基于时间相位对三维物体面形的测量讲解
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基于时间相位展开法对三维物体的面形测量
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基于时间相位展开法对三维物体的面形测量
摘要
随着三维测量技术的不断发展，通过投影拍摄结构光条纹对三维物体进行测量已经成为近年以来的研究热点。主要研究了基于时间相位展开法的对三维物体面形的测量，详细阐述了其实现原理并推导了展开相位与实际物体高度之间的几何映射关系。分析了三频法和外差法的特点并使用三频外差法来进行研究：外差法展开条纹集中在高频部分从而保证了拟合精度的可靠性，三频法仅用3套条纹做时间相位展开，效率很高。并且使用了计算机模拟了实验对三频外差相位展开法进行了验证，实验结果证明了该方法的有效性。对三维物体面形的测量在未来是人们要研究的主要课题之一，具有很高的市场价值，是一个值得去关注和研究的方向。
关键词：相位展开；时间相位展开；三频外差法
Surface shape measurement of three dimensional
object based on time phase unwrapping method
Abstract
With the development of three-dimensional measurement techniques, shooting through the projection of structured light stripe three-dimensional objects to be measured it has become a hot topic in recent years since. The main study of the temporal phase expansion method based on measurement of the surface shape of three-dimensional objects, elaborated its principle and deduce geometric expansion phase and the actual mapping between object height between. Analyzes the characteristics of tri-band method and the heterodyne method using tri-band heterodyne method to study: heterodyne fringe concentrated in the high frequency part of the expansion so as to ensure the reliability of fitting precision, tri-band method only three sets of stripes do time phase unwrapping, high efficiency. And the effectiveness of the use of computer simulation experiments tri-band heterodyne phase expansion method was validated experimental results show the method. Measurement of the surface shape of three-dimensional objects in the future is one of the main topics to be studied people with high market value, it is worth to pay attention to the direction and research.
Key words: phase unwrapping; time phase unwrapping; tri-band heterodyne
目录
论文总页数：16页1 引言 (1)
1.1 课题背景及意义 (1)
1.1.1 研究背景 (1)
1.1.2 研究意义 (1)
1.2 研究现状及发展趋势 (2)
1.3 相关理论以及基本原理 (2)
1.5 时间相位展开方法研究进展 (4)
1.6 时间相位展开方法的应用前景 (4)
1.7 本课题的研究方法 (5)
2 相关原理 (5)
2.1空间相位展开 (5)
2.2 时间相位展开 (5)
2.2.1 时间相位展开的一般过程 (5)
2.3 三频外差法原理 (6)
2.4 时间相位展开原理 (6)
2.5相位及高度计算 (8)
3 电脑模拟实验结果图 (9)
结论 (13)
参考文献 (14)
致谢 (15)
声明 (16)
1 引言
基于条纹投影对被测对象的面形的测量具有速度快、精确、没有损耗等特点，这个方法已经被大量的用在生物医学的方面、机器视觉以及航空航天等领域，那些典型的方法包含有基于单帧条纹处理的变换域分析方法以及那些基于多帧条纹处理的相移的方法，前一个包含：傅里叶变换轮廓术，窗口傅里叶变换轮廓术，小波变换轮廓术以及S 变换轮廓术等[1]。其中相移测量的技术比变换域分析的方法的精度更高，然而变换域方法因为只需要收集一帧或者最多两帧条纹，这个方法非常适合动态过程的测试。不管采用上面描述哪一个方法，他们计算得出的相位值都截断在],(ππ-这一区间，经常要对这些进行相位展开才能够计算得到他们的连续的相位图[2]。
从1993年提出了时间相位展开方法以来，人们就怎样减少展开过程所需要的条纹数，如何提高相位展开的效率问题进行了深入的研究，因此产生了许多相应的展开算法[3]。其中最典型的算法包含有：指数增长，负指数增长的时间相位展开方法，并且在这些算法的基础上产生了很多改进的算法，其中包含有三频法以及外差法等等。这些方法当中负指数增长算法具有相对较高的条纹级次定位的精度，因此它的相位展开的精度相对较高，所以重构的三维物体的面形测试的精度也相对较高．然而它所需要的数据的收集量也相对较大，数据处理的时间也相对较长．三频展开法只使用3套条纹1=t ，S ，S （其中S 为最大投影的条纹数目)[3]做时间相位展开，它的测量精度相对于负指数增长算法有所降低，但是却大大缩短了它的测量的时间。三频外差的方法是将三频展开方法和外差法相结合起来，因此在保证了相对较高相位展开可靠性的同时也具有了相对较高的测量效率。
随着技术的不断高速发展，现在对三维面形的测量得到了广泛的应用以及对其需求量日益的扩大，与此同时对其也提出了更高的要求，此次主要基于结构光来对三维物体进行面形的测量。
1.1 课题背景及意义
1.1.1 研究背景
在科技快速发展、检测技术、需求日趋增加以及三维目标识别与跟踪领域的今天，大大的加大了对三维物体的面形的测量，并且要求人们用更加准确快速相对简单的方法来对其进行研究，由此可见，对三维物体的面形的测量技术是目前以及将来越来越被重视的领域之一。
1.1.2 研究意义
随着现代技术光学理论、微电子集成电路、图像传感技术、信息系统工程的高速发展，出现了非常多的检测系统。近年来，对三维物体的面形的测量技
术越来越多的被用于其他领域[4]，为其他领域带来了很高效的技术，因为光学三维测量技术有着相当高的测量、高精度等优点，因此给其他的领域带来了很多的方便，所以此领域也带来了很多研究人员对其进行多方面的研究。
1.2 研究现状及发展趋势
在现代工业应用中，一维和二维测量的理论，技术发展和应用已经相当成熟。由于三维测量的复杂性和特殊性，一直是科技界努力突破的技术难题[5]。随着现代制造业的飞速的发展，比如像航空航天方面的、汽车等那些很大的大型制造行业对这些质量控制的问题提出了相当高的要求，就是为发展这一技术提供了很大的便利以及优势，又因为那些其他行业的东西相对一般比较大而且比较重，所以很多时候往往都要需要将那些出现的质量问题必须要当场把它解决了。
1.3 相关理论以及基本原理
结构光法是光学测量技术的其中的一种，他的原理是通过光线投射到物体表面的投影，然后由光点，或者是光条再或者是光的平滑结构来操作[6]，并通过那些图像的相关仪器得到图像，然后再利用那些他们之间的某种几何关系，最后人们再通过三角关系的一些相关原理算出物体的坐标。这些方法在那些比较现实的物体面形测量中得到了很大应用，但是，他的测试的精准度又会受到某些物理光学方面的影响。
光点的那些测试的方式他是需要依次测测试，图像采集和图像处理所需要的时间也会跟着那些被测对象的加大而迅速加大，这会很相当困难的去完成那些需要人们即时完成的测试。利用线结构光代替点光源，深度图，图像采集和图像处理时间可以大大降低。
当使用光的结构光的时候，人们这时就应该把那些二维的结构光的图像投影到被测对象的他的面上，并且还不需要扫描就能对物体表面实现测试，测试的时候很迅速，经常使用的方法是在光的光滑结构投影条纹图案到物体的表面上。
当投射的结构光的图案相对更为复杂的时候，这时候人们为了确定被测对象的表面的点与像素的点之间的那些一一联系，将对象和图像的像素的点进行编码，这种方法也被称为结构光测量方法[7]。那些图形的编码又被分成为空域编码和时域编码。空域编码的方法只需要一个投影便可获得深度图对象。
