CN110455220A - 一种蝶式定日镜曲面度的测量装置及其测量方法 - Google Patents

一种蝶式定日镜曲面度的测量装置及其测量方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110455220A
CN110455220A CN201910711039.7A CN201910711039A CN110455220A CN 110455220 A CN110455220 A CN 110455220A CN 201910711039 A CN201910711039 A CN 201910711039A CN 110455220 A CN110455220 A CN 110455220A
Authority
CN
China
Prior art keywords
projector
phase
curved surface
heliostat
butterfly
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201910711039.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110455220B (zh
Inventor
杨延西
张申华
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Xian University of Technology
Original Assignee
Xian University of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Xian University of Technology filed Critical Xian University of Technology
Priority to CN201910711039.7A priority Critical patent/CN110455220B/zh
Publication of CN110455220A publication Critical patent/CN110455220A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110455220B publication Critical patent/CN110455220B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S80/00—Details, accessories or component parts of solar heat collectors not provided for in groups F24S10/00-F24S70/00
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S23/00—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors
    • F24S23/70—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors with reflectors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/002—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring two or more coordinates
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/25—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures by projecting a pattern, e.g. one or more lines, moiré fringes on the object
    • G01B11/254—Projection of a pattern, viewing through a pattern, e.g. moiré
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/40—Solar thermal energy, e.g. solar towers
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P80/00—Climate change mitigation technologies for sector-wide applications
    • Y02P80/20—Climate change mitigation technologies for sector-wide applications using renewable energy

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

一种蝶式定日镜曲面度的测量装置，包括投影仪、工业相机、固定装置、幕布和步进电机组成；装置的投影仪可以调整投射角度，相机可以调整采集角度；测量步骤为：调整好投影仪、相机的合适位置后，投影仪向蝶式定日镜镜镜面依次投射8幅正弦条纹图像及8幅移相的正弦条纹图像，用三频四步相移法计算出移相前后条纹的相位，再计算出均值相位，标定后即可计算出镜面曲面度；具有更高的测量效率和测量精度。

