（光学专业论文）基于三角测量法的激光位移传感器的研制.pdf

y5 8 6 4 7 2 摘要 基于三角测量法的激光位移传感器的研制 摘要 基于三角测量法的激光位移传感器由于其结构简单、体积小、重量轻、非 接触测量、 速度快而备受关注， 在机器视觉、自 动加工、工业在线检测、 产品 质量控制、 实物仿形、 生物医学等领域具有重要价值和广阔的应用前景。 但是， 目 前国内还是没有成熟的激光非接触位移测量产品面世，国外同类产品的价格 非常昂 贵，因此研制高 性能低成本的激光位移测量仪器是一项有应用价值的工 作。 作者主要从光路、电路、软件、机械几个方面系对激光三角位移传感器进 行了系统的分析与优化设计。包括: 1 . 按光线入射到被测面的方式将激光三角位移传感器分为直射式和斜射 式， 分别介绍了 它们的工作原理，并对两类传感器的特性进行了比较。详细分 析了双光路三角测量系统， 并与单光路进行比较。 提出 使用双胶合透镜，既可 弥补单透镜的不足，又可起到透镜组的作用。 2 . 在电路方面，分析较常用的位置敏感器件和电荷祸合器件两种光电探 测器的特点， 提出利用a / d转换器， 对能量的最高点取样， 可以提高测量精度 及系统稳定性。 3 . 在软件方面，编写程序，实现了光路几何参数的自 动设计;对现有的 标定、测试程序进行改进，提出 标定后对数据先拟和，再用来测试的思想。 4 . 在机械设计方面， 提出便于加工、安装和调试的设计思想，提出了体 积要求较小时的紧凑光路测量系统。 作者在完成激光三角位移传感器的研制后， 对样机进行了系列特性实 验， 并分析实验数据。最后， 对激光三角位移传感器在一些项目中的使用情况 进行 了介绍。 关键词:三角法，非接触钡 1 量， 激光位移传感器 未经作者、 导师同息 d e v e l o p me n t o f l a s e r d i s p l a c e m e n t s e n s o r b a s e d o n t r i a n g u l a t i o n abs t r a c t l a s e r d i s p l a c e m e n t s e n s o r b a s e d o n t r i a n g u l a t i o n h as g o tt e n m o r e a n d mo r e a tt e n t i o n re c e n t l y b o t h i n c h i n a a n d a b r o a d , b e c a u s e i t h a s t h e a d v a n t a g e s o f b e i n g s i m p l e s t r u c t u re , s m a l l v o l u m e , l i g h t w e i g h t , n o n - c o n t a c t m e a s u r e m e n t a n d h i g h m e as u r e m e n t s p e e d . l a s e r d i s p l a c e m e n t s e n s o r b a s e d o n t r i a n g u l a t i o n i s o f g re a t v a l u e a n d e n j o y s b r o a d a p p l i c a t i o n p r o s p e c t s i n m a c h i n e v i s i o n , a u t o - m a c h i n i n g , i n d u s t ry o n l i n e m e a s u r e m e n t , p r o d u c t q u a l i t y c o n t r o l , p r a c t i c a l i t y p r o f i l e m o d e l i n g , b i o m e d i c i n e e t c . . . h o w e v e r , c u r r e n t l y t h e r e i s s t i l l n o t h i s k i n d o f l a s e r p r o d u c t f o r m e a s u r e m e n t i n c h i n a . b e s i d e s , t h e p r i c e o f t h e s a m e k i n d o f p r o d u c t a b r o a d i s v e ry e x p e n s i v e . t h e r e f o r e , t h e w o r k t o d e s i g n t h e l as e r d i s p l a c e m e n t m e a s u r e a p p a r a t u s w i t h s t r o n g e r c a p a b i l i