（光学专业论文）基于表面补光与前沿触发的激光位移传感器的研究.pdf

中文摘要 基于三角法激光位移传感器由于非接触测量，在工业生产中得到越来越广泛的 应用，但被测工件表面特性、传感器的光源质量、光学系统质量、c c d 器件特性 和信号处理方法与算法等很多因素对其测量精度有较大的影响，因此如何提高这 类激光传感器的测量精度和扩展其适用范围成为此领域的研究的重点。 本文首先介绍了基于三角法激光位移传感器的原理与基本构成，分析了影响 传感器测量精度与适用范围的因素，例如被测物表面特性、光源质量、光学系统 与光学探测器件等。研究了这些因素对c c d 接收信号的影响特点。在此基础上， 本文提出了“饱和信号前沿触发”和“实时表面补光”技术的设计方案，并制作 了相应的激光位移传感器，其设计量程为8 0 m m ，工作距离1 9 0 m m 。实验结果表 明这两种设计可以对不同特性表面进行精确测量，相比同等条件下未采用这两种 设计的激光位移传感器，一次标定后对不同表面进行测量，其测量精度从+ 6 m m 分 别提升到4 - 1 5 m m 与士0 6 m m 。 关键词：激光位移传感器；线阵c c d ；饱和信号前沿触发；实时表面补光 分类号： t h el a s e rd i s p l a c e m e n ts e r l s o rb a s e do l lt r i a n g u l a t i o ni sa p p l i e di ni n d u s t r yw i d e l y d u et oi t s n o n - c o n t a c tf e a t u r e i t sa c c u r a c yi s m a i n l yd e c i d e db yt h es c a t t e r i n g c h a r a c t e r i s t i c so ft h et a r g e t ，s o u r c ep o w e rf l u c t u a t i o n , t h ed e f e c ti no p t i c a ls y s t e m ，n o i s e o fc c d ，s i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o da n da l g o r i t h m ，e t c t h u sh o wt oi m p r o v et h e m e a s u r e m e n ta c c u r a c ya n da p p l i e dr a n g eb e c o m e st h ef o c u sp o i n ti nt h i sf i e l d mt h i sp a p e r , f i r s t t h ep r i n c i p l ea n ds t r u c t u r eo f t h el a s e rd i s p l a c e m e n ts e n s o rb a s e d o nt r i a n g u l a t i o nw a si n t r o d u c e d t h e ns o m ef a c t o r sm e n t i o n e da b o v e ，w h i c hh a s r e l a t i o n 谢t hm e a s u r e m e n ta c c u r a c ya n d r a n g e ，w e r ed i s c u s s e d f u r t h e r m o r e ，t w on o v e l l a s e rd i s p l a c e m e n ts e n b o r sw h i c ha d o p tt w ok i n d so ft e c h n o l o g i e ss e p a r a t e l y , l e a d i n g e d g eo fs a t u r a t e ds i g n a l a n dr e a l t i m es i 】| r f 犯e c o m p e n s a t i o n , w e r ep r e s e n t e d t h e s e n s o r s m e a b 虬l r e r a n g ei s 8 0 m ma n dt h ew o r kd i s t a n c ei s 1 9 0 r a m f i n a l l yt h e e x p e r i m e n tr e s u l t s w e r es h o w n t h e5 f f f l s o rc a l lb eu s e