出與圖像P中相同的網(wǎng)孔，即找到兩個(gè)圖像中的同名網(wǎng)孔，提取同名網(wǎng)孔的邊緣并計(jì)算網(wǎng)孔像素尺寸UQ,，i=1，…，N。

(3)由T式計(jì)算圖像Q與圖像P的網(wǎng)孔尺寸轉(zhuǎn)換系數(shù)：

式中：A；為每個(gè)同名網(wǎng)孔尺寸轉(zhuǎn)換系數(shù)的均值。

(4)提取圖像Q中所有網(wǎng)格圖像的像素尺寸W7Q/，并計(jì)算出所有網(wǎng)孔的物理尺寸XQ,：

  上述算法中，僅需要對圖像P和Q中的少數(shù)同名網(wǎng)孔進(jìn)行精密測量，通過轉(zhuǎn)換系數(shù)即可得到大視野中的多數(shù)網(wǎng)孔尺寸，可用于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格尺寸的大面積測量。相對直接使用大視野鏡頭測量，該方法可獲得更高的測量精度。

1.2  自動化測量系統(tǒng)及工作原理

  利用上述雙倍率共軸成像系統(tǒng)，在七海光電生產(chǎn)的影像測量儀（型號：SeavenOsean Accura III）的基礎(chǔ)上，搭建自動化測量系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件部分主要包括雙倍率共軸成像模塊（其中大視野CCD分辨率為1280 x1 024 pixel，小視野CCD分辨率為640×480 pixel)、XYZ三軸運(yùn)動控制系統(tǒng)、照明光源、計(jì)算機(jī)及夾具；軟件部分主要包括測量控制模塊及圖像采集與運(yùn)算處理程序。系統(tǒng)工作時(shí)，首先使用夾具將被測樣品固定于三維運(yùn)動平臺的中心，通過軟件系統(tǒng)控制XYZ運(yùn)動軸定位聚焦至感興趣待測區(qū)域。然后根據(jù)被測樣品網(wǎng)孔尺寸，分別選擇設(shè)置大視野、小視野成像鏡頭的放大倍率，以確保獲得適合測量的網(wǎng)格圖像。為兼顧測量效率和精度，本文在選擇小視野鏡頭倍率時(shí)，以使圖像視場內(nèi)網(wǎng)孔個(gè)數(shù)盡量少為原則，但必須包含至少一個(gè)完整網(wǎng)孔；選擇大視野鏡頭倍率時(shí)，在使得視場內(nèi)網(wǎng)孔數(shù)目盡量多的情況下，以單個(gè)網(wǎng)孔圖像邊長所占像素?cái)?shù)大于5為原則。最后，調(diào)整照明光源，使兩個(gè)CCD對網(wǎng)格清晰成像并開始采集圖像，由圖像處理算法快速提取網(wǎng)孔圖像特征，并按1.1節(jié)中所述算法計(jì)算待測網(wǎng)孔的尺寸結(jié)果。系統(tǒng)通過軟件控制界面可以預(yù)先設(shè)置多個(gè)待測區(qū)域，測量過程中三維運(yùn)動平臺自動運(yùn)動到各待測位置，雙倍率共軸成像模塊依次對區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格尺寸進(jìn)行測量，最終得到所有設(shè)定區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)孔尺寸結(jié)果，從而實(shí)現(xiàn)全自動化測量。測量結(jié)束后，軟件自動對所有數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，形成測量報(bào)告，用于對網(wǎng)格面的整體質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)。此外，該系統(tǒng)也可僅使用小視野CCD作為常規(guī)影像測量儀對網(wǎng)孔進(jìn)行直接測量，其方法和功能與文獻(xiàn)[8]類似，在此不再贅述。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