结构光的测试方法，它的原理就是把投射到一个被测对象的表面的光栅，然后把这个被测对象的高度拿来进行调制，这个时候光栅条纹会发生形变，这个可以被解释为变形后的条纹，它的相位和它的幅度都是这个对象的表面的载体信号。然后由解调得到的条纹信息，和高度信息的相位变化。最后用三角法
的原理计算出高度，并称之为相位法。基于三维物体轮廓测量技术的理论基础，是相位测量、也是光学三角法，但是它不同于光学三角法的轮廓术，它不直接寻找和判断像点由于物体高度变动后。
光栅条纹他的相位是关注的焦点，相位法的处理步骤主要有它的相位得解调、它的相位的展开、而且还有这个东西得高度、以及这个东西的相位关系校正、而且还有一些相应的计算。在目前的情况下，相位法是主要的难点在于投影，相位展开和系统校准：新的投影机可以改变的控制下的投影图案，尽管他有着很好的适应性，但是它的分辨率相对来说并不是很高的；但是独有那些存在的问题，尽管人们想出了很多的办法，但是对于一些其他的因素的影响，仍然不能够达到他们的那些要求。
对于结构光对三维物体面形测量方法当中，现在存在一种比较流行的发展的趋势，那就是相位法和其它编码技术相结合的方法。光栅投影技术，它的本质上是一种利用相位来编码的方法，但是他的缺点是，由于正弦条纹投影是周期性的，而且加上其他不利因素使得相位展开相对困难。编码结构光方法，它的测试的方法属于一种离散的测试的方法，并且它的每一个都有一个离散的光栅值，所以只能限制它的条形编码的数量，所以同时也就限制了它的测试精度高精度的要求，当要求高精度测试的时候，这个时候就需要一种比较复杂的编码方式。这两者的结合，将成为解决这一问题的一个很好的选择，如格雷编码、相位编码方法等。测量原理：将结构光图像投影到将要被测试的对象的表面上面，然后人们可以从另外一个角度观察到由于物体的形变从而引起的被测的对象它的高的度调制形变后的条纹，这个可以解释为相位和幅度它们都是被测的对象的表面的调制后的载体信号。采集的变形后的条纹被收集和解调，然后将它进行恢复得到相位信息，然后再由相位来最终确定这个物体的高度。这就是基于相位的结构光的方法的基本原理。
自从人们提到时间相位展开方法至今，人们就对如何提高相位展开效率的相关的问题进行了大量的研究，也就因此得出了大量的经典算法。这些大量的典型算法中包括：基于线性增长，增长指数的时间相位展开算法，基于线性增长，并在这些算法中产生的改进算法，其中包括三频法、外差法等．其中指数增长算法具有很高的条纹级次定位精度，所以相位展开精度高，从而重建的三维面形测量的精度也高．但是所需的数据采集量较大，数据处理时间也较长．其中三频展开法仅用3套条纹1
t，S，S（S为最大投影条纹数目）做时间相
位展开，精度相对负指数增长算法有所降低，但测量时间缩短。三频外差法是将外差法和三频展开法相结合，在保证高相位扩展可靠性的同时，也应该具有较高的效率。
本文主要采用三频外差相位展开法对三维物体表面形貌进行测量，通过相位展开法，利用相位与高度的映射关系计算出物体的实际高度。
1.4 条纹投影三维测量的流程
首先人们应该对投影到被测物体表面的条纹图进行采集，然后由一些相应的计算那些采集到的条纹图上面点的相位得到得相应的折叠相位图(这些方法包括有:相移方法、傅里叶变换方法、小波变换方法等)，将这些折叠相位的图片展开成展开的相位图，然后由已经设定正确得系统依据某些展开的相位图片从而可以得到那些采集的条纹的图片上的每一个点的深度，因此来获取它的深度的图像(这些设定的方法包含：多项式方法、求解参数方法等)，然后人们又把每个视角下的所采集到的图像来进行一系列的相关的匹配因而可以获得到它们之间存在的某种联系，然后人们再进行视图的合成从而可以得到物被测的对象的整个的三维模型图。
1.5 时间相位展开方法研究进展
目前出现了很多的光学测试的技术，这些技术大多都需要对二维条纹图形的相位的分布进行一系列的相关分析[8]。但这两种方法只能得到截断相位图的相位值（π-，π+）。因此，它通常进行必要的相位展开对截断相位。事实上，相位展开是相位测量的面临的一个主要问题，并且它是比较关键得技术之一。
为了避免相位展开中的误差传递效应，一些人们提出了时间相位展开方法。这个方法将很多不同频率的条纹最终投影到了那些被测的对象的面上，然后拍照得到的一个条纹序列由面上调制而形成的，然后又在这个序列当中的每个点的分别展开[9]，这样就相对的防止了误差的传递，从而间接的减少了误差的扩大。该方法可用于精确测量表面不连续性的的物体，并能实现测量的自动化完全的。
近几年来，在这一期间已经有了很大的改变和优化对时间相位展开方法。本文章是基于时间相位展开的基本原理、以及时间相位展开与物体高度之间的转换的研究为主，对其进行较为全面的分析和评述。
1.6 时间相位展开方法的应用前景
时间相位展开方法的主要优势是简便，并且可以很容易准确测量表面不连续物体的面形；它不仅可用来于测量那些静止的物体的面形，而且还可以用来对那些运动的物体的面形的测试，也就是实时的相位展开。
目前基于光栅投影和相位测量的面形测量技术在相当多的领域当中都出现了日趋重要的发展趋势，所以基于时间相位展开的方法的应用目前一定也能够
成为相当重要而且还会非常的广泛，这也同时提醒人们对这方面的研究有着很大的市场价值所在。
1.7 本课题的研究方法
本课题采用三频外差时间相位展开法进行研究，这个方法它只会用3套条纹1=t 、S 、S （S 为最大投影条纹数目）做时间相位展开。这个方法将会使用3套条纹 ,而且他的计算的效率相对较高而且用来计算的最开始的条纹都属频率很高的条纹 ,因此他的拟合精度大概是三频外差的1.73倍。相位展开的路径大致为1=t 、S 、S ,保证了恢复结果的可靠性。
2 相关原理
2.1空间相位展开
空间相位展开的那些一般的过程就是沿着截断相位数据矩阵的行或列方向，然后人们在比较他们相邻的两个点的相位值，但是如果他们之间的差的值比π-还要小，那么后面点点的相位值人们就该给他增加π2;但又如果他们之间的差的值比π还要大，那么后，面一点点的相位值人们就该给他们减去π2。一般的空间相位的展开的过程它是一种依次对积分进行查看累加的过程，那么他的算法就会让某一处的误差会向后面依次传递开去。在这种情况下，沿时域展开相位将是最佳选择。
2.2 时间相位展开
他的基本的原理就是让光栅条纹的频率会随着时间的变化而变化。光栅所投射的图人们可以把他当做是一个时间轴上的某种序列，然后人们记录下这些的很多的相位图，然后就可以形成测试空间中的一个三维的相位的分布图，最后人们把每一像素点的相位顺着时间轴进行相应的相位展开[10]。
2.2.1 时间相位展开的一般过程
时间相位展开过程的三个步骤：
1、首先人们应该解出他的所有投影的截断相位图：),,(t n m w φ
2、然后再求出那些相邻的两幅图像的同一点的展开相位差和π2的不连续数：
)1,,(),,()1.,,(--=-?t n m t n m t t n m w w w φφφ (2-1)
]2)1,,,([)1,,,(π
φ-?=-t t n m NINT t t n m d w (2-2) 总的π2不连续数为：
∑=-=s
t t t n m d s n m u 1)1,,,(),,( (2-3)
3、总的展开相位差为：
),,(2)0,,(),,()0,,(),,(s n m u n m s n m n m s n m u u u u ?--=-πφφφφ (2-4)
(m, n)表示坐标点。
2.3 三频外差法原理
三频外差展开法是将三频展开法与外差法结合起来的一种方法，它投影条纹数为S S -,S ,)1(++S S 三套条纹，两次外差得到的条纹频率分别为S 1，)1(1+S 和1，实际处理中，相减得到的两个相位不是已展开的，而是
两个相位的正切： 21211
tan tan 1tan tan tan ?????+-=?-w (2-5) 条纹频率为1的相位分布相当于已展开的相位，以它为标准的相位使用下式：
)]1(),([)(-?=k v k U k u w u ??? (2-6)
然后把他进行打开，打开过程与三频展开法很相像，其中V 为第K 阶和第K-1阶的频率倍率．对展开获得的相位进行最小二乘拟合，得到的斜率为[3]：
∑∑==∧=n
i i n i u
i
s
i s w 1213)(? (2-7)
2.4 时间相位展开原理
时间相位展开利用从多组不同频率的条纹图中获得的三维的相位场沿着时间轴方向分别对每个像素逐一进行相位展开．一般来说，展开过程可以分为三个步骤进行[10]：
1)计算每套条纹测量后的截断相位图),,(t n m φ，其中n m ,表示条纹的空域
尺寸，s t ???=2,
1，是时间变量，用于标记条纹套数，S 为投影条纹最大周期数。
2)求时间轴上相邻两套截断相位图同一点的截断相位差以及确定π2的不连续数),,(t n m d ：
)1,,(),,(),,(--=?t n m t n m t n m ??? (2-8)
)2/),,((
),,(π?t n m N I N T t n m d ?= (2-9) 其中NINT()为取整运算符，总的π2不连续数为：
∑==s
t t n m d s n m 1
),,(),,(υ (2-10)
3)总的展开相位差为：
),,(2)0,,(),,()0,,(),,(t n m n m s n m n m s n m πυ????--=- (2-11)