di nd i f f e r e n t s c a t t e r i n g c h a r a c t e r i s t i c so ft h et a r g e t ，a n dt h e l e a d i n ge d g eo fs a t u r a t e ds i g n a lt e c h n o l o g y i m p r o v e ss e l 塔o r sa c c u r a c yf r o m 士6 r a mt o4 - 1 5 m m ，m e a n w h i l et h er e a l - t i m e $ a e f a c e c o m p e n s a t i o nt e c h n o l o g yi m p r o v e s5 f f l l b o r sa c c u r a c yf r o m * 6 r a mt o 士o 6 m m k e y w o r d s ：l a s e r d i s p l a c e m e n ts e n s o r ；l i n e a rc c d ；l e a d i n ge d g et r i g g e ro f s a t u r a t e ds i g n a l ；r e a l - t i m es u r f a c ec o m p e n s a t i o n c l a s s n o ： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：年月日签字1 3 期：年月 日 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月 日 致谢 本论文的工作是在我的导师冯其波教授的悉心指导下完成的，冯其波教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来 冯其波老师对我的关心和指导。 高瞻副教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向高瞻老师表示衷心的谢意。 陈世谦、崔建英、刘依真老师对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵 意见，在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，吴思进、张志峰、匡翠方、程飞、徐楠、全 雷、曹睿等同学对我论文的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激 之情。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 1 绪论 1 1 基于三角法激光位移传感器的发展及现状 三角测量法是一种位移测量方法，它最大的优点是其测量方式属于非接触测 量。传统接触法测量在应用中有很多的局限性，既不适于测量由易被擦伤的软质 材料构成的高精度表面，也不适于测量易污染的材料，更不适于在某些恶劣环境 下进行测量。因此研究非接触式的测量方法无论对于科学研究还是实际生产都是 十分重要的。 随着激光器的诞生，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p s d ( p o s i t i o ns e n s i t i v ed e t e c t o r ) 、c c d ( c h a r g ec o u p l e d d e v i c e ) 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。目前以激光三角法作为基础的光电位移检测技术已被广泛的应用于航空航 天、生物医疗、物体识别、工业自动检测等领域。 三角测量中，半导体激光器以体积小、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 作为一种图像传感器，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。 又由于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，已广泛 的应用于工业产品的在线测量。 由于三角位移传感器测量原理属于非接触测量，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，并且还可测量易污染、易磨损的材 料。可以在恶劣环境下进行测量。 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、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【”。 1 2 国内外研究概况 国内外基于三角法激光位移传感器的研究在理论上已经日趋成熟和系统。在 分析影响传感器测量精度的因素和提高激光位移传感器的适用范围，减少环境、 被测表面特性等因素对传感器测量的影响的理论研究中，很多科研成果已经发表 lj o q7 】。由于半导体激光器、光学系统及光电探测器尤其是c c d 器件在技术性能上 的高速发展与突破，为激光位移传感器不断提供新的发展空间与前景。二十世纪 末开始就有很多国外专家学者在光源、表面特性、光学成像、c c d 信号处理等方 面做了相关探索和研究，提出了很多可行性方案，如m u r a k a m i ，f u m i o 、c l a r k , j 及 k i m ，k y u n g - c h a n 等。目前国内在此领域的研究发展也很迅速，天津大学的黄战华 教授等研究了光学系统成像、环境温度折射率、光斑形状、c c d 传感器和处理电 路等传感器误差产生原因并提出了相应的消除方法，哈尔滨工业大学谌芸等在 c c d 软件算法和信号处理方法上提出了提高传感器测量精度的方法1 2 】【”。但这些 研究都是针对某一特性表面进行的，没有涉及到对不同表面的测量时存在的问题。 而现在随着应用领域的扩大，在不同特性表面 保证传感器测量精度是十分必要的。 理论研究推动着技术进步，在技术实现上 激光位移传感器正在向着更高精度、更高稳定 性能、高速、小体积的方向发展。国外成型的 日本k e y e n e e 公司的l k 系列 系列产品有德国的m i c r o - e p s i l o n 公 司的o p t o n c d t 系列、美国m t i 公 司的m i c r o t r a k 系列、日本 k e y e n c e 生产的l c 系列、i b 系列 和l d 系列等。日本k e y e n c e 公司 现在推出的l k 系列的激光位移传 感器相较于早先的l c 系列、l b 系 列和l d 系列突出了两大特点，也 德国m i c r o - e p s f l o n 公司的o p t o n c d t 系歹t j 形成了两个独具特色的型号：l k - g 系列突出高速度、高精度的技术性能，k l - 2 5 0 0 系列则突出超长测量距离和不受色彩、表面材质和离散光线的影响。德国的 m i c r o e p s i l o n 公司的o p t o n c d t l 8 0 0 型最早应用了“实时表面补光r t s c ”技术 ( r e a l - t i m e s u r f a c e c o m p e n s a t i o n ) 来消除测量表面亮度变化引起的测量误差。表1 1 列出几种典型型号的技术参数； 2 表1 1 不同型号传感器参数 厂家型号 测量范围( m m l 绝对误差 m i c r o - e p s i l o n o p t o n c d t l 8 0 0 4 0 0 ，0 8 f s o m i c r o - e p s i l o n o p t o n c d t 2 2 0 0 4 0o 0 3 f s o k e y 曰川：ei k g l 5 08 00 0 5 f s o k e y e n c eu 【- 2 5 0 02 0 0- t - o 1 f s o m m i c r o t r a k 7 0 0 02 00 1 f s o 通过几家国外权威公司的产品发展趋势我们可以看出，高精度、高速度和不 受表面材质、色彩影响等技术特点是目前这个领域研究的热点和重点。国外产品 在性能上明显高于国内同类产品，但其价格昂贵，关键技术对我国封锁。 1 3 本论文主要内容 基于三角法激光位移传感器应用中受设计方案与环境因素等影响，限制了其 测量精度与应用范围。本文分析了影响基于三角法激光位移传感器测量应用的多 个因素，提出了使用饱和信号前沿触发技术和“实时表面补光”技术改进传感器 的新方案，完成了这两种高性能激光位移传感器的研制，并通过对比实验获得了 满意的实验结果。 2 1 基本原理 2 基于三角法的激光位移传感器 三角法测量的基本原理是几何光学物象关系1 4 】。由于系统光路中入射光与散射 光( 反射光) 形成三角形状，而称此种测量方法为三角法。如图系统的探测光入 射到被测物表面，散射光或反射光经光学系统后成像于探测器，由于被测表面位 移改变引起探测器接收到的像位置改变，从而在被测物位移与探测器像移间建立 了一种一一对应关系以实现测量。按照入射光与被测表面法线关系，三角法分为 直射式和斜射式。光路如图2 1 和图2 2 所示： 1 1 s ，矽 2 ! 必 8 、叨 3 、 、 ， ， j j n 一九 、 图2 1 直射式光路 卜激光器2 一会聚透镜3 一被测表面 图2 , 2 斜射式光路 4 一接收透镜5 一光点位置探测器 5 直射式三角法测量原理如图l 所示，激光器1 发出的光线在会聚透镜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p 】。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，0 和日，必须满足s c h e i m p f l u g 条件 i 6 - $ 1 ：像平面、物平面、透镜平面相交于一条直线，即 t g o , 。, s t 9 0 2 ( 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成像在探测器上，从而 4 保证了精度。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： j ： 型墅竺 b s i n b j s i n ( 0 1 + 吼) 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；b 为接收 透镜后主面到成像面中心点的距离；只为激光束光轴与接收透镜光轴之间的夹角； 六为探测器与接收透镜光轴之间的夹角。 图2 2 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 ( q + 岛) = 肛g 岛 ( 2 3 ) 光点的像在探测器敏感面上移动工与物体表面沿法线方向的移动距离： x ： 型墅刍竺鱼 ( 2 4 ) z ：= - - - - - - j 二：- - - - - - - 一 、， b s i n ( 0 ld - p 2 ) 一工s i n ( o lq - 8 2 + 口3 ) 式中，b 为激光束光轴和被测面法线之间的夹角；岛为接收透镜光轴和被测面法 线之间的夹角；岛为探测器光轴与接收透镜光轴之间的夹角。 通过上述原理讨论，可以看出无论是直射式还是斜射式三角法测量原理，都 是在物点与像点的一一对应关系的基础上，将位移信息与探测器接收信号的位置 变化建立相互联系，实现对位移的测量。 2 2 组成单元 2 2 1光源 现在普遍应用的激光器主要是h e 州e 激光器和半导体激光器。h e n e 激光器具 有很好的输出特性，光斑质量好，光束为高斯光束，焦深大束腰小，但是体积相 对较大，不适于体积小的激光位移传感器。半导体激光器由于体积很小所以现 在广泛地应用于激光位移传感器，但半导体激光器相比h e n e 激光器其输出特性 差，光斑分布不均匀，影响了传感器测量精度。不过随着工艺和技术进步，半导 体激光器输出光斑性质已经基本可以满足测量的需要了。 韭塞銮逼太堂亟堂焦监塞基王三角莹盟邀左焦整篮盛置 2 2 2探测器 四象限探测器、p s d 和c c d 都可以在激光位移传感器中作为探测器。四象限 探测器精度较高，但线性区较小，适于小量程高精度测量。p s d 没有工作死区， 可以给出光点在整个光敏面上移动的连续性位置数据；分辨率高、响应速度高、 线性较好；外围电路简单，具有较高的性价比；位置输出与光点强度及尺寸无关， 只与其重心位置有关。c c d 作为一种自扫描式光电接收器件，由于其具有尺寸小、 重量轻、功耗小、超低噪声、动态范围较大、线性好、光计量精确、光谱响应范 围宽、几何结构稳定、工作可靠和耐用等优点，且其线扫描输出光电信号有利于 其后续信号处理，在物体几何尺寸的测量、位置测量、图样识别、光学测量等方 面得到了广泛的应用。现在基于三角法激光位移传感器无论是研究还是产品，其 探测器件大都选用c c d ，本文所做研究也是以c c d 为探测器件的。 2 2 3光学元器件 激光位移传感器产品大多选用双焦合透镜、透镜组或专业设计的镜头作为其光 学系统组成，以求减少光学系统产生的像差。本文中传感器所选用的是 g c l - 0 1 0 2 2 0 双焦合透镜。 2 2 4机械部分 机械设计中，一方面考虑激光器、光学系统与c c d 位置符合三角法基本原理， 另一方面又要在达到设计要求前提下使结构紧凑减小传感器体积。为了应用中可 靠性与系统稳定性，机械结构设计要有一定的强度，能够抗拒外界的冲击，保持 激光器、光学系统与c c d 形态稳定，保证电路部分不受干扰。设计采用铝制外壳， 对激光器、光学系统、电路部分与c c d 等器件进行稳定加固。 按光学系统要求，半导体激光器发出的光束应为水平方向。设计中我们采用 了两个螺钉来固定激光器，通过前、后螺钉对激光器施加的不同压力来调整激光 器的俯仰，使光束水平。 c c d 固定于如图2 3 所示的三角架上，通过调节三角架位置，使c c d 感光面 调整到符合成像条件的理想位置。 6 图2 3c c d 安装座 在固定透镜时，用一个套筒将透镜固定在其内，套筒外表面有螺纹，通过旋进 传感器盒的深度不同来调节透镜和c c d 之间的距离，弥补机械加工带来的误差。 传感器设计基本结构如图2 4 所示。 图2 4 传感器设计结构图l 硐 激光器发出激光，经光学系统后聚焦于被测物表面，散射光经光学系统后成像 于光学探测器c c d 。当被测表面位置变化时，根据c c d 上成像位置的变化，可以 计算出物体的位移。 7 3 影响传感器性能的因素分析 3 1 被测表面物理特性 被测表面由于色泽、材料、粗糙度、倾斜以及外界环境等因素对测量精度有 较大的影响【9 】【1 0 1 。由于物体表面的粗糙度及光泽引起物体表面对光的反射和吸收程 度不同，使成像光斑存在像差。如果探测器接收光强过饱和和过弱都会给测量带 来较大误差，粗糙度过大，甚至会出现局部丢光现象。 为了从理论上分析表面粗糙度与散射光强的关系，本文选择了一种较成熟的 数学模型即w e i e r s t r a s s 分形粗糙表面模型进行模拟，通过对不同租糙度表面进行 数学模拟，理论计算得出不同粗糙度表面的散射特性 n - j 3 】。 由于实际粗糙表面往往既非完全周期的也非完全随机的，因此在研究粗糙面电 磁散射特性的过程中，人们引入分形几何的概念来描述这种粗糙界面。由于分形 几何具有不规则性和自相似性，具有大范围内有序和小范围内无序的特点，因此 可以更合理地描述实际的粗糙面，这在很多文献中都有报道。本文选用了一种称 为一维分形带限( 维尔斯特拉斯) 函数来描述分形界面。一维带限w e i e r s t r a s s 分形函 数的定义式为： n - 1 ，( 加= 占- c z b “2 hs i n ( 露扣。工+ 9 ) ( 3 1 ) m 其中实数d 是分维数( 1 为； = 七2 4 # 2 r ：( 2 c o s 吃) 2 s ( 包，o , ) l f e x p i f ( f ) 】) d f ( 3 8 ) 其中，( f ) = k o ( s i n 包一s i n 吃弦一瑶( c o s b + c o s 见) 2 艿2 【l 一户( f ) 】，l 为分形粗糙 面的长度，f = 毛一j 2 ，s ( b ，q ) 为遮蔽函数， s c 只，只，= ：黑翥墓 c s 9 ) 用m a t l a b 作出散射光强分布图如图3 2 所示： 图3 2 中横坐标为散射角度，纵坐标为散射光强，四条曲线分别代表着不同 粗糙度表面散射光强特性与散射角度之间的关系，对于同一表面随着散射角度的 增大，散射光强变弱。对于同一散射角度，不同粗糙度表面散射光强不同，在激 光位移传感器设计中由于接收透镜位置固定，所以接收光的散射角度是确定的。 由于测量要求与传感器外型尺寸的关系，我们设计的激光位移传感器在量程范围 内接收散射光角度在1 5 。至2 5 内变化。在2 0 。的固定角度，理论计算模拟的四 种不同租糙面散射光强变化最大能达到2 6 7 左右，而由于c c d 灵敏度范围限制， 1 0 例如n e c 的u p d 3 7 5 3 ，其响应在6 9 一1 1 7 v , q x s 。这种变化很容易造成对不同表面 测量时数据超界或者过弱不能测量，而对于同一被测表面，测量的量程范围内不 同位置接收光的散射角会发生变化，同样会引起测量时信号强度不稳定，这对光 敏元件c c d 正常工作影响是很大的，所以，稳定测量时由于被测表面特性和角度 引起的c c d 接收光强变化，是提高传感器测量精度与适用范围的重要因素之一。 3 2 激光器输出特性 光学三角法测量其光电转换器件接收的是来自物体表面的散射光，如果光束 光强分布不均匀，会使散射光斑的信号强度出现多刺、多峰和中心偏离等现象， 使c c d 上实际的成像中心与理论成像中心偏离，带来测量误差。另外，光源光 强过强或过弱都会使散射光斑的光强超过c c d 的感知范围，带来测量误差。光 束直径过大，使c c d 上成像光斑过大，光斑覆盖像元过多，使测量分辨率降低。 由于被测物体运动方向与成像系统光轴存在一定的夹角，虽然光电转换器件与成 两米吝釜 像系统也存在一定的夹角对其进行补偿，但在实际装调过程中。并不能调节到理 想的角度，所以光斑在c c d 上并非是理想的圆光斑，使实际光斑中心偏离理想 光斑中心，并且每一点的光斑大小不同，给仪器带来非线性，影响测量精度i l l 】。 对此，我们进行了对激光器出射光斑质量的实验研究。选择有代表性的三种激光 器：h e - n e 激光器、b l u e s l c y 的半导体激光器和国产的d 1 6 5 0 - 2 5 半导体激光器， 分别对三种激光器出射光斑进行了检测分析。我们将激光器的出射光束进行扩束 和准直后，用面阵c c d 接收光斑并将图像进行存储，用m a t l a b 进行处理，提取光 斑直径对应像素的灰度值，得到光斑光强分布曲线并进行高斯拟合，以此分析激 光器出射光斑质量。三种激光器光斑及数据分析如下： h e - n e 激光 日 黼t l l e oq y d k s t j e b l u e s k y 半导体激光 1 2 o5墨缶 国产的d 1 6 5 0 - 2 - 5 半导体激光器激光x 脯舶 图3 , 3 三种激光器出射光斑图像与分布数据 通过数据分析可以看出，相比于h e - n e 激光器，半导体激光器输出光束并非较 好的高斯光束。在基于三角法的激光位移传感器中现普遍采用的半导体激光器， 其出射光斑质量问题对于传感器性能提高的影响是重要的。以b l u e s k y 半导体激光 器为例，我们可以从其光强分布曲线图看出其峰值并不在其光斑中心位置，而出 现了一个多峰的现象，在光斑大小近4 0 0 个像素的数据中，其峰值偏离在+ 5 0 个像 素，相对于激光位移传感器设计，光斑大小占2 0 0 0 个像素中的2 5 个左右，则由 于光斑质量影响，会引，土3 个像素的误差。而国产的d 1 6 5 0 - 2 5 半导体激光器激 光光斑分布更不均匀，如果不采用合理的设计方案，光斑质量带来的系统误差就 达到o 5 ，这对激光位移传感器测量精度影响是很大的。所以由于光强分布不均 造成的光斑的信号强度出现多刺、多峰和中心偏离等现象也是影响传感器测量精 度的重要因素( i “6 j 。 3 3 光学系统 激光器光源发出的是方向性较好的光束，光束较细，且发散角较小，但尽管 如此，光束仍有一定的直径，且存在着发散，因此在c c d 的光敏面上成像形成 一个小光斑，将覆盖许多连续的光敏元，影响测量的精度。另外，当物体表面高 度发生变化时，成像点在c c d 的光敏面上相应的移动，由于c c d 光敏面的长 度是定的，如果像点过大，就会超出c c d 的光敏面而影响测量量程，因而对 激光束必须进行聚焦，尽量缩小在c c d 光敏面上的像点直径。由于测量仪具有 一定的工作距离和测量范围，这样就要求聚焦透镜在测量范围内，尽量使激光束 韭鏖奎亟盔芏亟堂僮纶塞毖喧篮璺整丝能笪垦塞筮抚 照射在被测物上的光斑尽可能的小。另外在设计透镜时应尽可能的减小孔径，从 而减小球面像差【1 7 1 ，以本文设计所采用的g c l - 0 1 0 2 2 0 双焦合透镜为例，其孔径 2 0 m m ，焦距7 5 r a m ，理论计算其球差为o 1 m m 。反映到本文选用的c c d 上为7 个像素的误差。 3 4 探测器件c c d 传感器采用c c d 作为光电转换器件，由于c c d 器件光敏单元的密度很高， 所以每个小单元都是仪器视场的一个极小部分，一般来说，一个像元的尺寸为几 微米到十几微米，像元及其间距越小，相同设计量程条件下就可以更精细反映位 移信息，传感器测量分辨率和测量精度也会增大【1 8 】【1 9 】。随着工艺的进步，线阵c c d 的感光单元已经做到了微米级，4 0 m m 的线阵c c d 可以集成数千感光单元，对于 进一步提高传感器的测量精度是很有意义的。 3 5 信号处理方法 线阵c c d 将测量数据进行a d 转换和存储之后，人们通过采用许多数字 图像处理技术来实现对c c d 的亚像素检测和定位。在c c d 测量系统中，图像 边缘提取是测量的基础和关键。早期常用像素级边缘提取方法，主要是一些经典 的边缘提取算子算法，如常用的梯度算子、l a p l a c i a n 算子、k i t s c h 算子和门式算 子等 2 0 琊】。这些算法的精度为1 个像素精度，即能判断出边缘在那个像素内，至 于更准确的位置，这些算法就不能判断了。因此需要更高精度的边缘提取算法， 即亚像素算法。 3 6 小结 通过上述分析，可以总结出无论是被测表面特性、光学系统还是c c d 的特性 分析，我们从传感器设计的角度可以把这些影响因素归结到c c d 接收的信号及信 号处理两个环节。在进行了相应的实验研究后，本文从对接收信号调节与c c d 信 号处理方式两个方面分别设计了两种型号的激光位移传感器，通过对比试验证明 设计的可行性与优势。 4 4 基于饱和信号前沿触发的激光位移传感器设计与实现 4 1 概述 三角法测量的理想条件是激光为高斯光束，经光学系统成像到探测器上的光 斑为高斯分布，脉冲中心就是像点的中心。以c c d 作为探测器时，应用二值化和 峰值检测都可以准确进行测量。但实际测量中由于光源、物体表面粗糙度或表面 倾斜、光学系统及c c d 本身的特性等原因，c c d 信号会出现毛刺、多峰、中心偏 离及信号过饱和或过弱等现象。激光光强分布不均会产生毛刺和中心偏离，被测 表面特性和倾斜会引起多峰和中心偏离， 面吸收或镜面反射较强又会使信号过弱， 表面散射光强过强会引起过饱和，而表 这几种现象都会引起传感器测量误差或 超界”】。