2025年非接觸測(cè)量復(fù)習(xí)題及答案一、選擇題（每題2分，共20分）1.以下哪種技術(shù)不屬于非接觸測(cè)量范疇？A.激光三角測(cè)距法B.接觸式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)C.結(jié)構(gòu)光三維掃描D.紅外熱像儀測(cè)溫答案：B2.激光三角法測(cè)量位移時(shí)，若激光入射角度為θ，接收透鏡焦距為f，光斑在CCD上的位移為Δx，則被測(cè)物體位移Δz的計(jì)算公式為？A.Δz=Δx·f/tanθB.Δz=Δx·tanθ/fC.Δz=Δx/(f·tanθ)D.Δz=f·tanθ/Δx答案：A3.結(jié)構(gòu)光測(cè)量中，“格雷碼+相移法”組合的主要目的是？A.提高測(cè)量速度B.解決相位解包裹的歧義問題C.增強(qiáng)抗環(huán)境光干擾能力D.降低系統(tǒng)成本答案：B4.TOF（TimeofFlight）測(cè)距的核心是測(cè)量？A.光強(qiáng)衰減量B.光的飛行時(shí)間C.反射光的相位差D.散射光的波長(zhǎng)偏移答案：B5.視覺測(cè)量中，“張正友標(biāo)定法”主要用于求解？A.相機(jī)內(nèi)參和外參B.被測(cè)物體的顏色特征C.圖像噪聲的分布規(guī)律D.光源的光譜特性答案：A6.紅外熱像儀測(cè)量溫度時(shí)，關(guān)鍵需要已知被測(cè)物體的？A.反射率B.透射率C.發(fā)射率D.吸收率答案：C7.超聲波非接觸測(cè)量在空氣中應(yīng)用時(shí)，主要限制因素是？A.空氣分子對(duì)超聲波的散射B.超聲波在空氣中的衰減隨頻率升高而加劇C.被測(cè)物體表面的顏色D.環(huán)境溫度對(duì)聲速的影響答案：D（注：溫度直接影響聲速v=331+0.6T，導(dǎo)致測(cè)距誤差；B為次要因素）8.光譜共焦測(cè)量技術(shù)的核心原理是？A.利用不同波長(zhǎng)光的聚焦位置差異實(shí)現(xiàn)深度測(cè)量B.通過共焦小孔濾除離焦光提高分辨率C.結(jié)合光譜分析與共焦成像D.以上均是答案：D9.激光多普勒測(cè)速（LDV）適用于測(cè)量？A.透明液體的流速B.固體表面的微小振動(dòng)C.高溫物體的表面溫度D.粗糙表面的三維形貌答案：B（注：LDV通過測(cè)量散射光與參考光的頻移差計(jì)算速度，常用于振動(dòng)或流體測(cè)速）10.電容式非接觸測(cè)量的主要適用場(chǎng)景是？A.金屬導(dǎo)體表面的微小位移測(cè)量B.非金屬材料的厚度測(cè)量C.高溫環(huán)境下的溫度監(jiān)測(cè)D.透明介質(zhì)的折射率測(cè)量答案：A（注：電容式依賴被測(cè)物與傳感器極板間的電容變化，金屬導(dǎo)體可形成有效電容）二、簡(jiǎn)答題（每題6分，共30分）1.簡(jiǎn)述激光三角法與TOF測(cè)距技術(shù)的主要差異。答：激光三角法基于幾何三角原理，通過測(cè)量激光在接收器件（如CCD）上的光斑位移計(jì)算被測(cè)物距離，適用于中短量程（通常0.1mm~1m），精度可達(dá)微米級(jí)，但量程受光學(xué)系統(tǒng)限制；TOF通過測(cè)量光脈沖的發(fā)射與接收時(shí)間差計(jì)算距離（d=ct/2），適用于長(zhǎng)量程（可達(dá)數(shù)百米），但精度受時(shí)間測(cè)量分辨率限制（如時(shí)間分辨率1ns對(duì)應(yīng)精度約15cm）。此外，激光三角法對(duì)被測(cè)表面反射率敏感，TOF更依賴光強(qiáng)探測(cè)能力。2.結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量的關(guān)鍵步驟包括哪些？答：關(guān)鍵步驟為：（1）結(jié)構(gòu)光圖案投影（如正弦條紋、格雷碼）；（2）采集被測(cè)物體表面調(diào)制后的變形條紋圖像；（3）圖像預(yù)處理（去噪、增強(qiáng)對(duì)比度）；（4）相位計(jì)算（通過相移法提取相位信息）；（5）相位解包裹（解決2π周期歧義，獲取絕對(duì)相位）；（6）基于系統(tǒng)標(biāo)定參數(shù)（相機(jī)與投影儀的相對(duì)位姿）將相位轉(zhuǎn)換為三維坐標(biāo)。3.視覺測(cè)量中，相機(jī)標(biāo)定為何是必要步驟？需標(biāo)定哪些參數(shù)？答：相機(jī)標(biāo)定是為了建立圖像像素坐標(biāo)與實(shí)際三維空間坐標(biāo)的映射關(guān)系，消除鏡頭畸變（如徑向畸變、切向畸變）對(duì)測(cè)量精度的影響。需標(biāo)定的參數(shù)包括：（1）內(nèi)參：焦距、主點(diǎn)坐標(biāo)、畸變系數(shù)；（2）外參：相機(jī)在世界坐標(biāo)系中的位置（平移向量）和旋轉(zhuǎn)矩陣。4.紅外熱像儀測(cè)溫時(shí)，環(huán)境反射和透射干擾應(yīng)如何補(bǔ)償？