测控技术与仪器专业光学检测工程实训的探索研究

陈庆光 徐英 肖帜 祝磊 薛凌云

摘要：光学检测项目采用光学效应作为信息获取的方法，涉及信息传感、数据处理、运动控制、计算机技术等内容，具备完整功能的光学检测实验系统的开发综合了理论知识和工程实践，很好地满足了测控技术与仪器专业工程实训环节对学生工程能力的培养要求。以激光衍射细丝直径测量以及线激光扫描三维成像为例说明了光学检测类工程实训内容选题原则和实施过程。以实战型项目为对象、学生为实施主导、现场答辩和学术论文总结的教学模式培养了学生将理论知识转换为创新性实践的能力。

关键词：工程实训;光学检测;综合性实践项目;创新性实践能力

中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2019）20-0021-03

工程实训是培养学生实践能力和创新能力的重要环节[1]，通过工程实训可将前期课程教学的理论知识进行应用并内化为解决问题的创新能力，可培养学生实践准备的感性意识和知识迁移、实践创新的理性意识相协同的综合能力。测控技术与仪器专业作为仪器科学与技术学科唯一的本科专业，自身结构已发展成为集传感技术、计算机技术、电子技术、现代光学、精密机械等多种高新技术于一身的系统，要求学生掌握检测技术、传感器技术、计算机测量控制技术和信息处理技术[2-3]。如何设计紧跟目前科技发展趋势，并符合本专业培养目标的实训项目是需解决的重要问题。

一、光学检测类工程实训项目的优势

光学类课程是测控技术与仪器专业教学中的重要内容[4]，但由于光学知识理论性强，光学现象抽象难理解，光学教学实验侧重现象的观察，造成学生对光学技术在工业生产中的应用价值认识不深刻，为此需提高学生对光学技术工业实践的认知。光学的成像、衍射、干涉、偏振等效应作为有效的信息传感方法可用于高精度的尺寸测量、非接触式的三维成像[5]、微观的结构信息提取等领域，结合机器视觉技术可视化光学效应，并利用运动控制和计算机编程进行数据的采集和处理的实验内容，涵盖了数据采集、信号传输、信号处理以及控制为一体的测控过程，属于典型的仪器仪表领域的应用案例，非常适合测控技术与仪器专业工程实训的实践内容，是培养具备理论素养以及实践创新能力的复合型人才的重要途径。

二、实训内容的选择

光学类课程知识点繁多，基础知识介绍完后的各类光学效应，如光的成像、干涉、衍射、偏振等内容相对独立，彼此不受影响，因此可将其中的某种物理效应作为信息传感的方法应用于工业实践，可选择学生感兴趣、易理解、易实施、具有代表性、符合测控技术与仪器培养目标的综合性项目作为实践内容。表1列出了光学检测类工程实训题目。

表1所列实训题目基本利用广泛应用于机器视觉行业的工业相机作为传感信号的接收装置，并结合图像处理技术进行数据处理与分析，属于实验室常规设备，方便实现和直观观察。以下以激光衍射细丝直径测量和线激光扫描法三维成像为例说明光学检测类工程实训题目的构建原则。尺寸测量是日常生活经常进行的项目，但高精度测量则是工业生产中需解决的问题，如漆包线、光纤等外径尺寸均需达到微米量级的测量精度。传统的接触式测量方法无法满足要求，在激光衍射测量教学环节，我们知道激光衍射的细丝直径测量分辨力为：

其中Xk为第k级暗条纹距离中央极大值点的距离，b为待测细丝的直径，f为透镜的焦距，λ为激光的波长。当b为0.1mm规格，L为300mm，λ为632.8nm时，计算第4级的测量分辨力β为76，即相当于1μm的外径变化将导致76μm的衍射暗纹移动，放大了76倍。可见通过激光衍射放大效应大大提高了待测物体的尺寸测量精度，可轻松实现0.1mm—0.5mm外径规格的高精度测量，通过此实践内容，实例化学生对光学在尺寸测量领域应用的认识，是光学理论和工程实践相结合的代表性案例。随着3D打印、3D电影等技术的出现，学生普遍对三维领域相关的内容感兴趣，总体而言，三维领域包括获取3D数据的三维成像技术以及在已有3D数据基础上的三维显示技术。三维成像技术在表面缺陷检测、逆向工程、虚拟现实、人机交互等领域得到广泛应用，基于光学三角法的线激光扫描法三维成像技术将线激光投影至待测物体表面，工业相机采集物体表面轮廓对线激光的调制变形图像，待测物体与线激光做相对运动，进而扫描整个表面，最终利用几何关系重构出每一个像素点所对应的高度点云信息。此技术属于学生感兴趣方向，有助于激发学生的求知探索欲，提高实践动力。