以标准的四步相移为例，则共需4s 帧条纹图，条纹图的强度分布可表
示为：
),,(cos ),,(),,(),,(1t y x t y x B t y x A t y x I ?+=
),,(sin ),,(),,(),,(2t y x t y x B t y x A t y x I ?-=
),,(cos ),,(),,(),,(3t y x t y x B t y x A t y x I ?-=
),,(sin ),,(),,(),,(4t y x t y x B t y x A t y x I ?+=
(2-12)
计算每套条纹的截断相位：
])
,,(),,([t a n ),,(13421t y x I t y x I t y x w ??=-? (2-13) 其中),,(t y x I ij ?表示为：
),,(),,(),,(t y x I t y x I t y x I j i ij -=? (2-14)
计算时间轴上相邻时刻（标记为1t 和2t ）对应的两幅截断相位图在同一点的截断相位差)(1,2t t w ??）及该点展开时所需的π2的不连续数)(t d ：
])
()()()()()()()([tan ),(142242113213142213113242112t I t I t I t I t I t I t I t I t t w ??+????-??=?-? (2-15) )2/),((),(1212π?t t NINT t t d w ?= (2-16)
其中)2,1)((=?k t I k ij 、),(12t t w ??、),(12t t d 省略了角标）,（y x 。在时间轴上满足
香浓抽样定理的前提下，第S 幅图的展开相位差可以表示为：
),,(2)1,()0,(1t n m t t s s
t πυ??--?=?∑=
j i j i ???-=?),( (2-17)
由公式(2-17)可见，中间相位值)1(ω?到)1(-s ω?的随机或系统误差都会自动抵消，只有)0(ω?和Δ)(s ω?相位图中的误差才会对展开相位差有贡献,实际0=t 时，投影条纹中每个点的相位都为零,也即)0(ω?上的相位误差可以消除．虽然中间的相位图只是被用来确定最后一幅截断相位的相位级次，但也可以利用这
些中间相位值来拟合wt t u =)(?序列中所有的数据点．其中ω表示相位随时间t 的变化速率，对式(2-18)中每个像素点沿时间轴进行最小二乘拟合,就可以得到拟合斜率B ω：
∑∑===s t s
t u t t t B 12
1
)
(?ω (2-18)
拟合斜率B ω乘以最大投影条纹数ｓ就可以求得展开相位，经过拟合后的测量结果在精度上要高于直接进行相位展开的结果。
2.5 相位及高度计算
测量系统光路图如图2-1所示。数字光投影系统的光轴O I 1与成像系统的光轴O I 2交于参考面 R 上的O 点[11]，投影系统中心1I 与成像系统中心2I 的连线与参考平面的夹角为0θ。投影系统距参考面LP ，成像系统距参考面LC 。投影系统、成像系统光轴与参考面法线（即z 轴）[12]夹角分别为1θ,2θ。参考面上点C 与物面上点D 成像于CCD 上同一点[13]，
记3θ=∠DCA ，4θ=∠DAC 。图2-1测
图2-1 测量原理图
物体表面任一点D 的高度h （即DB ）的表达式推导过程为：
在 ACD ?中
43___cot cot ____θθ+=AC DB (2-19)
而
CD p D C p AC φφφππ22____
-=-= (2-20)
(2-20)式中p 表示发散照明下参考面条纹周期。 )1(cos 110cos sin 2111
p L x p p θθθ-
= (2-21) 0p 为投影光栅周期。在CN I 2?中， 2_____
2_________23tan ,,,cot ____2___________2___θφθπc c p c N I ON
OC N I CN L ON OC L N I =====
+ (2-22) 所以 c
c c L L p πθπφθ2tan 232cot +=
(2-23) 同理，在AM I 1?中， p D p L p L πφθπθ2tan 241cot -=
(2-24)
联立(2-19)～(2-24)式，物体的高度分布表示为
)],(),([)tan (tan 2)
,(21y x L y x L p L L y x L pL D c c p p c CD p c h φφθθπφ-++-= (2-25)
式中c φ表示参考面相位分布，D φ表示物体表面相位分布D C CD φφφ-=即CCD 同一点[14]所对应的两个相位值之差。
将p 的表达式代入（2-23）式，物体高度表达式可变换为
)],(),([)tan (tan )cos sin 2(cos 2),(0211110y x L y x L p L x L y x L p D c c p c p CD c h φφθθθθθπφ-++--= (2-26)
此处x,y 为世界坐标系值，在实际测量过程中所处理的是CCD 拍摄到的以图像像素坐标系为参考系的二维图像，当CCD 光轴与参考面不垂直时，各物点通过CCD 成像放大率不同，世界坐标系到图像像素坐标系的变换不再满足线性关系，必须建立世界坐标系与像素坐标系的关系[15]，将世界坐标系转换到图像像素坐标系。
3 电脑模拟实验结果图
在matlab 上进行仿真实验，使用三频法进行相位展开，其中仿真的投影条纹频率分别为1,6,36然后对其进行相位展开。
图3-1 物体高度图
如图3-1所示：在matlab上模拟画出了原物体的高度图。
图3-2 频率为1的未变形的垂直条纹的截断相位图
图3-3 频率为6的未变形的垂直条纹的截断相位图
图3-4 频率为36的未变形的垂直条纹的截断相位图
图3-2，3-3，3-4是在matlab软件上模拟对原物体分别投影条纹频率为1，频率6,以及频率为36的光，然后分别获取他们的截断相位图。
图3-5 标准条纹的连续相位图
图3-5是在matlab上将其截断相位进行相位展开后得到的标准相位图
图3-6 频率为1的变形后的垂直条纹的截断相位图
图3-7 频率为6的变形后的垂直条纹的截断相位图
图3-8 频率为36的变形后的垂直条纹的截断相位图
图3-6，3-7，3-8是在matlab软件上模拟对变形后的物体分别投影条纹频率为1，频率6,以及频率为36的光，然后分别获取他们的截断相位图。
图3-9 变形后的连续相位图
图3-9是将变形后的物体的截断相位进行相位展开后获得的连续相位
图。
图3-10 截断相位后测量的物体图
图3-10是利用相位与物体实际高度之间的映射关系在matlab上计算得到的物体高度图。
图3-11 原物体与测量后误差图
图3-11是原物体高度图与在matlab上仿真得到的物体高度之间的高度差图，即仿真时出现的误差。
结论
本文主要介绍了利用时间相位展开方法对物体的三维物体面形进行测量，并且论述了时间相位展开的基本原理以及基于时间相位展开与物体高度之间几何映射关系，包括相位展开和相位展开与高度之间的映射关系。最后在matlab 中用仿真实验模拟了基于三频时间相位展开法的相位展开并利用物体高度与相位的映射关系计算出了物体的三维物体的高度。
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致谢
本文是在***老师的热情关心和指导下完成的，他渊博的知识和严谨的治学态度使我受益匪浅，对顺利完成本课题起到了极大的作用。在此向他表示我最衷心的感谢！
在论文完成过程中，本人还得到了班上很多同学的热心帮助，在此本人向他们表示深深的谢意！
最后向在百忙之中评审本文的各位专家、老师表示衷心的感谢！
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相位测量仪
辽宁工业大学 电子综合设计与制作（论文）题目：低频数字式相位测量仪 院（系）：电子与信息工程学院 专业班级：电子班 学号： 学生姓名： 指导教师： 教师职称： 起止时间：2013.12.13-2014.1.10
电子综合设计与制作（论文）任务及评语
摘要 该设计是低频数字式相位测量仪，设计思路为输入一个低频正弦信号通过分支路正常输出，另一路不通过移相器输出一个相位改变频率不变的正弦波。得到上述两路频率相同相位不同的信号后就要测出两信号的相位差和频率，在做此工作前先要经过相位测量前置级信号处理电路，由阻抗变换和放大、限幅、电平转换、整形电路组成。经过相位测量前置级信号处理电路得到两路方波，通过异或门输出一个脉冲序列与晶振产生的基准脉冲波进行与操作得到调制后的波形，在一定的时间范围内对脉冲的个数进行计数通过计算得到相位差和频率。再通过单片机控制显示器显示出所需结果。 关键词：低频；正弦；移相器；异或门；整形；
目录 第1章可编程增益放大器设计方案论证 (1) 1.1可编程增益放大器的应用意义 (1) 1.2可编程增益放大器设计的要求及技术指标 (1) 1.3 设计方案论证 (2) 1.4 总体设计方案框图及分析 (3) 第2章可编程增益放大器各单元电路设计 (4) 2.1 输入调整电路设计 (5) 2.2 中间级放大电路设计 (5) 2.3 输出级电路设计 (5) 2.4 增益调整电路设计 (6) 第3章可编程增益放大器整体电路设计 (7) 3.1 整体电路图及工作原理 (7) 3.2 电路参数计算 (7) 3.3 整机电路性能分析 (8) 第4章设计总结 (9) 参考文献 (10)