答：補(bǔ)償方法包括：（1）測(cè)量環(huán)境溫度Te，計(jì)算被測(cè)物體表面接收的環(huán)境反射輻射：L_reflect=(1-ε)·L(Te)，其中ε為發(fā)射率；（2）若存在透射介質(zhì)（如玻璃），需測(cè)量介質(zhì)的透射率τ，并修正被測(cè)物體的輻射亮度：L_object=τ·[L_measured(1-ε)·L(Te)]/ε；（3）對(duì)于復(fù)雜環(huán)境，可采用雙波段測(cè)溫法，通過兩個(gè)波長(zhǎng)的輻射亮度比值消除部分干擾。5.超聲波非接觸測(cè)量在工業(yè)場(chǎng)景中應(yīng)用較少的主要原因是什么？答：主要原因包括：（1）空氣對(duì)超聲波的衰減隨頻率升高而顯著增加（如1MHz超聲波在空氣中衰減約1dB/m），導(dǎo)致有效量程短（通常<10m）；（2）聲速受溫度、濕度、氣壓影響大（溫度每變化1℃，聲速變化約0.6m/s），需實(shí)時(shí)溫度補(bǔ)償；（3）被測(cè)物體表面粗糙度過大或傾斜角度超過臨界角（約60°）時(shí)，反射波無(wú)法被接收器捕獲，導(dǎo)致測(cè)量失效；（4）高頻超聲波（>20kHz）易受環(huán)境噪聲（如機(jī)械振動(dòng)、氣流）干擾。三、計(jì)算題（每題8分，共24分）1.某激光三角測(cè)距系統(tǒng)中，激光入射方向與接收光軸夾角θ=30°，接收透鏡焦距f=50mm，CCD像元尺寸為5μm。當(dāng)被測(cè)物體位移Δz=0.1mm時(shí)，求光斑在CCD上的位移Δx（忽略像差）。解：根據(jù)激光三角法公式Δz=Δx·f/tanθ，變形得Δx=Δz·tanθ/f。代入數(shù)據(jù)：tan30°≈0.577，Δz=0.1mm=100μm，f=50mm=50000μm。Δx=100μm×0.577/50000μm≈0.001154mm=1.154μm。2.采用四步相移法（相移量分別為0、π/2、π、3π/2）測(cè)量結(jié)構(gòu)光條紋，采集到四幅圖像的灰度值分別為I1=120、I2=80、I3=40、I4=80（歸一化后）。計(jì)算該點(diǎn)的相位值φ。解：四步相移法相位計(jì)算公式為φ=arctan[(I4-I2)/(I1-I3)]。代入數(shù)據(jù)：I4-I2=80-80=0，I1-I3=120-40=80。則φ=arctan(0/80)=0（或π，需結(jié)合解包裹判斷）。3.某TOF激光雷達(dá)的時(shí)間測(cè)量分辨率為50ps（皮秒），光速c=3×10^8m/s，求其理論距離測(cè)量精度。解：距離精度Δd=c·Δt/2。Δt=50ps=50×10^-12s，Δd=3×10^8×50×10^-12/2=7.5×10^-3m=7.5mm。四、綜合分析題（每題13分，共26分）1.手機(jī)屏幕玻璃表面缺陷檢測(cè)需測(cè)量0.1μm級(jí)別的劃痕和0.5μm的厚度偏差，可選技術(shù)有激光共聚焦顯微鏡（LCM）和線結(jié)構(gòu)光掃描。請(qǐng)分析兩種技術(shù)的適用性，并推薦最優(yōu)方案。答：（1）激光共聚焦顯微鏡：利用共焦小孔濾除離焦光，橫向分辨率可達(dá)0.2μm（可見光波段），軸向分辨率可達(dá)0.5μm（通過精密Z軸掃描），適用于微納尺度的表面形貌測(cè)量。其缺點(diǎn)是掃描速度較慢（逐點(diǎn)掃描），但可滿足手機(jī)屏幕小范圍（如10mm×10mm）檢測(cè)需求。（2）線結(jié)構(gòu)光掃描：通過投影線激光并采集變形條紋，單次掃描可獲取一條輪廓線，速度較快（可達(dá)kHz級(jí)），但受結(jié)構(gòu)光波長(zhǎng)（通常650nm）和相機(jī)分辨率限制，軸向精度一般為1~5μm，難以滿足0.1μm級(jí)劃痕檢測(cè)。因此，推薦激光共聚焦顯微鏡，其高精度特性更匹配0.1μm級(jí)缺陷檢測(cè)需求，雖速度較慢但可通過優(yōu)化掃描路徑（如區(qū)域掃描）彌補(bǔ)。2.航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片在高溫（800℃）、高振動(dòng)（100Hz~1kHz）環(huán)境下運(yùn)行，需定期檢測(cè)葉尖間隙（目標(biāo)精度±0.1mm）和表面裂紋（寬度≥0.2mm）。請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)非接觸測(cè)量方案，說(shuō)明所選技術(shù)及原因。答：方案需結(jié)合多技術(shù)融合：（1）葉尖間隙測(cè)量：采用激光三角法或電渦流非接觸測(cè)量。激光三角法在高溫環(huán)境下需考慮熱膨脹對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的影響（可通過恒溫外殼或溫度補(bǔ)償算法解決），其精度可達(dá)±0.05mm，滿足需求；電渦流傳感器對(duì)金屬表面敏感，不受高溫影響（可耐受1000℃），但需葉片為導(dǎo)電材料（符合航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片材質(zhì)），精度約±0.1mm，可作為備選。（2）表面裂紋檢測(cè)：采用紅外熱成像或線激光