三、实验装置的设计

实验装置的设计是理论知识映射为实际应用的具体创新性实践，需要以整体目标为导向，从系统角度构建实施方案，并根据参数指标要求以及实际情况反推细化各元器件的型号。结合激光衍射细丝外径测量而言，根据激光衍射理论可知，基尔霍夫衍射属于远场衍射，接收屏与衍射物之间距离为无穷远，考虑到实际工业应用装置的大小限制，可利用傅里叶变换透镜放置于衍射物后方，将接收屏放置于透镜的焦距处接收衍射光斑。如图1所示。传统的激光衍射实验利用白板作为接收屏肉眼观察，无法精确反演待测物外径，随着传感技术的发展，二维图像传感器CMOS可作为像素量级的二维尺子用于尺寸测量。将单个像素尺寸为5.2μm，分辨率为1280*1024的CMOS相机放置于接收屏位置接收衍射光斑，并以图像形式传输至上位机进行数据处理与分析。当傅氏透镜焦距为300mm，0.1mm规格待测物外徑时，根据衍射理论，极小值点间的间距为1.8mm。对于1/2英寸CMOS靶面而言，可显示3—4个衍射圆斑。采用目前市场上较成熟的商业化产品作为探测器，有利于工程转化的可行性和操作性。在实践过程中上位机所观察的衍射光斑的强度分布受激光器功率、相机的灵敏度、曝光时间、增益等参数的影响，需根据图像调节内部参数，寻找最佳组合。在既定参数依然曝光过量的前提下，需考虑放置能量衰减片。以此最终确定装置的结构构成及各部件的型号。可见，实验装置的构建是整体到细化，根据指标要求以及探索实践逐步确定的过程，也即构思—设计—实施—失败—再思考—更改设计—实施，体现了国际工程教育的CDIO教育模式，学生在项目实践过程中消化理论、应用知识并解决问题。由于利用工业相机采集衍射光斑图案，学生在实践过程中易可视化观察待测物外径尺寸以及倾斜角度等因素对衍射光斑的影响，上位机以图像的形式显示，结合图像处理技术容易上手，利用信号处理方法获得衍射方向上的极小值点位置，并以像素为单位计算长度进而反推出待测物直径。本项目实施过程中涉及衍射原理、光学装置搭建、信号处理、图像处理、软件编程、误差分析等教学内容，属于光机电算一体化的综合性实践内容。

线激光扫描法三维成像在掌握光学三角法的基础上，容易构建实验方案。此方法装置简单，但三维重构需要掌握充分的理论知识，即空间坐标到图像坐标之间的转换关系，以及成像系统的标定，标定过程可利用目前已经成熟的模块化软件实现。待测物与线激光器的相对运动可采用国内雷赛公司主流的运动控制方案，采用PCI运动控制卡DMC1380实现上位机编程控制，57电机57HS22步距角为1.8°，M542步进电机驱动器的细分设定为5倍，丝杆导程为10mm，则直线的步进距离分辨率为10μm。上位机上运动控制卡和工业相机协同编程，实现步进距离和图像采集的同步。本实验将运动控制与图像采集协同集成，涵盖运动控制、相机开发、光学成像、数据处理、误差分析、数学建模等多个教学内容，是另一典型的综合性实践内容。

四、实施方案及考核方法

从以上两例光学测量实训项目可看出他们均是具备独立功能的完整系统，难易适中，有丰富资料可供参考，在学生团队的能力范围之内。实施过程可分为项目准备、项目实施、项目考核三个阶段。具体如图3所示。工程实训采用实战型教学模式，完全模拟真实的工程应用，遵循以学生为主导的原则，教师起到引导和咨询顾问的作用，增强学生的自主探索能力和对项目的整体掌控能力，并培养团队合作意识和项目协调能力。

为构建自主探索型的实践考核要求，考核成绩主要由项目成果评定和总结报告两部分构成，其中成果评定占65%，总结报告占35%。项目成果需能够实现某一功能的实物化装置，学生答辩放置于实验室，在答辩过程中实时对照实验装置进行参数验证，教师现场提问，并从检测指标、装置可靠性、软件运行稳定性等角度进行分数评定。独创性的现场答辩方式真实考验学生对实践项目的掌握程度。

另外，工科类学生普通侧重技术导向而忽视问题导向。为提高学生对问题的综合概况能力，工程实训总结报告部分要求学生以学术论文的形式撰写，在参考至少10篇学术论文基础上，从国内外研究现状、实验原理、实验装置、数据处理与分析、讨论、参考文献等方面进行全面而清晰的阐述，并按照定义好的格式规范提交3000—5000字的论文。论文写作是一个分析、总结、提炼、去粗取精、去伪存真的过程，通过这一过程培养学生的科研探索精神和工作总结能力。

五、小结

结合机器视觉技术的光学检测类项目由于具有综合性、完整性、实验结果直观可视化等特点非常适合测控技术与仪器专业工程实训题目，贴近工业实际应用的备选题目激发了学生实践的动力，学生为主导的实施方式提高了对知识生产的认识，实战型项目的开发锻炼了解决问题的实践创新能力，现场答辩及学术论文的考核方式保证了工程实训环节的效果。

参考文献：

[1]陈剑松，邱川弘.校内实训基地必须凸显“职业”核心要素[J].实验技术与管理，2015，（5）：245-249.

[2]宋愛国，吴涓，崔建伟.测控技术与仪器专业学生工程意识培养与创新教育的探索[J].中国大学教学，2012，（1）：41：43.

[3]杨森林，李院院，张变莲，等.测控技术与仪器专业应用型人才培养新模式探索[J].科技信息，2013，（17）：43-43.

[4]周木春，赵琦，陈延如.工程光学教学改革探索与实践[J].中国现代教育装备，2013，（19）：59-60.

[5]吴平辉，付恋恋，蒋记望.物理光学实验仿真平台的开发[J].实验室研究与探索，2012，31（5）：31-33.