使用本文研制的平面網(wǎng)格自動化測量系統(tǒng)對試驗(yàn)篩（網(wǎng)孔標(biāo)稱基本尺寸W=0.1 mm，直徑100 mm）進(jìn)行了測量。實(shí)驗(yàn)中設(shè)置均勻分布于試驗(yàn)篩網(wǎng)面的25個(gè)待測區(qū)域，選擇大視野鏡頭倍率為0.4 x，測量視場為( 15.2×11. 6) mm，小視野鏡頭倍率為4.5×，測量視場為(0. 94×0.6) mm。參考GB/T 6003.1- 2012，確定該試驗(yàn)篩網(wǎng)孔尺寸最大偏差x=0.034  mm、中間偏差Z= 0.019 mm、平均偏差y=0.005 mm，并依此對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如表1所示。同時(shí)，為說明本文方法的測量效率，分別使用工具顯微鏡、光學(xué)投影儀及影像測量儀對試驗(yàn)篩進(jìn)行了對比測量，分別記錄各自測量的網(wǎng)孔數(shù)和所用時(shí)間，統(tǒng)計(jì)結(jié)果列于表2。由結(jié)果可知，本文方法的測量效率遠(yuǎn)高于其他測量方法，可實(shí)現(xiàn)對試驗(yàn)篩網(wǎng)格尺寸的大面積測量，提供足夠的統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)樣本，可以給出孔徑尺寸的統(tǒng)計(jì)分布情況，為客觀全面評價(jià)試驗(yàn)篩的質(zhì)量提供了有效途徑。

為了驗(yàn)證本文系統(tǒng)的測量精度，對如圖2所示的0.1 mm網(wǎng)格標(biāo)準(zhǔn)板（鍍鉻玻璃板，含9個(gè)網(wǎng)孔，孔徑校準(zhǔn)不確定度U =1.0um，k=2）進(jìn)行了測量。實(shí)驗(yàn)中分別采用本文2.1節(jié)所述快速測量方法及小視野鏡頭直接測量方法對標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格進(jìn)行了10次重復(fù)測量，取10次測量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差s衡量系統(tǒng)的重復(fù)性精度，并取其中一個(gè)網(wǎng)孔的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果見表3。

  由表3結(jié)果可知，本文提出的自動化測量系統(tǒng)使用快速測量方法時(shí)，重復(fù)精度可達(dá)0.2 um；使用直接測量方法時(shí)重復(fù)精度可達(dá)O.l um。依據(jù)不確定度評定理論，考慮校準(zhǔn)網(wǎng)格板孔徑校準(zhǔn)值的不確定度分量，系統(tǒng)測量最優(yōu)不確定度可控制在1um左右。由此可見，本文提出的快速測量方法及系統(tǒng)可在實(shí)現(xiàn)大面積測量的同時(shí)獲得較高的精度，且能夠滿足試驗(yàn)篩等密集平面網(wǎng)格特征的測量技術(shù)需求。

3結(jié)束語

  本文對快速二維影像測量技術(shù)進(jìn)行了研究。針對試驗(yàn)篩等密集平面網(wǎng)孔特征尺寸快速測量需求，設(shè)計(jì)出雙放大倍率共軸成像系統(tǒng)，提出一種網(wǎng)孔尺寸快速測量方法，并在常規(guī)影像測量儀的基礎(chǔ)上研制出平面網(wǎng)格自動化快速測量系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文方法有效可靠，可實(shí)現(xiàn)對試驗(yàn)篩網(wǎng)孔尺寸的大面積高精度快速測量。與傳統(tǒng)測量方法相比新方法具有極高的測量效率，測量15萬個(gè)網(wǎng)孔僅需要60 s，同時(shí)具有較高的測量精度，系統(tǒng)最優(yōu)測量精度可達(dá)1um左右，無人為誤差影響；能夠自動對網(wǎng)孔尺寸數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析并生成測量報(bào)告，實(shí)現(xiàn)對試驗(yàn)篩表面質(zhì)量更加客觀全面的評價(jià)。今后可在此系統(tǒng)上進(jìn)一步開發(fā)，優(yōu)化雙放大倍率成像模塊設(shè)計(jì)，擴(kuò)大系統(tǒng)測量網(wǎng)孔尺寸范圍，進(jìn)一步提升測量精度，增強(qiáng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理能力，以實(shí)現(xiàn)對試驗(yàn)篩全部網(wǎng)孔的快速檢測，完善對試驗(yàn)篩等密集網(wǎng)孔尺寸測量和統(tǒng)計(jì)分析評價(jià)的能力，為推進(jìn)國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)修訂奠定基礎(chǔ)。