ty a n d l o w e r p r i c e i s v a l u a b l e t h e d e s i g n f o r t h e s e n s o r i no p t i c a l s y s t e m , c i r c u i t s y s t e m , s o ft w a r e m e c h a n i s m s y s t e m a r e d i s c u s s e d i n d e t a i l . t h e f o l l o w i n g p a p e r : a re me n t i o n e d i n a n d t h i s 1 . b ase d o n t h e i n c i d e n c e w a y o f t h e l i g h t , s e n s o r c a n m a i n l y b e d i v i d e d i n t o m e asu r e m e n t p r i n c ip l e s o f t h e s e t w o t w o l a s e r t r i a n g u l a t i o n d i s p l a c e m e n t t y p e s , n o r ma l a n d o b l i q u e . t h e t y p e s a r e d i s c u s s e d re s p e c t i v e l y a n d t h e c h a r a c t e r i s t i c s b e t w e e n t h e m a r e c o m p a r e da s w e l l . t h e s y s t e m o f d o u b l e b e a m p a t h l as e r t r i a n g u l a t i o n d i s p l a c e m e n t s e n s o r i s a n a l y z e d i n d e t a i l , a n d a c o m p a r i s o n w i t h s i n g l e b e a m p a t h i s m a d e . a m e t h o d o f u s i n g a c e m e n t e d d o u b l e l e n s , w h i c h c a n n o t o n l y m a k e u p t h e s h o r t a g e o f s i n g l e l e n s , b u t c a n a l s o b e u s e d f o r s e t o f l e n s , i s p r o p o s e d . 2 . i n t h e as p e c t o f e le c tri c c ir c u it s y s te m , p s d ( p o s it i o n s e n s i t iv e d e t e c t o r ) a n d c c d ( c h a r g e c o u p le d d e v ic e ) a r e a n a ly z e d a n d t h e c h a r a c t e ri s t ic s b e t w e e n th e m a r e c o m p a r e d . a m e th o d o f u s in g a i d c o n v e rt e r , w h ic h c a n g a m m e h i g h e s t e n e r g y t o i m p r o v e p re c i s i o n a n d t o s t a b i l i z e s y s t e m , i s p r o p o s e d . 3 . i n t h e as p e c t o f s o ft w a r e d e s i g n , a s of t wa re t h a t i s c o m p i l e d s i m p r o v e d . g e o m e t r i c a l p a r a m e t e r s o f t h e l as e r s e n s o r c a n a u t o - d e s i g n a t t h e s a me t i me , t h e t h e e x i s t ing p r o g r a m o f c a l i b r a t i o n a n d t e s t ia m e t h o d o f u s i n g f i tt in g f o r c a l ib r a t i n g d a t a i s p r o p o s e d . 