Description

一种蝶式定日镜曲面度的测量装置及其测量方法
技术领域
本发明属于光学测量技术领域，具体涉及一种蝶式定日镜曲面度的测量装置及其测量方法。
背景技术
太阳能属于清洁、可再生能源，蝶式定日镜是太阳能发电系统中的重要聚光装置，其镜面将接收到的太阳光反射聚焦到吸热器上，将太阳能传递至工作介质。定日镜的镜面由多个子镜组装而成，每个子镜面的曲面度直接决定着聚光倍率，影响着光能转换为热能的效率。为了保证定日镜的高效运行，必须对其子镜面的曲面度进行精确测量。
目前，激光束偏折法是一种常用的检测方法，由激光束发射激光，扫描定日镜镜面，得到镜面数据。这种方法测量效率较低，扫描耗费大量时间，且激光器一般造价昂贵。
采用基于结构光的条纹反射法，也是近年来一种常用的定日镜面检测方法，这种方法具有非接触、高效、精度高的特点。其测量过程是，由计算机生成的正弦条纹图像序列，由投影仪投射至幕布上，由定日镜表面反射后，被工业CCD相机捕获，对捕获的条纹图像作相位计算后，就可以高精度重建曲面的三维轮廓，进而计算出曲面度。条纹反射法测量较激光束偏折法效率高，测量系统简单，测量精度高，但是也存在如下问题：
1)由于投影仪自身的光学特性，其投射出的条纹已非标准的正弦条纹，也就是条纹的亮度值发生了畸变，这增大了后续的相位计算误差，导致曲面计算精度的下降；
2)采用三频四步相移法计算条纹相位时，为了对条纹的非正弦性进行校正，一般在投射12幅的条纹图像基础上，必须再投射12幅辅助条纹，这样就需要投射24幅条纹，测量过程中数据计算量增大，降低了测量效率。
3)蝶式定日镜面由若干子镜面组成，对每一个子镜面进行检测时，需要调整投影仪和相机的角度或位置。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种蝶式定日镜曲面度的测量装置及其测量方法，该装置和方法在投射8幅正弦条纹的基础上，再投射8幅移相的辅助正弦条纹，来降低条纹的相位误差，并能控制投影仪和相机的工作角度。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种蝶式定日镜曲面度测量装置，包括有固定装置2，固定装置2上端水平短杆体的外端设有投影仪1，固定装置2下端的水平长杆体的外端上侧设有工业CCD相机3；在固定装置2的工业CCD相机3的一侧设有幕布5；投影仪1通过步进电机一6与水平短杆体的外端相连；工业CCD相机3通过步进电机二7与水平长杆体的外端相连。
所述的投影仪和相机的倾角角度可以调整。
所述的固定装置2为一倒U形架体，倒U形架体的底部杆体竖直设立。
所述的投影仪1采用高速投影仪。
所述的投影仪2、工业CCD相机3和被测镜面4均分布在幕布5的同一侧。
所述的投影仪1对准幕布的投影角度在360度范围内调整。
工业相机以一定的角度对准定日镜的镜面。
利用一种蝶式定日镜曲面度测量装置的测量方法，包括以下步骤：
步骤一，操作步进电机一6，控制投影仪1对准幕布5，其对准幕布5的投影角度在360度范围内调整；
步骤二，由计算机生成一套条纹图像，共有8幅条纹图像，记为原条纹图，条纹图像的归一化亮度为：
其中x表示条纹图像的行号或列号，i表示条纹图像的编号，fi表示第i幅图像的条纹数，其取值依次为73,73,73,73,64,64,56,56，表示第i幅条纹图像的相移量，其取值依次为0,π,0,0,
在计算机中，对8幅条纹图像移相生成8幅辅助正弦条纹；
将8幅条纹图像与8幅辅助正弦条纹依次投射到幕布5上；
步骤三，幕布5上的条纹经被测镜面4反射至调整好捕获角度的工业相机3；
步骤四，工业CCD相机3将采集到的16幅条纹图案存储至计算机中，用三频四步相移法分别计算出原8幅条纹图像的相位和8幅辅助条纹图像的相位
步骤五，求出8幅原条纹图和8幅辅助条纹图的相位均值
步骤六，分别完成投影仪1和工业CCD相机3的标定；
步骤七，根据标定的参数，计算出被测镜面的三维坐标；
步骤八，由三维坐标数据拟合镜面曲面，计算出曲面度。
所述的16幅正弦条纹，其中后8幅辅助条纹图分别是前8幅条纹图的移相。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)投影仪和相机工作角度由步进电机控制，可以方便的调整最佳投射角度和采集角度；
2)采用两套条纹计算相位，原条纹和移相条纹的相位误差幅度近似相等，变化趋势相反，将它们的相位求平均值，能够有效降低投影条纹非正弦性导致的相位误差；
3)采用两套共16幅投影条纹，减少了投射条纹图案的数量，提高了测量效率，降低数据计算成本；
4)本发明采用的相位计算方法，能够将相位误差降低95％以上。
本发明采用步进电机控制投影仪和相机，在尽可能少的增加投影条纹数量基础上，降低相位误差，提高对镜面面型测量的精度和效率。
附图说明
图1为蝶式定日镜曲面度检测装置各单元组成示意图；
图2为蝶式定日镜曲面度检测装置投影检测定日镜面示意图；
图3为采集的一幅原条纹；
图4为采集的一幅辅助条纹；
图5为相位误差补偿图；
图1中，1表示数字投影仪，2表示投影仪和相机固定装置，3表示工业CCD相机，4表示蝶式定日镜子镜面，5表示幕布，6和7表示步进电机；
图5中，实线表示原条纹计算的相位，虚线表示辅助条纹的相位，点划线表示求均值相位,图像的横轴表示像素位置，纵轴表示相位。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明进行的实施方式。
实施例1
如图1所示，一种蝶式定日镜曲面度测量装置，包括有固定装置2，其特征在于，固定装置2上端水平短杆体的外端设有投影仪1，固定装置2下端的水平长杆体的外端上侧设有工业CCD相机3；在固定装置2的工业CCD相机3的一侧设有幕布5；投影仪1通过步进电机一6与水平短杆体的外端相连；工业CCD相机3通过步进电机二7与水平长杆体的外端相连。被测镜面4置于投影仪1、工业CCD相机3之间。
所述的投影仪和相机的倾角角度可以调整。所述的固定装置2为一倒U形架体，倒U形架体的底部杆体竖直设立。所述的投影仪1采用高速投影仪。所述的投影仪1、工业CCD相机3和被测镜面4均分布在幕布5的同一侧。所述的投影仪1以一定的角度对准幕布，其投影角度可以在360度范围内调整。工业相机以一定的角度对准定日镜的被测镜面4。
实施例2
一种蝶式定日镜曲面度检测装置的测量方法，其测量过程主要包括如下步骤：
步骤一：操作步进电机6，控制投影仪1以合适角度对准幕布5；
步骤二：由计算机生成1套正弦条纹，共有8幅条纹图像，条纹的归一化亮度为：
其中fi的取值依次为[73,73,73,73,64,64,56,56]，的取值依次为
进一步的，在计算机中，对8幅条纹相图像移相生成8幅辅助正弦条纹；
进一步的，将上述8幅条纹图像与8幅辅助正弦条纹依次投射到幕布5上；
步骤三，幕布5上的条纹经被测镜面反射至调整好捕获角度的工业相机3，如图3、图4所示，分别表示其中的一幅原条纹图像和一幅辅助条纹图像；
步骤四，工业相机3将采集到的16幅条纹图案存储至计算机中，用三频四步相移法分别计算出原8幅条纹图像的相位如图5中的实线所示，以及8幅辅助条纹图像的相位如图5中的虚线所示；
步骤五，求出原条纹和辅助条纹的相位均值均值相位如图5中的点划线所示；
步骤六，分别完成投影仪1和相机3的标定；
步骤七，根据现有标定方法，求出相机与投影仪内、外的参量，计算出被测镜面4的三维世界坐标，获取点云数据；
步骤八，由三维点云数据，利用现有数据拟合算法拟合出镜面曲面，再利用三角网格模型计算出曲面度。
实施例3
步骤一，操作步进电机，控制高速投影仪以合适角度对准幕布；
步骤二，向幕布投射1套正弦条纹图案和1套移相的辅助正弦条纹图案；
进一步的，1套正弦条纹的图像数目是8；
进一步的，前4幅投射条纹的条纹数是73，第5、6幅的条纹数是64，第7、8幅的条纹数是56；
进一步的，8幅条纹图像的相移分别是0、π、0、0、
进一步的，将8幅投射条纹均移相形成1套辅助正弦条纹；
步骤三，投射至幕布上的条纹，被镜面反射，并由工业相机捕获；
进一步的，相机采集角度由步进电机控制；
步骤四，根据三频四步相移法，计算出捕获原条纹图案的相位其中表示理想相位，表示相位误差，c为常数；
进一步的，由三频四步相移法，计算出捕获的移相条纹图案相位，其可近似表示为
步骤五，求出原条纹和移相条纹的相位均值
步骤六，完成投影仪和相机的标定；
步骤七：根据标定的参数，计算出镜面的三维坐标；
步骤八，由三维坐标数据拟合镜面曲面，计算出曲面度。