三维激光扫描系统
三维激光扫描系统 基本介绍 三维测量可定义为“一种具有可作三个方向移动的探测器，可在三个相互垂直的导轨上移动，此探测器以接触或非接触等方式传送讯号，三个轴的位移测量系统经数据处理器或计算机等计算出工件的各点坐标(X、Y、Z)及各项功能的测量”。三维测量的测量功能应包括尺寸精度、定位精度、几何精度及轮廓精度等。 应用领域 机械、汽车、航空、军工、家具、工具原型等测量高精度的几何零部件以及测量复杂形状的机械零部件。 三维测量技术的应用领域： 最近几年，三维激光扫描技术不断发展并日渐成熟，目前三维扫描设备也逐渐商业化，三维激光扫描仪的巨大优势就在于可以快速扫描被测物体，不需反射棱镜即可直接获得高精度的扫描点云数据。这样一来可以高效地对真实世界进行三维建模和虚拟重现。因此，其已经成为当前研究的热点之一，并在文物数字化保护、土木工程、工业测量、自然灾害调查、数字城市地形可视化、城乡规划等领域有广泛的应用。 (1)测绘工程领域：大坝和电站基础地形测量、公路测绘，铁路测绘，河道测绘，桥梁、建筑物地基等测绘、隧道的检测及变形监测、大坝的变形监测、隧道地下工程结构、测量矿山及体积计算。 (2)结构测量方面：桥梁改扩建工程、桥梁结构测量、结构检测、监测、几何尺寸测量、空间位置冲突测量、空间面积、体积测量、三维高保真建模、海上平台、测量造船厂、电厂、化工厂等大型工业企业内部设备的测量;管道、线路测量、各类机械制造安装。 (3)建筑、古迹测量方面：建筑物内部及外观的测量保真、古迹(古建筑、雕像等)的保护测量、文物修复，古建筑测量、资料保存等古迹保护，遗址测绘，赝品成像，现场虚拟模型，现场保护性影像记录。 (4)紧急服务业：反恐怖主义，陆地侦察和攻击测绘，监视，移动侦察，灾害估计，交通事故正射图，犯罪现场正射图，森林火灾监控，滑坡泥石流预警，灾害预警和现场监测，核泄露监测。 (5)娱乐业：用于电影产品的设计，为电影演员和场景进行的设计，3D游戏的开发，虚拟博物馆，虚拟旅游指导，人工成像，场景虚拟，现场虚拟。 三维测量方式 1)将被测物体置于三坐标测量空间，可获得被测物体上各测点的坐标位置，这项技术就是三坐标测量机的原理。三坐标测量机是测量和获得尺寸数据的最有效的方法之一，可以替代多种表面测量工具，减少复杂的测量任务所需的时间，为操作者提供关于生产过程状况的有用信息。
相位差检测电路
课程设计报告 课程电子测量与虚拟仪器 题目相位差检测电路 系别物理与电子工程学院 年级08级专业电子科学与技术 班级08电科（3）班学号0502083（02 14 23 24）学生姓名崔雪飞陈祥刘刚李从辉 指导教师徐健职称讲师 设计时间2011-4-25~2011-4-29
目录 第一章绪论 (2) 第二章题目及设计要求 (3) 2.1题目要求 (3) 2.2设计要求 (3) 第三章方案设计与论证 (4) 3.1移相电路设计 (4) 3.2检测电路设计 (4) 3.3显示电路设计 (5) 第四章结构框图等设计步骤 (6) 4.1设计流程图 (6) 4.2模块分析 (7) 4.2.1 移相电路 (7) 4.2.2 检测电路 (7) 4.2.3 显示电路 (8) 4.3结果显示 (9) 4.4总电路图 (11) 第五章误差分析 (12) 第六章总结体会 (13) 第七章参考文献 (14) 附录 (15)
第一章绪论 随着电子技术和计算机技术的发展,电子设计自动化(E-DA) 技术使得电子电路设计人员在计算机上能完成各种电路的设计,性能分析和有关参数的测试等大量的工作。Multi-sim2001是加拿大InteractiveImageTechnologies公司2001年推出的Multisim最新版本,是一个专门用于仿真与设计的工具软件,它丰富的元件库中提供数千种电路元件,随时可以调用;它提供了多种测试仪器仪表,可方便的对电路参数进行测试和分析。移相器在新一代移动通信、电子战、有源相控阵和智能天线等系统中获得广泛的应用。移相器在电子系统中的主要作用是调整系统接收 /发射时电路中的信号相位。本文将介绍用Multisim软件的部分集成电路和控制部件等各种元件来完成移相电路的设计和仿真。 使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术，可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。 相位差的测量是研究网络相频特性中必不可少的重要方面，如何使相位差的测量快速、精确已成为生产科研中重要的研究课题。 测量相位差的方法很多，主要有：用示波器测量；把相位差转换为时间间隔，先测量出时间间隔，再换算为相位差；把相位差转换为电压，先测量出电压，再换算为相位差；与标准移相器进行比较的比较法（零示法）等。在测量相位差中主要有四种方法，即用示波器测量相位差、相位差转换为时间间隔进行测量、相位差转换为电压进行测量、零示法测量相位差。在此课程设计中主要用到的是相位差转换成计数脉冲数进行测量。
推荐-FPGA和MCU的相位测量仪的设计 精品
存档日期：存档编号： 本科生（） 题目：基于FPGA和MCU的相位测量仪的设计 学院：电气工程及自动化学院 专业：电气工程及其自动化 XX大学教务处印制
随着社会和历史的不断进步，相位测量技术广泛应用于国防、科研、生产等各个领域，对相位测量的要求也逐步向高精度、高智能化方向发展，在低频范围内，数字式相位测量仪因其高精度的测量分辨率以及高度的智能化、直观化的特点得到越来越广泛的应用。 本文首先论述了相位测量技术的国内外发展概况，并根据现状设计了此相位测量系统。该设计包括系统设计的理论分析，系统结构设计及硬件实现，最终验证了该测量系统的可行性和有效性。 该设计采用单片机与FPGA相结合的电路实现方案,很好地发挥了FPGA的运算速度快、资源丰富、编程方便的特点,并利用了单片机的较强运算、控制功能,使得整个系统模块化、硬件电路简单、使用操作方便。文章主要介绍设计方案的论证、系统硬件和软件的设计,给出了详细的系统硬件电路图和系统软件主程序流程图。 关键词: 数字式相位测量仪单片机 FPGA 设计方案
Along with the social and historical progress, phase measurement technology is widely used in national defense, scientific research, production and other fields, on the phase measurement requirements are also gradually to high precision, high intelligent direction, in the range of low frequency digital phase measurement instrument, because of its high precision measurement resolution and highly intelligent, intuitive characteristics have been more and more widely applied. This text first discusses the phase measuring technology development in domestic and international, and according to the present situation designs the phase measuring system. The design includes system design theory analysis, system structure design and hardware realization, finally verified the feasibility and validity of the system. The bination of MCU and FPGA is adopted in the design .It has the features of FPGA high operating speed, abundant resources and convenient programming. And the use of MCU’s strong operation and control function, which makes the whole system modularized, the hardware circuit is simple and the operation is convenient. The paper mainly introduces the designs of the demonstration, hardware and software, the hardware circuits and main software program are given in detail.
大型物体三维扫描系统的算法和实现
２００２年第１６卷专刊测试技术学报ｖ０１．１６Ｍｏｎｏ２００２ＪｏＵＲＮＡＬｏＦＴＥＳＴＡＮＤＭＥＡＳＵＲＥＭＥＮＴＴＥＣＨＮｏＬｏＧＹ 大型物体三维扫描系统的算法和实现 许智钦宋丽梅郑义忠叶声华 （精密测试技术及仪器国家重点实验室天津大学天津中国３０００７２） 摘要；本文介绍了一种扫描人型物体三维尺寸和轮廓的方法，并且获得物体的三维模型。系统由激光器和彩色ｃＣＤ组成。彩色ＣＣＤ摄像机扫描物体两次，第一次扫描纹理，然后扫描三维信息。论文提供了完成尺寸测量和自动扫描三维物体的实际方法。 关键词：ＣＣＤ摄像机，三维扫描，激光器， １．概述 现在对于３Ｄ数字软件的需求越来越高，随着ｃｐｕ性价比的不断提高和计算机３Ｄ处理速度的提高，通常的二维图形已经不能满足要求，用户更关心生动形象的３维模型的建立。由于计算机图形软件很难建立３维模型，所以可以将实际的物体数字化，以获得３Ｄ模型。但是数字化的成本很高，而且对用户的要求也比较高。 本课题组已经研制成功可以自动建立任意一 个大型物体的三维模型的系统。可以将系统应用 到逆向工程、虚拟现实、仿真、３Ｄ网页、三维打 印模型等。系统的主要功能见下： （１）简单实用，不需要昂贵的数字转换 器。 （２）系统可以处理大型物体。先逐片扫描 物体，然后自动将所有的单位拼凑成 一个物体。 （３）形象生动的显示被扫描几何模型的 实际的纹理。 ２．系统综述： 系统由一个无辐射激光发射器，一个６４０×４８０的彩色ＣＣＤ，一个红色滤光器，一个图像采集＃，一个电机驱动的位置调节平台，和奔腾３计算机一台（如图１所示）。系统可以获得包括纹理在内的几何信息。 激光器安装在一个电机驱动的可调平台上，所以整个物体可以在计算机的控制下，通过逐步扫描激光条纹获得。数据范围可以通过三角法得到。彩色ＣＣＤ获得的纹理也折合到数据范围中。 为了得到全面的表面信息，必须从不同的角度扫÷收稿Ｅｊ期：２００２．０３．２３图１：系统硬件 图２：精确标定模型 万方数据
相位差检测
目录 一、题目要求 ........................................................ 错误!未定义书签。 二、方案设计与论证 ............................................ 错误!未定义书签。 移相电路 ......................... 错误!未定义书签。 检测电路 ......................... 错误!未定义书签。 显示电路 ......................... 错误!未定义书签。 三、结构框图等设计步骤................. 错误!未定义书签。 设计流程图........................ 错误!未定义书签。 电路图 ........................... 错误!未定义书签。 移相电路图................... 错误!未定义书签。 检测电路图................... 错误!未定义书签。 显示电路图................... 错误!未定义书签。 四、仿真结果及相关分析................. 错误!未定义书签。 移相效果 ......................... 错误!未定义书签。 相位差波形........................ 错误!未定义书签。 相位差度数........................ 错误!未定义书签。 五、误差分析........................... 错误!未定义书签。 误差分析 ......................... 错误!未定义书签。 六、总结与体会......................... 错误!未定义书签。 七、参考文献........................... 错误!未定义书签。 八、附录............................... 错误!未定义书签。 元器件清单........................ 错误!未定义书签。
相位测量仪
目录 前言 (2) 一、功能特点 (3) 二、技术指标 (3) 三、结构外观 (4) 1.结构尺寸 (4) 2.面板布置 (4) 3.键盘说明 (5) 四、液晶界面 (6) 五、使用方法 (10) 六、打印功能 (13) 七、注意事项 (13) 附录：三相三线计量接线48种接线结果 (14) 差动保护正确矢量图 (16)
前言 随着电力行业的发展和微机综合自动化产品的推广应用，保护回路和计量回路的接线正确与否直接影响到电力系统工作的稳定性和电费计量的准确性，而这两点正是电力系统非常重要的两个方面。由于保护装置和高压计量装置的接线比较多，容易造成错误接线，而又不易被察觉，（尤其是差动保护的复杂接线，有时高低侧同时引入，又存在不同的联结组别，极易接错，而在平时运行中又可能不会误动或拒动，存在很大的隐患）。武汉华亿通电气有限公司根据现场测试需要，适时开发出SL型矢量分析仪。它集多功能于一身，即可做相位仪校验主变差动保护和母线差动的正确性，又可作为电参量测试仪测试电力系统必要的参数，还可用做三相三线电能计量接线检测仪器。采用dsp交流采样，可同时测量3路电压和6路电流模拟量，仪器首创9通道矢量同屏显示，人机对话界面友好，使用简便，大大方便了现场使用，是电力工作者的得力助手。
一、功能特点 1、大容量锂电池供电，连续工作长达4小时。 2、3路电压，6路电流矢量同屏显示，国内首创。 3、集保护矢量分析；相位伏安测试；电能计量接线矢量分析多种仪器于 一身。 4、大屏幕、高亮度的液晶显示，全汉字菜单及操作提示实现友好的人机 对话，触摸按键使操作更简便，宽温液晶带亮度调节，可适应冬夏各季。 5、用户可随时将测试的数据通过微型打印机将结果打印出来。 6、体积小重量轻：283×218×128，2kg 7、预留双USB接口，可外接优盘等移动存储设备。 二、技术指标 1、输入特性 电压测量范围：0~450V。 电流测量范围：0~6A。 2、准确度 电压、电流、频率：±0.2% 功率：±0.5% 3、工作温度：－15℃~ +40℃ 4、充电电源：交流160V~260V 5、绝缘：⑴、电压、电流输入端对机壳的绝缘电阻≥100M?。 ⑵、工作电源输入端对外壳之间承受工频2KV（有效值），历时1 分钟实验。 6、体积：32cm×28cm×13cm 7、重量：2Kg
三维激光扫描仪
利用三维激光扫描仪提取塌陷裂缝 张飞跃 （西安科技大学，陕西西安 710600） 摘要：三维激光扫描技术作为一种新兴的测量技术，是一种先进的、自动化的、非接触式、高精度三维激光技术，是继GPS之后测量技术的又一次革新。由于地面沉降引起的地裂缝是一种日趋普遍且显著的地质问题，对矿区地表作物及生态产生重大影响。利用三维激光扫描仪并结合数字图像技术提取塌陷裂缝是对三维激光技术应用的又一次扩展。论文对三维激光扫描仪进行了详细的介绍说明并通过对矿区实地数据的处理和分析，探索三维激光扫描仪在地表变形监测领域的应用理论和方法。 