4 . i n t h e a s p e c t o f m e c h a n i c a l d e s i g n , a a n d a li g n m e n t , i s p r o p o s e d , a n d t h e i n t rod u c e d . m e t h o d f o r e a s y m a c h i n i n g , m o u n t i n g s m a l l e r v o l u m e m e a s u r i n g s y s t e m i s a ft e r t h e d e v e l o p m e n t o f t h e l a s e r t ri a n g u l a t i o n d i s p l a c e m e n t s e n s o r , a s e r i e s o f c h a r a c t e r i s t i c s t e s t s f o r s a m p l e - l a s e r a re g i v e n , a n d t h e t e s t i n g d a t a a re a n a l y z e d . s o m e a p p l i c a t i o n e x a m p l e s i n s o m e a r t i c l e s a r e in t r o d u c e d a t t h e e n d o f t h i s p a p e r . k e y w o r d s : t r i a n g u l a t i o n , n o n - c o n t a c t m e a s u r e m e n t , l a s e r d i s p l a c e m e n t s e n s o r 第一章绪论 基于三角侧量法的激光位移传感器的研制 第一章绪论 1 . 1 传感器概述11 ,2 1 传感器是感知、获取与检测信息的窗口，一切科学实验和生产过程，特别 是在自 动检测和自 动控制系统要获取的信息， 都要通过传感器转换为容易传输 与处理的电 信号。 随着人们对信息资源的需要日 益增长、 科学技术的飞速发展， 如今传感器技术也已 进入一个飞速发展的阶段。 互 1 . 1 . 1传感器的定义 国家标准 g b 7 6 6 5 - 8 7对传感器下的定义是: “ 能感受规定的被测量并按照 一定的规律转换成可用信号的器件或装置， 通常由敏感元件和转换元件组成、 传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息， 按一定规律变换成为电 信号或其他所需形式的 信息输出，以满足信息的 传输、 处理、存储、显示、记录和控制等要求。 它是实现自 动检测和自 动控制的首要 环节。 1 . 1 . 2传感器的 分类11 ,2 1 目 前对传感器尚 无一个统一的分类方法， 但比 较常用的有如下三种: 1 、按传感器的 物理量分类， 可分为 位移、力、 速度、 温度、流量、 气体 成份等传感器; 2 、按传感器工作原理分类，可分为电 阻、电 容、电感、电 压、桩尔、光 电、光栅、热电偶等传感器; 3 、 按传感器输出 信号的性质分类， 可分为: 输出为开关t (1 ” 和 0 ” 或“ 开” 和“ 关” ) 的开关型传感器: 输出为模拟型传感器; 输出为脉冲或代码 的数字型传感器。 1 . 1 . 3传感器的 性能指标 输入一输出 特性是传感器的墓本特性， 是与其内部结构参数有关的外部特 性。在本论文中主要介绍传感器的静态特性。 传感器的静态特性是指被测量的 值处于稳定状态时的 输出与输入关系，传 北京交通大学硕士论文 感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以 输入量作横坐标， 把 与其对应的输出量作纵坐标而画出的 特性曲 线来描述。表征传感器静态特性的 主 要 参数 有: 线 性度、 灵 敏 度和 分 辨力 等 11 .2 1 一、 非线性度 非线性度是指测试装置的输出、输入之间能否保持常值比例关系 即线性 关系)的一种量度。 在静态测量中， 通常用实验测定的办法求得装置的输入输 出关系曲线， 称之为定度曲 线。 定度曲 线偏离其拟合直线的程度即为非线性度， 常用百分数表示，即在装置的标称输出范围 ( 全量程)a内，定度曲线与该拟 合直线的最大偏差b与a的百分比，也即 非线性度二 ( 1 ) 至于该拟合直线如何确定，目前国内尚未有统一的标准，因而不同拟合直线的 确定方法， 就含有不同的非线性度的具体定义。 较常用的是最小二乘非线性度。 应用这方法拟合的直线与实验所得的定度曲线上所有点的偏差 b的平方和最 /j o 二、 灵敏度、分辨力、分辨率 灵 敏 度s o 是 测 试装 置 对 被 测 量 变 化 的 反 应 能 力 ， 是 反 映 装 置 特 性的 一 个 基 本 参数。 