Claims (6)

1.一种蝶式定日镜曲面度测量装置，包括有固定装置(2)，其特征在于，固定装置(2)上端水平短杆体的外端设有投影仪(1)，固定装置(2)下端的水平长杆体的外端上侧设有工业CCD相机(3)；在固定装置(2)的工业CCD相机(3)的一侧设有幕布(5)；投影仪(1)通过步进电机一(6)与水平短杆体的外端相连；工业CCD相机(3)通过步进电机二(7)与水平长杆体的外端相连。
2.根据权利要求1所述的一种蝶式定日镜曲面度测量装置，其特征在于，所述的投影仪和相机的倾角角度可以调整。
3.根据权利要求1所述的一种蝶式定日镜曲面度测量装置，其特征在于，所述的固定装置(2)为一倒U形架体，倒U形架体的底部杆体竖直设立。
4.根据权利要求1所述的一种蝶式定日镜曲面度测量装置，其特征在于，所述的投影仪(2)、工业CCD相机(3)和被测镜面(4)均分布在幕布(5)的同一侧。
5.利用一种蝶式定日镜曲面度测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，操作步进电机一(6)，控制投影仪(1)对准幕布(5)，其对准幕布(5)的投影角度在360度范围内调整；
步骤二，由计算机生成一套条纹图像，共有8幅条纹图像，条纹图像的归一化亮度为：
其中x表示条纹图像的行号或列号，i表示条纹图像的编号，fi表示第i幅图像的条纹数，其取值依次为73,73,73,73,64,64,56,56，表示第i幅条纹图像的相移量，其取值依次为
在计算机中，对8幅条纹图像移相生成8幅辅助正弦条纹；
将上述8幅条纹图像与8幅辅助正弦条纹依次投射到幕布(5)上；
步骤三，幕布(5)上的条纹经被测镜面(4)反射至调整好捕获角度的工业相机(3)；
步骤四，工业CCD相机(3)将采集到的16幅条纹图案存储至计算机中，用三频四步相移法分别计算出原8幅条纹图像的相位和8幅辅助条纹图像的相位
步骤五，求出8幅条纹图像和8幅辅助条纹的相位均值
步骤六，分别完成投影仪(1)和工业CCD相机(3)的标定；
步骤七，根据标定的参数，计算出被测镜面的三维坐标；
步骤八，由三维坐标数据拟合镜面曲面，计算出曲面度。
6.根据权利要求5所述的利用一种蝶式定日镜曲面度测量装置的测量方法，其特征在于，所述的16幅正弦条纹，其中后8幅辅助条纹图像是前8幅条纹图像的移相。
CN201910711039.7A 2019-08-02 2019-08-02 一种蝶式定日镜曲面度的测量装置及其测量方法 Active CN110455220B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910711039.7A CN110455220B (zh) 2019-08-02 2019-08-02 一种蝶式定日镜曲面度的测量装置及其测量方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910711039.7A CN110455220B (zh) 2019-08-02 2019-08-02 一种蝶式定日镜曲面度的测量装置及其测量方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110455220A true CN110455220A (zh) 2019-11-15
CN110455220B CN110455220B (zh) 2021-07-06