关键词：三维激光扫描技术，点云数据处理，数字滤波，裂缝信息提取 Using three-dimensional laser scanner to extract Surface crack ZHANG Fei-Yue (xi’an university of science and technology) Abstract：As a new measurement technique,three-dimensional laser scanning technology is an advanced, automated, non-contact, high-precision three-dimensional laser technology, following another GPS measurement technology innovations. Due to cracks caused by ground subsidence is a common and increasingly significant geological problems, there has a significant impact on the mine surface crops and https://www.wendangku.net/doc/a317578097.html,ing three-dimensional laser scanner and digital image technology to extract collapse crack is another expansion of three-dimensional laser technology .This paper has been illustrated and described in detail by mine field data processing and analysis for three-dimensional laser scanner,to explore the three-dimensional laser scanner application theory and methods in the field of surface deformation monitoring. Key words: Three-dimensional laser scanning technology，Point cloud data processing，Digital Filter，Cracks information extraction 0 引言 三维激光扫描系统是一种集高新科技于一身的空间数据获取系统。利用地面三维激光扫描技术，可以进行复杂地形地貌的地区或是管线设施密集的工厂进行扫描作业，并可以直接实现各种大型的、复杂的、不规则、标准或非标准的实体或实景三维数据完整的采集，进而快速重构出实体目标的三维模型及线、面、体、空间等各种制图数据。同时，还可对采集的三维激光点云数据进行各种后处理分析，如测绘、分析、模拟、展示、监测、虚拟现实等操作。 在矿山开采沉陷研究中，传统地表沉陷观测方法在地表变形盆地主断面上步设一定密度的监测点获取地表变形数据。监测点数量有限，并且在较长的观测周期中出现因监测点难以保护而造成点位丢失的现象，给之后的数据处理工作带来
数字相位差测量仪的设计
目录 1.设计任务书。 2.设计方案概述。 3.V/f变换测量相位差角的工作原理。 4.电路的组成及参数选择。 4.1整形电路及信号C的形成。 4.2滤波电路的参任务计划书。 4.3V/f变换电路的设计。 4.4 89C52内部资源的利用。 5.应用实例。 6.结论。 7.总结。 一、设计任务书 （一）任务 设计仿真一数字相位计 （二）主要技术指标与要求： （1）输入信号频率为0HZ～250HZ可调 （2）输入信号的幅度为0.5V （3）采用数码管显示结果，相位精确到0.1° （4）采用外部5V直流电源供电 （三）对课程设计的成果的要求（包括图表） 设计电路，安装调试或仿真，分析实验结果，并写出设计说明书。要求图纸布局合理，符合工程要求，所有的器件的选择要有计算依据。 二、设计方案概述 根椐设计任务书的要求，我们参考了一些相关资料书，经过小组的讨论分析，提出了一种用v/f变换测量交流电的相位差的新方法：首先产生出其幅度正比与相位差大小的直流电，再有v/f变换器转换成反映相位差大小的频率信号，在单片机的配合下，最终得到相位差。这种方法具有分辨率高，适应与大范围的各种输入频率等优点。 正弦交流电电信号相位差的测量可以用多种方法实现。比较直接的数字式测量方法是在已知信号周期的前提下用定时的方法测得相位差角对应的时间，然后根据已知的周期将其换算成相位差角度。但
是，这种方法的测量精度依赖于定时器的精度和分辨率。在信号频率较高或频率虽不高但相位差较小时，都可以出现较大的误差。另外，由于直接测量得到的是时间，相位差角要由这一中间结果与信号的周期运算后才能得到，所以周期的测量不可缺少，其测量的精度也将影响相位差的精度。 在此用一种新的思路进行相位差的测量，用v/f变换器把相位差转换成一个其频率与之成正比的脉冲列，通过计算在一定时间内的脉冲个数测量相位差角。这种测量方法与信号的周期无关，可以得到较高的精度。题达到了0.1的测量精度，与此同时工业运行控制中现场操作，修改和设置等问题也得到了很好的解决，以上这些都在工业运行中得到了厂方的认可。存在的问题主要是本仪器通用性很不强，很难在更大的范围应用和推广，只能运用与某些特定的企业。今后的工作主要硬件和软件的改进上，列入增加一些通用行很强的功能模块。 3.V/f变换测量相位差角的工作原理 首先将输入的两个同频率但存在着相位差的信号进行整形，使之变成方波。如图1示A和B 再对A,B进行异或处理, 异或输出信号C 的脉冲宽度则反映相位差角.C 的脉宽T1对应的电角度是相位差角,C 的周期T2 是信号周期T 的1/2.如果信号角频率为w 则T1= /w. C为幅值为U 的方波其平均值Ud=UT1/T2=U 由此可见,C 的平均值( 亦即直流分量)仅与相位差角和脉冲幅 度有关与信号周期无关
三维激光扫描仪的原理与其应用
三维激光扫描仪 2.1三维激光扫描仪研究背景 自上个世纪60年代激光技术已经开始出现，激光技术以其单一性和高聚积度在20世纪获得巨大发展。实现了从一维到二维直至今天广泛应用的三维测量的发展，实现了无合作目标的快速高精度测量。而且数字地球，数字城市等一系列概念的提出，我们可以看到：信息表达从二维到三维方向的转化，从静态到动态的过渡将是推动我国信息化建设和社会经资源环境可持续发展的重要武器。目前，各种各样的三维数据获取工具和手段不断地涌现，推动着三维空间数据获取向着实时化、集成化、数字化、动态化和智能化的方向不断地发展，三维建模和曲面重构的应用也越来越广泛[1]。传统的测绘技术主要是单点精确测量，难以满足建模中所需要的精度、数量以及速度的要求。而三维激光扫描技术采用的是现代高精度传感技术，它可以采用无接触方式，能够深入到复杂的现场环境及空间中进行扫描操作。可以直接获取各种实体或实景的三维数据，得到被测物体表面的采样点集合“点云”，具有快速、简便、准确的特点。基于点云模型的数据和距离影像数据可以快速重构出目标的三维模型，并能获得三维空间的线、面、体等各种实验数据，如测绘、计量、分析、仿真、模拟、展示、监测、虚拟现实等。 其中，地面三维激光扫描技术的研究，已经成为测绘领域中的一个新的研究热点。它采用非接触式高速激光测量的方式，能够获取复杂物体的几何图形数据和影像数据，最终由后处理数据的软件对采集的点云数据和影像数据进行处理，并转换成绝对坐标系中的空间位置坐标或模型，能以多种不同的格式输出，满足空间信息数据库的数据源和不同项目的需要。目前这项技术已经广泛应用到文物的保护、建筑物的变形监测、三维数字地球和城市的场景重建、堆积物的测定等多个方面。 2.2 三维激光扫描技术研究现状 2.2.1 主要的三维激光扫描仪介绍 随着三维激光扫描技术研究领域的不断扩大，生产扫描仪的商家也越来越多。主要的有瑞士Leica公司，美国的FARO公司和3D DIGITAL公司、奥地利的RIGEL公司、加拿大的OpTech公司、法国MENSI公司、中国的北京荣创兴业科技发展公司等。这些扫描仪在扫描距离、扫描精度、点间距和数量、光斑点的大小等指标有所不同[2]。主要的分类见图1-1和表1-1。
高精度相位测量仪的介绍及测量
高精度相位测量仪的介绍及测量 相位介绍 相位是与电路结构有关的参数。 相位是反映交流电任何时刻的状态的物理量。交流电的大小和方向是随时间变化的。比如正弦交流电流，它的公式是i=Isin2πft。i是交流电流的瞬时值，I是交流电流的最大值，f是交流电的频率，t是时间。随着时间的推移，交流电流可以从零变到最大值，从最大值变到零，又从零变到负的最大值，从负的最大值变到零。 相位(phase)是对于一个波，特定的时刻在它循环中的位置：一种它是否在波峰、波谷或它们之间的某点的标度。是描述讯号波形变化的度量，通常以度（角度）作为单位，也称作相角。当讯号波形以周期的方式变化，波形循环一周即为360° 。常应用在科学领域，如数学、物理学等 相位调整 相位调整是指在有些超低音音箱上加装的一个控制机构。用于对超低音音箱所重放出的声音稍许加以延迟，从而让超低音音箱的输出能够和前置主音箱同相位，即具有相同的时间关系。 相位噪声 相位噪声是频率域的概念，是对信号时序变化的另一种测量方式，其结果在频率域内显示。 如果没有相位噪声，那么振荡器的整个功率都应集中在频率f=fo处。但相位噪声的出现将振荡器的一部分功率扩展到相邻的频率中去，产生了边带(sideband)。从图2中可以看出，在离中心频率一定合理距离的偏移频率处，边带功率滚降到1/fm，fm是该频率偏离中心频率的差值。 相位噪声通常定义为在某一给定偏移频率处的dBc/Hz值，其中，dBc是以dB为单位的该频率处功率与总功率的比值。一个振荡器在某一偏移频率处的相位噪声定义为在该频率处1Hz带宽内的信号功率与信号的总功率比值。 相位差 两个频率相同的交流电相位的差叫做相位差，或者叫做相差。这两个频率相同的交流电，可以是两个交流电流，可以是两个交流电压，可以是两个交流电动势，也可以是这三种量中的任何两个。
快速掌握三维扫描仪的操作方法
快速掌握三维扫描仪的操作方法 随着国内三维扫描仪技术的成熟及在各行各业的普及，三维扫描技术已成为生产制造中的一项重要技术支撑，起着不可或缺的作用，并逐渐形成一门新的科学。如何正确高效的操作三维扫描仪成为了众多企业关心的问题。使用同样一款三维扫描仪扫描同一物体时，不同的操作人员得到的数据结果度会有一定的差异，其原因便在于扫描人员在操作过程中所掌握的操作技巧。掌握三维扫描仪操作原理比较容易，但如果想成为“扫描专家”还需要一定的学习与反复操作。 三维光学扫描仪：主要包括三维激光扫描仪和拍照式三维扫描仪。本案例以精易迅的拍照式三维扫描仪为例，简单叙述如何快速掌握三维光学扫描仪的操作方法：第一，前期的准备工作（主要分三步） 步骤1：确保稳定的三维扫描环境 进行三维扫描首先须确保三维扫描仪是建立在一个稳定的环境中（包括光环境：避免强光和逆光对射；三维扫描仪的稳固性等），要最大限度地减少环境破坏，确保三维扫描结果不会受到外部因素的影响。 步骤2：三维扫描仪校准（需要学习） 在三维扫描前，对机器进行校准尤为关键的一步。三维扫描仪要知道自身在什么环境下进行扫描，才能扫描出准确的三维数据。在校准过程中，要根据三维扫描仪预先设置的扫描模式，计算出扫描设备相对于对扫描对象的位置。 校准扫描仪时，应根据扫描对象调整设备系统设置的三维扫描环境。正确的相机设置会影响扫描数据的准确性，因此必须确保曝光设置是正确的。严格按照制造商的说明进行校准工作，仔细校正不准确的三维数据。校准后，可通过用三维扫描仪扫描已知三维数据的测量物体来检查比对，如果发现扫描仪扫描的精度无法实现时，需要重新校准扫描仪。 步骤3 ：对扫描物体表面进行处理 有些物体表面扫描是比较困难的。这些物体包括半透明材料（玻璃制品、玉石），有光泽，或颜色较暗的物体。对于这些物体需要使用哑光白色显像剂覆盖被扫描物体表面，对扫描物体喷上薄薄的一层显像剂，目的是是为了更好的扫描出物体的三维特征，数据会更精确。需要注意的是，显像剂喷洒过多，会造成物体厚度叠加，对扫描精度造成影响。注：显像剂不会对物体表面及人体造成损害，扫描完成后用清水洗掉即可。 第二，开始扫描工作 准备工作完成后便可以对物体进行扫描了。用三维扫描仪对扫描物体从不同的角度进行三维数据捕捉，更改物体摆放方式或调整三维扫描仪相机方向，对物体进行全方位的扫描。 第三，后期处理工作（主要分两步，比较简单） 步骤1：点云处理 目前市面上流行的三维扫描仪均为点云自动拼接方式，无需后期手动拼接，即对物体表面扫描完成后，系统会自动生成物体的三维点云图形。但需要操作人员对扫描得到的点云数据去除噪点（即多余的点云）以及对其进行平滑处理。 步骤2：数据转换 点云处理完后，要对数据进行转换，目前都是系统软件自动将点云数据直接转换成STL 文件的。生成的STL数据可以与市面上通用的3D软件对接。
三维扫描仪简介
三维扫描仪简介 随着信息和通信技术的发展，人们在生活和工作中接触到越来越多的图形图像。获取图像的方法包括使用各种摄像机、照相机、扫描仪等，利用这些手段通常只能得到物体的平面图像，即物体的二维信息。在许多领域，如机器视觉、面形检测、实物仿形、自动加工、产品质量控制、生物医学等，物体的三维信息是必不可少的。因此，如何如何迅速获取物体的三维信息并将其转化为计算机（如利用CAD 软件）能直接处理的三维数字模型就显得尤为重要。三维扫描仪正是实现这样的三维信息数字化的一种极为有效的工具。 三维立体扫描就是测量实物表面的三维坐标点集，得到的大量坐标点的集合称为点云（Point Cloud)。在中国南方，三维扫描俗称抄数，大家都管它叫抄数机。目前常用的三维扫描仪根据传感方式的不同，分为接触式和非接触式两种。 接触式测量仪采用探测头直接接触物体表面，通过探测头反馈回来的光电信号转换为数字面形信息，从而实现对物体面形的扫描和测量，主要以三坐标测量机为代表。 接触式测量具有较高的准确性和可靠性；配合测量软件，可快速准确地测量出物体的基本几何形状，如面，圆，圆柱，圆锥，圆球等。但其最大的缺点是：测量费用较高；探头易磨损。测量速度慢；检测一些内部元件有先天的限制，故欲求得物体真实外形则需要对探头半径进行补偿，因此可能会导致修正误差的问题；接触探头在测量时，接触探头的力将使探头尖端部分与被测件之间发生局部变形而影响测量值的实际读数；由于探头触发机构的惯性及时间延迟而使探头产生超越现象，趋近速度会产生动态误差。 随着计算机机器视觉这一新兴学科的兴起和发展，用非接触的光电方法对曲面的三维形貌进行快速测量已成为大趋势。这种非接触式测量不仅避免了接触测量中需要对测头半径加以补偿所带来的麻烦，而且可以实现对各类表面进行高速三维扫描。 目前，非接触式三维扫描仪很多，根据传感方法不同，常用的有基于激光扫描测量、结构光扫描测量和工业CT与核磁共振的。其中以综合性能较高结构光面扫描三维测量最为常用，也是目前市场上的主流产品。 采用非接触式三维扫描仪因其接触性，对物体表面不会有损伤，同时相比接触式的具有速度快，容易操作等特征，三维激光扫描仪可以达到5000－10000点/秒的速度，而光栅面扫描三维扫描仪则采用面结构光，一次可投影上百条条纹，速度更是达到几秒钟百万个测量点，应用于实时扫描，工业检测等时具有很大的优势。
数字相位测量仪
电子设计竞赛报告 电子设计竞赛报告 题目: 数字相位测量仪设计报告 院系名称：电气工程学院专业班级：电气F1104班学生姓名：陈x超学号： 指导教师：教师职称：副教授 评语及成绩： 指导教师： 日期：
摘要 本设计提出了一种基于c8051f020单片机开发的低频数字相位测量仪的方案。主要包括相位测量模块、单片机最小系统、显示模块的设计。可以对低频率范围的信号进行相位等参数的精确测量，测相绝对误差不大于1°。相位测量模块采用对输入的两路信号（同频率、不同相位）通过比较器整形、鉴相器异或之后得到的相位差，输入到单片机的中断口进行数据采集处理；采用数码管显示被测信号的相位差。硬件结构简单，软件采用汇编语言实现，程序简单可读写性强、效率高。与传统的电路系统相比，其有处理速度快、稳定性高、性价比高的优点。 关键词相位差单片机比较器整形数码管
目录