当 装置的 输入x 有一个 增量a x ， 引 起输出夕 的 有一个增量匆 感器的灵敏度 则传 ( 2 ) 使用环境， 特别是环境 温度的变化，必然会使灵敏度也随之有所变化， 称 之为灵敏度的漂移。 通常灵敏度的定 度是在2 0 进行， 由于测试装里的结构和 材料特性都会随时间而变化，因此灵敏度应定期进行标定。如有条件，应在使 用前进行一次标定。 灵敏度在本质上和我们经常说的分辩力是一致的， 从定义上讲，分辨力是 指传感器可能感受到的被测t最小变化的能力。也就是说，如果输入量从某一 非零值级慢地变化。当 输入变化值未超过某一数值时， 传感器的输出不会发生 变化，即传感器对此输入量的变化是分辨不出来的。 只有当输入量的变化超过 分辨力时，其输出才会发生变化。 数学表达式如式 2 ) 所示。 通常传感器在满量程范围内各点的分辨力井不相同， 因此常用满量程a中 第一章绪论 能使输出量产生阶跃变化的输入量中的最大变化值a x 作为衡量分辨力的指 标。这个指标若用满量程的百分比表示，则称为分辨率，即 分 辨 率 一 竺x 1 0 0 9/, a ( ) 1 . 2 激光三角位移传感器的优点及发展现状 三角测量法是一种位移测量方法，它最大的优点是属于非接触测量。接触 法有很多的局限性，它不适于测量由易被擦伤的软质材料构成的高精度表面， 不适于测量易污染的材料，也不适于在恶劣环境下进行测量。因此研究非接触 式的测量方法是十分重要的，也是测量工作所迫切需要的。 由于激光器的诞生，新的光电扫描技术的发展，加之微机的控制与数据处 理、电子技术的不断进步及 c c d ( c h a r g e c o u p l e d d e v i c e ) , p s d ( p o s it io n s e n s i t i v e d e t e c t o r ) 等光电探测器件的完善和发展. 使这种传统的方法有了很多 新的进展和应用p l 。目 前以 激光三角法作为基础的光电位移检测技术已 被) 一 泛 的应用于航空航天、生物医疗、物体识别、上业自 动检测等领域 三角测量中，半导体激光器具有体积小、调制方便、光特性优良 等特点， 己成为理想的探测光源。 c c d是一种图 像传感 器， 像元尺寸小，几何精度高， 配置适当的光学系统， 可获得很高的空间分辨率，因此广泛用于数字化位移测 量领域。 并且三角测量法具有非接触、 速度快、 精度适中、 响应频率高等优点， 己广泛的应用于工业产品的在线测量。 目 前国内 外 有很多公司 都 有这方 面的 产品， 日 本k e y e n c e 生 产的l c系 列、 l b系列和l d系列， 德国m i c r o - e p s i lo n 公司的o p t o n c d t 系列， 德国k l ip p l e 公司，美国m t i 公司的m i c r o t r a k系列等多种型号。表1 列出了目 前市场上 常见的几种激光三角 位移传感器的 技术指标. 互 1 . 3 激光三角位移传感器的应用方向 及发展趋势 常见的应用有以下四个方面: 1 振动、偏移、间隙、振荡、径向振摆、厚度: 2 .弯曲、 变形、 平整度、斜度; 3 .尺寸、公差、 分选、另件分选; 4 .生产过程质量控制和尺寸检验。 这只是无数应用中的一些基本的应用。己 经研究的另一些更复杂的形貌测 量技术，包括mo i re轮廓术、 f o u r i e r 变换轮廓术、 相位测量轮廓术等也最终归 北京交通大学硕士论文 表 1 激光三角位移传感器的技术指标 厂家型号测量范围 ( ) 线性度分辨率 mi c r o - e p s i l o n 1 8 0 0 -2 0 士1 0士0 . 1 %士0 . 0 1 % mi c r o - e p s i l o n 2 2 0 0 -2 0 士1 0士0 . 0 3 %士0 . 0 0 5 % mtimi c r o t r a k i i 土2 0士。 . 0 5 %i o w m mti mi c r o t r a k 7 0 0 0士2 02 .4 5 l m a c u i t y r e s e a r c h a c c u r a n g e 2 0 0 - 5 0 士2 51 5 e lr n kli p p leanr - 1 2 8 2 士2 04 0 u n ke ye nce l b7 2士1 0 士1 %2 1 1 m 结于三角测量法，只不过在不同的测量技术中采用了不同的方式来从观察光场 中 提取三角计算中所需的几何参数4 1 由于三角位移传感器属于非接触测量，因此对被测材料无特殊要求，既可 测金 属材料， 也可测非金属及柔软 材料5 1 ， 并且 还可测量易 污染、 易磨损的材 料6 1 。 可以 在恶劣环境下进行测量。 大 量的 研究表明 光学三角 法更适于 加工表 面粗糙度的非接触测量 l 基于三角测 量法的双 光路三角测量 法， 可以 进行 静态二维 测量18 1 。 它采用 了两个光电 探测器，目 标点分别在成一定角度的两个探测器上成像，这样就可 以 得到目 标点的空间坐标9 1 。 本文第二章 有详细分析。 由 三角 法原理可知三角 位移测量是 采用 激光光点 作为 探头的 la)， 且非接触 测量、测量速度快，加之计算机在测量中的应用， 使得激光三角位移传感器在 动态扫描测量 i 1 方面也有长足的 发展。 动态扫描测 量是把激光扩束 成多 线光， 投射到被测表面上用光电探测器采集物体表面漫反射光，转变成电信号输入计 算机， 利用三角几何里之间的关系， 得出 物体表面的 三维坐标，实现对被测面 的 动态扫描测量1 2 ,1 3 随着工业生产的发展， 激光位移传感器将向着高速度、高精度、多功能、 多参数、小尺寸的方向发展，它将在机器视觉、自 动加工、工业在线检测、产 品质量控制、实物仿形、生物医学等领域具有重要意义和广阔的应用前景。 第一章绪论 1 . 4 本课题的意义 虽然二角测量法的原理已非常清楚， 但是在国内仍没有成熟的激光三角位 移传感器产品面世。国外儿家公司 有同 类产品，但是价格昂贵，不利于推广. 从调研的 情况分析国内 外市场现有的 此类传感器存在的问 题是，在设计时没有 充分考虑传感器的具体应用场所和设计要求，而导致传感器的性能指标大大降 低:线性度差、稳定性低、测量精度低、测头体积大、对测量环境要求严格、 对被测物有较高要求等等。 本论文以提高测量精度为前提，分析了系统各个方面对传感器精度的影 响，并且对几种传感器特性进行了比较。不仅对本实验室科研项目具有非常重 要的意义，可以直接应用在目前涉及的科研项目上，有较高的经济前景;同时 对于此类传感器在其它场合的应用也具有非常重要的意义，为此类传感器设计 提供参考。 互 1 . 5 激光三角位移传感器的设计方案 针对上述不足， 作者根据开发激光三角位移传感器的经验， 从以下几个方 面对激光三角位移传感器进行研究、设计: t . 光路部分: 介绍荃本原理， 得出 三角测量法的算法以 及分辨率的数学公式 并进行理论分析。 对双光路三角测量法进行了研究， 并与单光路进行比较: 2 . 电路部分:从光电接收器的驱动电路和信号采集、处理电 路两部分对传感 器的电路部分进行设计; 3软件设计: 分别介绍传感器的 结构参数设计软件， 标定软件以 及测试软件， 实现对传感器的自 动化设计，自 动化标定和特性测试; 4机械部分的设计: 5 . 以本实验室一个传感器为例， 通过一系列实验。对此类传感器的稳定性和 测量不同被测面 ( 色泽、 材料、 粗糙度、 倾斜)的 特性进行分析、总结。 北京交通大学硕士论文 参考文献 杨宝消编著 郁有文 常健 补 。2 0 0 0 现代传感器技术基础 ，中国铁道出版社，2 0 0 1 编著 传感器原理及工程应用 ， 西安电子科技大学出版 z h u a n g b h . n o n - c o n t a c t m e as u r e m e n t o f s c r a t c h a p p l i e d l a s e r , 1 9 9 7 , 1 7 ( 2 ) p 4 9 - 5 3 o n a i r c r a ft s k i n s j 川2圈 金国 藩， 李景镇 s a i t o , k . , e t a l 激光测量学 科学出版社， 1 9 9 8 , p 7 9 8 - 8 2 1 n o n c o n t a c e 3 - d d i g i t i z i n g f r e e -f o r m s u r f a c e s ja n n a l s o f c i r p , 1 9 9 1 , a n d m a c h i n i n g s y s t e m f o r 4 0 p 4 8 3 -48 6 韩玉杰， 田中千秋等. 木材表面缺陷的 激光在线检测技术 j ， 木材工业， 2 0 0 2 , 1 6 ( 3 ) :p 2 8 - 2 9 , 3 2 伏德贵 激光非 接触式表面粗糙度兼 位移测量研究 j ， 计量与测试技 术，2 0 0 0 , 2 7 ( 3 ) :p 8 - 9 王淘 非 接触测量中光 学成 象系 统的 设计 j ， 抚顺石油学院学报， 2 0 0 0 , 2 0 ( 2 ) :p 7 6 - 7 8 程继伟 位置敏感探测器在转角测量中的 应用t j ， 传感器技术， 2 0 0 2 , 2 1 ( 1 0 ) :p 4 0 - 4 2 袁道成 适于在线测量的 激光位移 传感器汇 j ， 计量技术， 2 0 0 2 , n o . 5 : p 3 - 6 p r a m o d .k .r a s t o g i . o p t i c a l m e as u r e m e n t t e c h n i q u e s a n d a p p l i c a t i o n s m . a r t e c h h o u s e p u b l i s h e r , 1 9 9 8 , p 1 7 - 1 8 陶 海燕等 激光线扫 描测量原理及数 据处理 简介 j ， 机 械设 计与制造工 程，3 1 ( 3 ):p 5 4 - 5 5 , 5 8 张宝峰三维自 由曲 面的 激光扫描测量 j ， 计量技术， 2 0 0 2 ( 5 ) : p 1 2 - 1 4 56川圈 9l10jlll lzl3 第二章传感器的光学设计 第二章 传感器的光学设计 2 i三角测量法的基本原理 最简单的三角位移测量系统是从光源发射一束光到被测物体表面，在另一 方向通过成像观察反射光点的位置，从而计算出物点的位移。