Family

ID=68484640

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910711039.7A Active CN110455220B (zh) 2019-08-02 2019-08-02 一种蝶式定日镜曲面度的测量装置及其测量方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110455220B (zh)

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101881605A (zh) * 2010-06-02 2010-11-10 南京航空航天大学 基于相位编码技术的光学三维测量方法
CN203231736U (zh) * 2013-04-18 2013-10-09 中国科学院沈阳自动化研究所 一种基于双目视觉的镜面物体测量装置
US20140293081A1 (en) * 2013-04-01 2014-10-02 Hon Hai Precision Industry Co., Ltd. Computing device and method of image matching
CN104330052A (zh) * 2014-11-21 2015-02-04 天津工业大学 外差式三频不等步相移解相位方法
CN105091750A (zh) * 2015-07-30 2015-11-25 河北工业大学 一种基于双四步相移的投影仪标定方法
CN108362226A (zh) * 2018-03-02 2018-08-03 西北工业大学 提高图像过曝区域相位测量精度的双四步相移法
CN108562245A (zh) * 2018-03-28 2018-09-21 西安理工大学 一种定日镜三维测量方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101881605A (zh) * 2010-06-02 2010-11-10 南京航空航天大学 基于相位编码技术的光学三维测量方法
US20140293081A1 (en) * 2013-04-01 2014-10-02 Hon Hai Precision Industry Co., Ltd. Computing device and method of image matching
CN203231736U (zh) * 2013-04-18 2013-10-09 中国科学院沈阳自动化研究所 一种基于双目视觉的镜面物体测量装置
CN104330052A (zh) * 2014-11-21 2015-02-04 天津工业大学 外差式三频不等步相移解相位方法
CN105091750A (zh) * 2015-07-30 2015-11-25 河北工业大学 一种基于双四步相移的投影仪标定方法
CN108362226A (zh) * 2018-03-02 2018-08-03 西北工业大学 提高图像过曝区域相位测量精度的双四步相移法
CN108562245A (zh) * 2018-03-28 2018-09-21 西安理工大学 一种定日镜三维测量方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ZHANGSHENHUA: "Rapid Blind Denoising Method for Grating Fringe Images Based on Noise Level Estimation", 《IEEE SENSORS JOURNAL》 *
张申华: "一种针对投影仪gamma效应的相位误差补偿方法", 《仪器仪表学报》 *
林俊义: "分区域 Gamma 预编码校正的相位误差补偿", 《光电工程》 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN110455220B (zh) 2021-07-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107121109B (zh) 一种基于前镀膜平面镜的结构光参数标定装置及方法
AU2018268608B2 (en) Heliostat surface shape detection system and method based on multi-view image recognition
Zhao et al. Performance analysis and evaluation of direct phase measuring deflectometry
JP4238891B2 (ja) 三次元形状測定システム、三次元形状測定方法
EP1596158B1 (en) Three-dimensional shape input device
CN108759669B (zh) 一种室内自定位三维扫描方法及系统
CN103091992B (zh) 一种工件位置校正装置及其校正方法
CN106767527A (zh) 一种三维轮廓的光学混合检测方法
CN110296667A (zh) 基于线结构光多角度投影的高反射表面三维测量方法
CN110864650A (zh) 基于条纹投影的平面度测量方法
CN103267495B (zh) 塔式太阳能热发电用单元镜面形检测方法
CN103217126B (zh) 一种太阳能槽式聚光器面形检测系统及方法
CN108627121B (zh) 一种镜面面形检测装置及其检测方法
CN107917679A (zh) 一种基于面结构光三维测量中高亮、过暗区域动态检测、补偿的方法
CN105180841A (zh) 一种新型微型元件三维测量系统及其测量方法
CN110702009A (zh) 一种基于逆向Hartmann计算机辅助法的三维测量系统
CN113091646B (zh) 基于条纹标定的三维形貌测量方法
TWI388797B (zh) Three - dimensional model reconstruction method and its system
CN110519480A (zh) 一种基于激光标定的曲面展平方法
CN110455220A (zh) 一种蝶式定日镜曲面度的测量装置及其测量方法
CN206905715U (zh) 一种可应用于3d曲面玻璃面形检测的测量装置
CN107339933B (zh) 一种槽式太阳能聚光反射镜的安装检测方法
CN106918313B (zh) 一种碟式Stirling太阳能聚光镜面质量检测方法
Guillot et al. ARGOS: Solar furnaces flat heliostats tracking error estimation with a direct camera-based vision system
CN106706271B (zh) 一种光学系统的自动检测检测与性能分析优化设备及方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant