CCD影像测量仪的测量误差分析

一、引言
在现代工业生产中，传统检测方法的诸多缺点，如效率低、精度差、成本高以及灵活性不足等，已难以满足日益增长的质量控制和生产效率需求。因此，开发一种具备高效率、高精度、低成本且灵活方便特点的视觉检测系统成为了行业的迫切期待。影像测量仪作为近年来基于计算机视觉检测技术发展起来的新型精密测量仪器，应运而生并在众多工业领域得到了广泛应用。

二、影像测量仪的应用与优势
影像测量仪广泛应用于机械制造、电子、汽车和航天航空等工业领域。它不仅可以用于零部件的尺寸、形状及其相互位置的在线检测，还在划线、定中心孔、光刻集成线路对准等方面发挥着重要作用。其通用性强、测量范围大、精度高、性能好、实时性强，并且能够与柔性制造系统相连接，这些优势使得它在工业生产中的用处相当广泛。

三、影像测量仪的组成及工作原理
（一）组成部分
一个典型的图像测量系统主要由光源、机台、CCD摄像机、图像采集卡、运动控制系统、PC 机6个部分组成。

1. 光源：为测量提供合适的光照条件，确保被测对象的图像清晰可见。
2. 机台：承载待测工件，为测量提供稳定的工作平台。
3. CCD摄像机：将被测对象的光信号转变为电信号，是获取图像信息的关键部件。
4. 图像采集卡：负责将CCD摄像机采集到的电信号转化为数字图像，以便计算机进行处理。
5. 运动控制系统：通过运动控制卡来精确控制 X、Y、Z 三轴的运动，使待测工件达到合适位置，并确保其图像能清晰地呈现在CCD中。
6. PC机：作为整个系统的核心处理单元，承担着图像处理、空间几何运算、运动控制以及对光栅数据的采集与运算等任务，最终通过测量软件完成测量工作，得到所需参数。

（二）测量过程
首先，将待测工件放置于工作台上。然后，启动运动控制程序，通过运动控制系统使 X、Y、Z 三轴运动到合适位置，让待测工件的图像清晰地呈现到CCD 中。CCD将获得的光信号转变为电信号，再通过图像采集卡将被测物体的图像采集到PC机里。接下来，在PC机中通过图像处理技术进行边缘提取等操作，结合空间几何运算、运动控制以及对光栅数据的采集与运算，获得被测物体的几何尺寸和对要检测物理量的检测。最后，通过测量软件完成测量工作，得到所期望的参数。

四、影像测量仪的测量误差分析
影像测量仪的测量误差是指其本身所固有的误差，主要包括原理误差、制造误差和运行误差，这些误差在仪器的设计、制造和使用的各个阶段都可能产生。

（一）原理误差

1. CCD摄像头畸变产生的误差

• 摄像机的制造和工艺等原因，入射光线在通过各个透镜时会产生折射误差和CD点阵位置误差等，导致光学系统存在非线性的几何失真。目标像点与理论像点之间存在多种类型的几何畸变，如径向畸变、偏心畸变、薄棱镜畸变等，其中径向畸变较大，切向畸变和薄棱镜畸变较小，且图像中心区域畸变很小，边缘畸变大。虽然使用高质量镜头可以减少畸变误差的影响，但在精密测量中仍需考虑畸变对测量结果的影响并进行修正。

1. 测量方法不同而产生的误差

• 不同图像处理技术带来的识别、量化误差是主要原因。图像的边缘是图像处理的重要对象，边缘提取有很多不同方法，选用不同方法会对同一个被测件的边缘位置产生较大变化，进而影响测量结果。例如，在测量某一圆形工件的半径和圆心时，圆的轮廓变化会导致半径值和圆心位置相应改变。因此，图像处理算法对仪器的测量精度有着至关重要的影响，是影像测量的关键关注点。

（二）制造误差

1. 导向机构产生的误差

• 对于影像测量仪来说，导向机构产生的误差主要是机构误差中的直线运动定位误差。影像测量仪是正交坐标系测量仪器，有 X、Y、Z 三根相互垂直的轴线和三个沿轴线运动的部件，使 CCD 相对于被测工件作三维直线运动。选用高质量的运动导向机构可以降低此类误差。

1. 安装误差

• 主要在于摄像机与工作台面之间的相对关系。当测量平台与 CCD 摄像机的镜头呈现出一定角度 H 时，会产生误差，根据几何学知识，误差计算式为 D = L(1 – cosH)。若影像测量仪的测量平台水平性能以及 CCD 摄像机的安装良好，它们之间的夹角在一定范围内，此误差较小。

（三）运行误差

1. 测量环境和条件变化引起的误差

• 包括温度变化、电压波动、照明条件变化、机构磨损等。温度变化会使影像测量仪的零部件尺寸、形状、相互位置关系以及一些重要特性参数发生改变，进而影响仪器精度，还可能引起电器参数和仪器特性改变，导致温度灵敏度漂移和温度零点漂移。电压及照明条件变化会影响上下光源灯的亮度，造成系统光照不均，在采集图像边缘留下阴影，产生图像边缘提取误差。磨损会使影像测量仪的零件产生尺寸、形状、位置误差，增加配合间隙，降低仪器工作精度的稳定性。通过改善测量运行条件可以有效减少此类误差的影响。

1. 动态误差

• 在测量过程中，由于仪器的运动状态等因素可能产生动态误差，这也会对测量结果的准确性产生一定影响，需要在设计和使用过程中加以考虑和控制。

影像测量仪作为一种先进的精密测量仪器，虽然存在各种误差因素，但通过对其组成、工作原理和误差分析的深入研究，我们可以采取相应的措施来提高其测量精度和可靠性，使其更好地服务于现代工业生产中的质量检测和控制需求。