由于入射和反射 光构成一个三角形，所以这种方法被称为三角测量法。按入射光线与被测工件 表面法线的关系，可分为直射式和斜射式”1 。 2 1 1 直射式 直射式三角法测量原理如图2 ，1 所示，其等效光路如图2 2 所示。激光器 1 发出的光线，经会聚透镜2 聚焦后垂直入射到被测物体表面3 上物体移动 或表面变化，导致入射光点沿入射光轴移动。接收透镜4 接收来自入射光点处 的散射光，并将其成像在光点位置探测器5 ( 如p s d 、c c d ) 的敏感面上1 。 但是由于传感器激光光束与被测面垂直，只有一个准确调焦的位置，其余位置 的像都处于不同程度的离焦状态。离焦将引起像点的弥散，从而降低了系统的 测量精度。为了提高精度，占，* n 0 2 必须满足s e h e i m p f l u g 条件”1 ：像平面、物 平面、透镜平面相交于一条直线，即 图2 1 原理图 7 北京交通大学硕士论文 t g o ，= # g o ： ( 2 1 ) 式中口为横向放大率。此时一定景深范围内的被测点都能正焦的成像在探测器 上，从而保证了精度。 图2 2 直射式光路图 卜激光器2 一会聚透镜3 一被测表面 图2 3斜射式光路图 4 一接收透镜5 一光点位置探测器 若光点在成像面上的位移为x7 ，利用相似三角形各边之间的比例关系，按 下式可求出被测面的位移 z = 面而a x 磊 s i n 丽0 2 ( 2 - 2 ) 6 s i n 日，一工s i n ( 口+ 臼，) 式中，a 为激光束光轴和接收透镜光轴的交点到接收透镜前主面的距离：6 为 接收透镜后主面到成像面中心点的距离；0 ，为激光束光轴与接收透镜光轴之间 的夹角；0 ：为探测器与接收透镜光轴之间的夹角a 2 1 2 斜射式 图2 3 为斜射式三角测量原理图。激光器发出的光和被测面的法线方向成 一定角度入射到被测面上，同样用接收透镜接收光点在被测面的散射光。此时 必须满足的s c h e i m p f l u g 条件为 t g ( o 。+ 0 ：) = 肛g o ， ( 2 3 ) 第二章传感器的光学设计 若光点的像在探测器敏感面上移动z ，利用相似三角形的比例关系，则物 体表面沿法线方向的移动距离 。： 竺墅刍! ! ! 旦! ( 2 4 ) b s i n ( 0 1 + 0 2 ) 一j s i n ( o l + 日二+ 口3 ) 式中，曰。为激光束光轴和被测面法线之间的夹角；0 2 为接收透镜光轴和被测面 法线之间的夹角；0 ，为探测器光轴与接收透镜光轴之间的夹角。 当0 2 为0 。时原理如图2 4 所示，为斜入射直接收式a 光点移动x ，则 被测面沿法线方向移动的距离 x ： ! 墅堡! ! 塑 ( 2 5 ) b s i n 0 1 一x s i n ( o , + 以) 式中各个参数的含义同图2 3 所示，它属于斜入射式传感器的一个特例。 遗 ： 弋 - 4 ， t x- l 图2 4斜入射直接收式 z 2理论上分析系统的参数关系 2 2 1 物像位置的精确关系 9 第二章传感器的光学设计 若光点的像在探测器敏感面上移动x ， 利用相似三角形的比 例关系， 则物 体表面沿法线方向的移动距离 a x s i n 氏 c o s 民 ( 2 . 4) b s i n ( b , + 0 2 ) 一 x s i n ( b , + b ; + b , ) 式中， b ， 为 激光 束光 轴 和 被 测面 法 线 之间 的 夹 角; b z 为 接收 透镜 光 轴和被 测 面 法线之间的 夹角:b : 为探测器光轴与 接收透镜 光轴之间的 夹角。 当b : 为0 0 时， 原 理 如图2 . 4 所 示， 为 斜入 射直 接 收 式。 光点 移动x ， 则 被测面沿法线方向移动的距离 二 = 一 . a x 一 s in b , c o s b( 2 . 5) b s i n 阮一 x s i n ( 材+ 氏 ) 式中各个参数的含义同图2 . 3 所示，它属于斜入射式传感器的一个特例。 5 -, 1 j 0 a b 1 x、 图2 . 4 斜入射直接收式 互2 . 2 互 2 . 2 . 1 理论上分析系统的 参数关系 物像位置的精确关系 北京交通大学硕士论文 在三角法测量中， 无论直射式还是斜射式， 除基准点0外， 入射光斑随 件偏离透镜光轴而移动，其像点也必然偏离光轴。为使 c c d上的像点始终位 于焦平面上， c c d传感器的受光面必然与透镜光轴成一夹角沪。 其目 的是根据 成像原理建立入射光斑与其像斑的精确关系，止是可使像点最小，有利于提高 测量精度。即满足前面提到的成像条件一s c h e i m p f l u g条件， 物面、像面应共 焦于成像物镜主面上的0 处。图2 . 5 是满足上述条件下入射光斑及其像点位移 轨迹图。 d毒 . k - 、 、d . a l/ ， ， ， 产 若 二 二 二 二 : : 二 二 二 二 二 二 二 二一 : : : 二 . _ . 二 : 一 f _ _ _ _ _ i i 藻 _ _ _ 少 ， _ _ _ - - - - - - - - 一 一 目 户 目 ， 目 ， 一 二 二 二 二 _ 二 二 二 二 二 : : : : : : 二 二 之尝 二9 图2 . 5 物像关系轨迹图 根据三角测量法的物体位移与像点位移地变化关系式， 可以 得到物像位置 变化的关系曲 线如图2 . 6 所示，该曲线为非线性曲 线。第一象限曲线为入射光 今x 图2 . 6 物像关系曲 线图 第二章传感器的光学设计 斑由参考面向远端移动时的情况。其分辨率有所下降，但测量范围增大;第三 象限曲线为参考面向近端移动的情况，分辨率提高，但测量范围减小。在实际 测量中，需根据测量要求选择好视场。 2 . 2 . 2 放大率 光学系统物像大小的比 例关系常用放大率表示，在本论文里只介绍横向 放 大率。当物平面沿着光轴移动微小的距离d x 时， 像平面相应的移动d x ，比例 丝称 为 光 学 系 统 的 横 向 放 大 率 。 以 焦 点 为 原 点 的 横 向 放 大 率 公 式 ， 称 牛 顿 公 d x 式 6 1 ，即 a 一 z 二 _ f -、 ， y x一一 ( 2 石) 以 主点为原点的横向放大率公式， 称高斯公式，即 ( 2 . 7 ) 各变量含义如图2 . 7 所示。 由高斯和牛顿公式可知: 如果要使激光光点经透镜后光点变小 则物距1 , 图 27 理想光学系统的放大率 北京交通大学硕士论文 像距1 需 满 足1 2 f, 2 f 1 f， 此 时 横向 放大 率声 ，横坐标是对应的c c d 像素值。在2 m m 测量范围内，像素几乎重 合，在同位移采数的最大像素差是3 。说明传感器测量非常稳定，并且重复性 很好。足虬满足本实验室其他项目中使川的激光三角位移传感器的要求。实验数 第六章 实验设计及实验数据分析 据见附录。 吣k 、 3 63 6 53 73 7 5 + 第一次+ 第二次+ 第三次 图6 2 稳定性实验曲线 6 2被测面颜色对传感器的影响 3 8 位移】m 由于不同的表面颜色对传感器的半导体激光器发出的近红外光的吸收程度 不一，因此测量结果的一致性将受到一定的影响“ “。针对这种情况，做了如下 实验：用白漆面、红漆面和黑漆面在相同条件下标定测头，得到的标定曲线如图 6 3 所示，实验数据见附录v 。从图6 3 可以看出，三种颜色的标定曲线几乎完 、 1 k k 1 - jjj1 k 。 01 02 03 04 0 位移m + 白懈+ 红筛+ 黑色j 栖 图6 3红、白、黑三色漆面的标定曲线 姗啪呦娜啪啪脚猢 _【(i艇鞋 融姗m嘶咖湖。 蒙 第六章实验设计及实验数据分析 据见附录no 2 8 0 2 7 0 2 6 0 2 5 0 2 4 0 2 3 0 2 2 0 2 1 0 2 0 0 、 、 .入、 、 、 、 认 、 、 、 1 工ad献攀 3 6 . 5 今 一第一次 图 6 . 2 3 7 3 7 . 5 . 第二次一 山 一第三次 稳定性实验曲线 3 8 位移咖 6 . 2 被测面颜色对传感器的影响 由于不同的表面颜色对传感器的半导体激光器发出的近红外光的吸收程度 不一， 因 此测量结果的 一致性 将受 到一定的 影响 4 ,5 ,6 1 。 针对这种情况， 做了 如下 实验: 用白 漆面、 红漆面和黑漆面在相同条件下标定测头， 得到的标定曲线如图 6 . 3 所示， 实验数据见附录v。 从图6 . 3 可以 看出， 三种颜色的 标定曲 线几乎完 像素 p e l 1 8 0 0 1 5 0 0 1 2 0 0 ， 饭. 、. 、饭 ， 卜 一二卜卜 姗翎绷 3 0 4 0位移. 一 劝 . 白 色 漆面州 . 卜红色 漆 面 泊 尸黑 色 漆 面 图6 . 3红、白、黑三色漆面的标定曲 线 北京交通大学硕士学位论文 全重合。 说明各自 标定的一致性都很好。 然后用其中一组标定值对三种颜色的漆 面进行测试。 测试的误差曲线如图6 . 4 所示， 实验数据见附录vi。 从图中可以看 出红、 白漆面的测试误差的趋势线较一致， 都有连续的漂移。 而黑色的测量误差 基本很小，基本控制在士0 . 0 5 m m之间，一是因为用黑色面的标定数据进行的测 试， 二是因为黑色面对光能的吸收较多， 反射光强大小较为适宜。 建议在对传感 器进行标定时使用与被测面较接近的颜色。 昌 0 . 2 ik01 。 乙 0 . 0 5 0 - 0 . 0 5 - 0 . 1 - 0 . 1 5 - 0 . 2 - 0 . 2 5 - 0 . 3 - 0 . 3 5 - 0 . 4 仇 所。 1 妞翻 枯二 1 枯鑫 用口囚山姗俐以1伽 科 六 示户辐 理 七 卫纭叠场 ，下可乃物恻洲 切 叶一” 一 盈 一 x - u 一 - 1 一 a “ 为 风ff 4 0 - 1 一护 淘 j l 州乎 七 对 、 迫 团 口 j，穴 胜列 恤r 下万 * -， 、 ， ，洲甘御廿中曰附困 ? 坷. . 