1.方案设计 1.1设计方案论证 从功能角度来看，相位测量仪要完成信号相位差的测量。相位测量仪有两路输入信号，也是被测信号，他们是两个同频率的正弦信号，频率范围为20Hz~20KHz （正好是音频范围），幅度为U PP =1~5V ，但两者幅度不一定相等。 相位和相位差的概念[4]： 令正弦信号为： ()()0sin ?ω+=t A t A m （2.1） 2.1式中Am 称为幅值（最大值），且A A m 2=，A 称为有效值；()0 ?ωθ+=t t 称为相位，0?称为初相位，ω称为角频率。Am 、ω、0?称为正弦量的三要素。 只有两个同频率的（正弦）信号才有相位差的概念。不妨令两个同频率的正 弦信号为： ()()()() 02220111sin sin ?ω?ω+=+=t A t A t A t A m m （2.2） 则相位差： ()()02010201???ω?ωθ-=+-+=t t （2.3） 由2.3式中可看出，相位差在数值上等于初相位之差，θ是一个角度 不妨令θωθT =，其中θT 是相位差θ对应的时间差，且令T 为信号周期，则有比例关系： θθ:360:T T = （2.4） 可以推导得到： ()360/?=T T θθ （2.5） 式子2.5中可以说明，相位差θ与θT 一一对应，可以通过测量时间差θT 及信号周期T ，计算得到相位差θ，这就是相位差的基本测量原理。 由于相位差的基本测量原理可知，相位差的测量本质上是时间差θT 及信号周期T 的测量，也就是时间的测量，而时间的测量不可避免地要用到电子计数器。 时间的测量有多种方法，而设计题目关于相位测量仪的技术指标要求会影响到我们对方案的选择，MCU 应用系统一般能较好的实现各种不同的测量及控制功能，往往还能满足一些设计要求比较高的技术指标，因此，我们在进行电子系统设计时，可用MCU 实现系统功能，完成系统指标。
三维扫描仪使用说明
三维扫描仪操作指导书 工程训练中心
工程综合训练部 前言 近年来，随着制造技术的飞速发展，一种新的制造概念改变了以前传统制造业的工艺过程。这种新的制造思路是：首先对现有的产品模型进行实测，获得物体的三维轮廓数据信息，再进行数据重构，建立其CAD数据模型。设计人员可在CAD模型上再进行改进和创新设计，最后获得的数据可直接输入到快速成型系统或者形成加工代码输入到数控加工中心，生成新的产品或其模具，最后通过实验验证，产品定型后再投入批量生产。这一过程就被称为反求工程，它使产品的设计开发的周期大为缩短，其整个过程可用下图描述。
反求工程系统可分为三部分：即数据的获取与处理系统；数据文件自动生成系统；自动加工成型系统。其中物体三维轮廓数据的准确获取是整个反求工程的关键所在。 我们将要介绍的三维扫描仪就是用于物体三维轮廓数据的获取，它具有精度高，速度快，对工件无磨损，无接触变形，易装夹，易操作等优点，可广泛应用于汽车、电子通讯、玩具、制造行业。
第一章系统简介 X H A3D三维扫描系统特点 XHA3D三维扫描系统采用世界领先的光栅式照相技术，在短时间内获取物体表面三维数据，广泛应用于模具设计、逆向工程、质量检测和控制、医学测量等领域， 产品主要具有以下特点： 扫描速度与精度的完美结合 单面扫描时间少于10 秒；采用全自动拼接技术，拼接精度可达0.04mm/m。 非接触式扫描 采用非接触光栅式照相扫描技术，避免了因扫描头磨损而影响精度，具有很高的稳定性。适用于橡胶类、皮革类等表面易变形物体扫描。 操作简便 操作界面简洁明了，初学者易上手，短时间内可熟练操作。 采用安全的结构光光源 ZRET 系列三维扫描仪采用安全的结构光光源，对人体无伤害，对环境要求不敏感，不需要在暗室中操作。 全自动拼接 运用标志点拼接技术，扫描过程中不用人为干预，对大型物体多次拍摄，对复杂物体多角度扫描，可得到完整、精确的三维点云数据。 精细拼接 采用独特的ICP(Iterative Closest Point)技术，将扫描所得数据的公共部分中所
电子测量与仪器 第六章 时域测量
第六章时域测量（示波器） 6．1 通用示波器由哪些主要电路单元组成?它们各起什么作用？它们之间有什么联系？6．2 通用示波器垂直偏转通道包括哪些主要电路？它们的主要作用是什么？它们的主要工作特性是什么？ 6．3 简述通用示波器扫描发生器环的各个组成部分及其作用？ 6．4 在示波器的水平和垂直偏转板上都加正弦信号所显示的图形叫李沙育图形。如果都加上同频、同相、等幅的正弦信号，请逐点画出屏幕上应显示图形；如果两个相位差为90°的正弦波，用同样方法画出显示的图形。 6．5 现用示波器观测一正弦信号。假设扫描周期（T x）为信号周期的两倍、扫描电压的幅度V x＝V m时为屏幕X方向满偏转值。当扫描电压的波形如图6.42的a、b、c、d所示时，试画出屏幕上相应的显示图形。 解： a b c d
Vx 6．6 试比较触发扫描和连续扫描的特点。 6．7 一示波器的荧光屏的水平长度为10cm ，现要求在上面最多显示10MHz 正弦信号两个周期（幅度适当），问该示波器的扫描速度应该为多少？ 解：正弦信号频率为10MHz ，T ＝s f T 76101101011-?=?== ，要在屏幕上显示两个周期，则显示的时间为s 71022T t -?==，扫描速度为 s cm /10501021067?=?- 6．8 示波器观测周期为 8ms ，宽度为 1ms ，上升时间为 0.5ms 的矩形正脉冲。试问用示波器分别测量该脉冲的周期、脉宽和上升时间，时基开关（ t/cm ）应在什么位置（示波器时间因数为 0.05μs ～0.5s ，按 1－2－5 顺序控制）。 解： 在示波器屏幕上尽量显示一个完整周期，而水平方向为10cm ，所以 测量周期时，8ms/10cm ＝0.8ms/cm ，时基开关应在1ms 位置， 测量脉宽时，1ms/10cm ＝0.1ms/sm ，时基开关应在100μs 位置， 测量上升时间时，0.5ms/10cm ＝50μs/cm 时基开关应在50μs 位置 6．9 什么是非实时取样？取样示波器由哪些部分组成？各组成部分有何作用？说明取样示波器观察重复周期信号的过程。 解：由r t BW /35.0=，可知MHz BW 7)1050/(35.09 =?=-，选择示波器时，信号上升时间应大于3~5 t R （示波器上升时间），或者带宽大于3～5f M ，这样只有（2）和（4）满足，而（4）的上升时间最小，观察效果最好，但价格贵。 6．10欲观察上升时间t R 为50ns 的脉冲波形，现有下列四种技术指标的示波器，试问选择哪一种示波器最好？为什么？
三维激光扫描系统
三维激光扫描系统 1.概述 三维光纤激光切割机是由专用光纤激光切割头、高精度电容式跟踪系统、光纤激光器以及工业机器人系统组成，对不同厚度的金属板材进行多角度、多方位柔性切割的先进设备。三维机器人激光切割机设备广泛应用于金属加工、机械制造及汽车零部件制造等对3D工件有加工需求的生产中。 2.三维光纤激光切割机器人 (1)三维激光切割原理激光通过激光器产生后，由反射镜传递并通过聚集镜照射到加工物品上，使加工物品(表面)受到强大的热能而温度急剧增加，使该点因高温而迅速的熔化或者汽化，配合激光头的运行轨迹从而达到加工目的。 (2)光纤的选择根据金属板材的厚度不同，选用不同的光纤激光器功率，三维切割光纤激光器的功率一般分200W、300W、400W、500W与1000W等多种规格;对不同功率的激光器配备不同的冷却系统，以保障激光器的正常工作。同时要根据机械臂的工作半径和加工工件的大小选定合适长度的操作光纤传输激光，以满足客户切割要求。 (3)辅助气体的要求三维光纤激光切割机采用的辅助气体是99.99%的氧气，这样对切割的精度、速度和切割的断面效果有很大的帮助。 耗电耗材： 系统耗电：<8KW(根据选配激光器功率大小而异) 零星耗材：<0.5元/小时(包括高功率激光器水冷系统的滤芯、切割头气嘴和切割头保护镜片) 吹气费用：<6元/小时(以用纯氧辅助切割2MM内碳钢为例) 性能指标: 激光功率:200W/300W/400W/500W/1000(根据工件材质和料厚可选) 激光波长:1070NM 工作区域:半径2米的半球形工作区域(选配半径2米的机械手) 切割速度:0-15米/分钟(根据功率大小和工件材质与厚度可调) 供电电源:三相交流380V 用电功率: <8KW(根据选配激光器功率大小而定) 冷却方式:风冷/水冷(根据选配激光器功率大小而定) 切割头焦距：5-7英寸(根据工件厚度可选)