一 飞 了 州% 价盯 ! a l 阅 ， 子 1 0 一 刁 卜 -白色漆面 4 0位移m m 一 . 一红色漆面 - 浦 一 黑色漆面 图6 . 4 黑色漆面标定数据对白、红、黑、三色漆面测试的误差曲线 6 . 3 被测面粗糙度和光泽对传感器的 影响 被测表面的粗糙度对传感器的 测量结果也有一定的影响。 光泽主要由 折射率 和表面粗糙度决定。 表面过于光滑， r a 值过小， 一方面使漫反射成份减少， c c d 输出 减弱， 甚至没有输出;另一方面，由于正反射成份的增大， c c d可能接收 到正反射光， 而正反射光此时是一种干扰信号。 如果表面过于粗糙。 r a 值过大， 容易造成照明光点的局部丢光现象， 破坏了原光点的均匀性，使输出值不稳定。 实 验 表明 被 测面粗 糙度1 .6 e o n r a 1 2 .5 e n n 时， 光泽 较暗 淡。 有利于 传感 器 的正 常工作 1 1 ,4 -8 。 也可以 通过改 变激光 器的 功率、 使用偏振片 削光 来减少光强 变 化对钡 1 量的影响19 , 1 0 夸 6 . 4 被测面倾斜对传感器的影响 被测面的 倾斜对测量的影响较大， 尤其是对于斜入射直接收式传感器。 很多 第六章实验设计及实验数据分析 业内 人士都 在这方面 做了 大量的 研究 2 ,5 ,1 1 - il l 工作。 对f l s - a -4 0 型传感器进行的 被测面倾斜实验误差曲 线如图6 . 5 所示， 实验数据见附录1 u 。 从图中也可以 看出 倾斜的影响。 这里的倾斜是指测量面与标定面之间 存在的夹角。 被测面无倾角时 它的误差趋势线是扰误差零值波动，趋势线方程为 y = 6 x 1 0 - x 一 。 .0 0 0 4 x 一 0 .0 0 2 4 而存在一定倾角时， 它的误差值就在不断 地增大， 有向 上漂移的趋势。 趋势 线方程为 y 二 一 9 x 1 0 - x + 0 .0 0 7 6 x 一 0 . 0 6 0 7 舫龙15几肠。 以。住。仓 巷极唯 - 0 . 0 5 - 0 . 1 - 0 . 1 5 一润 减一介 t. 洲 h !.fi ， 心 j血肉尸明阳喇 -j 月 jd 叭厂 峪 一 ，“ “ 几 、一 ， 占 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 - ，有倾角误差叫 . - 无倾角误差 图6 . 5 有倾角与无倾角时的误差比较 4 0 位移咖 互 6 . 5 被测面材料对传感器的影响 光波遇到不均匀结构时， 使光波偏离原来的方向，引起散射。散射必然会 减弱光束强度。 散射系数s 与散射质点的大小、 数t以 及散射质点与荃体的相对 折 射 率 等 因 素 有 关 ， 单 位 为o r d i o 当 质 点 的 直 径d 1 / 3 a 时， 可 近 似 地 采 用 r a y l e i g h 散射来处理。 散射质点 的 折射率与 基体的 折射率 相差 越大， 将产生越严 北京交通大学硕士学位论文 重的散射 1 3 分别以铜、铁、铝作为测量面，进行标定和测试，误差曲线如图6 . 6 所示。 从图中的曲 线可以 看出 铜面的误差最小，基本都集中 在士。 . 0 5之间。铁面和铝 面的误差相当，实验数据见附录1 e 0 . 3 0 . 2 5 0 . 2 0 . 1 5 0 . 1 0 . 0 5 0 - 0 . 0 5 - 0 . 1 - 0 . 1 5 - 0 . 2 . i 八 刀 俄六俄 *爪 lp 瓜下 爪n 斗艾 f w级 卜 。 ， b习 门j. 口胆 肋 气 月 色 赴 l 日 姗域 .1l7+r. : iil,r , e i召 i 口妇i t r 月 目 尸 月 rv i 竹 竺犷一 ” ii门 从 卜 厂犷 二. 日v 11.1 il ，. 三曰撅哨 0 5 1 0 - 月 卜 . 铜面 1 5 2 0 2 5 - . 铁面 铝面 3 0 3 5 4 0 位移m m 图 6 . 6铜、 铁、 铝面的误差曲 线 6 . 6 斜入射式和直入射式的比 较 f l s - a - 4 0 型传感器为 斜入射直接收式， 本实验室还开发出了f l s - b - 4 。 型直 入射斜接收式传感器， 并对两种不同 光路的 传感器进行了性能比较实验。 实验误 差曲线如图6 . 7 所示， 实验数据见附录i x 。 从实验曲 线可以看出直入射式测量误 差较小， 基本集中在土0 . 0 5 ， 内， 效果优于斜入射式。分析其原因是， 在整个 测量范围内， 激光束入射在被测面上的同 一点上。 对于粗糙面较大的被测面， 建 议使用直入射式。 第六章实验设计及实验数据分析 0 . 2 0 . 1 5 0 . 1 曰曰椒唯 0 . 0 5 0 - 0 . 0 5 - 0 . 1 - 0 . 1 5 ，. 二 : . 厂 一 几 “ 、 色石了 10一 ，.-气一 , % - . y 、 一少;-; 一 ， 鑫 一 签一 _ -;: 勺 .-二 .- 二 .i二1 舫 0 5 1 0 1 5 2 0 一直入射式 . 斜入射式 3 0 位移丽