现采用n e c 的u p d 3 7 5 3 型线阵c c d 作为探测器件，在光学平台上搭建 直入射式激光三角法测量光路。将探测光源垂直投射到平移台上的被测表面，不 同时刻改变激光器光强，用数字示波器检测得到c c d 输出信号波形图，如图4 1 的a 、b 、c 、d 所示。其中图a 和图b 的被测位置一样，图c 和图d 的被测位置也 一样。 其中图下方信号为示波器通道1 检测到的c c d 驱动起始信号，上方为通道2 检测到的c c d 感光像元信号。图a 为光强较弱时c c d 输出信号，信号幅值过小。 图b 为光强适中时的c c d 输出信号，图c 为光强使c c d 信号刚好达到饱和，图d 为c c d 信号过饱和而产生晕光效应，感光单元周围的像元受到“污染”而使得输 出图像展宽。传统传感器信号处理方法就是基于图b 这种波形的信号，对这种信 号应用二值化和峰值检测处理都能得到较为理想的结果。两种信号处理方式都是 取中心的方法，在光强变化适度的范围内，波形的整体变化不会影响到对中心的 测量，精度是可以满足测量要求的。但对于不同被测表面，随着c c d 接收光强的 变化，就会出现图a 、图c 、图d 的情况。对于图a 所示的信号，由于信号幅值过 小没有达到阈值，用二值化是无法测量的，而峰值处理方法仍然可行。而对于图c 和图d ，可以看出当光强过强时引起c c d 信号过饱和，此时图像信号的中心点已 大幅度漂移，并不对应于被测点，如果依然采取传统的取中心方法，将会引起很 大的误差。但是从图中也可以观察到，不同光强下信号前沿变化幅度不大，基本 上在4 个像素范围内，而后沿则随着光强的变化有急剧的变化。如果以前沿的位 置代表被测点，从图中计算出的最大误差约为o 2 ，对应一般的应用，是可以接 受的。于是，我们提出一种新的信号处理方法。采用光强较强的光源，使得对应 于绝大部分被测表面，c c d 上的像基本上处于饱和状态。然后对像的信号进行二 ( - f 部c h l 为c c d 起始信号，上部c h 2 为c c d 输出信号) 图4 1c c d 输出信号在示波器上的波形显示 值化处理，取信号的前沿作为被测点，从而推算出被测物的位移。这样在实际测 量中，即使被测面的散射特性不好，依然有足够的光强被c c d 接收，从而不会出 现图a 的现象。而对应散射较强的被测面，由于前沿对光强变化不敏感，也可以 保证其测量精度。这样，既提高了传感器对不同表面适用性，又使测量精度得到 了保证。 4 2 传感器设计 4 2 1光路设计 1 6 表4 1 丰耍器件的件能参教 半导体激光器输出功率3 7 5 m w 输出波长6 5 0 n m 双焦合透镜焦距7 5 m孔径2 0 b o c d 像素2 0 8 8 个 像素尺寸1 4 m 采用直入射式三角法基本原理进行光路设计。激光光源选用输出波长为6 5 0 n m 的点光源半导体激光器。激光器的光强强度达到光照射在黑色测试表面上后成像 在c c d 上时，像基本上是类似图1 中图c 的这种刚饱和的信号。光学成像系统选 用双焦合透镜，减少像差。c c d 选用n e c 公司的u p d 3 7 5 3 ，有效像素为2 0 8 8 位， 像素尺寸为1 4 胛。 y 。 z 弓 ， j l m 1 8 2 3 ， 彰7 ， rj n 门。飞锰。 、 传感器设计量程8 0 m m ，工作距离为 1 5 0 n u n 至2 3 0 n u n ，激光器垂直被测表面， 透镜光轴与激光出射方向成1 8 2 。夹角， 线阵c c d 长度4 n u n ，与被测面成4 0 5 。 夹角。 图4 2 光路图 卜激光器2 一会聚透镜3 一被测表面4 一接收透镜5 - c c d 4 2 2电路设计 传感器用c p l d 组成c c d 驱动电路，产生两相驱动信号，使c c d 工作在2 m h z 的采样频率。测量时信号通过低通滤波后再进行放大，然后进行二值化处理，之 后用脉冲填充法计算出c c d 第一个像素到二值化处理后信号前沿的距离，并依此 推算出像在c c d 上的位置，得到所需原始数据。 国 图4 3 原理框图 4 2 3数据处理 图4 4 设计原理图 将传感器与计算机进行通讯，选用与被测物表面相同特性的表面作为标准面， 将已知位移与原始数据建立一一对应关系，制成插值表存储到计算机中。在测量 时，计算机发出采样命令后，传感器将数据传回到计算机，对应插值表进行线性 插值后得到位移数据，这种数据处理方法克服了三角法传感器的非线性影响。 基于以上设计制作的激光位移传感器实物如图4 5 所示，内部结构布局中将电 路部分与光路部分分离开，避免可能对光路造成的干扰。电路部分用绝缘基座固 定，避免接触铝制外壳从而消除外界因素对电信号的干扰。 4 3 实验结果与分析 4 3 1实验设计 图4 5 传感器实物图 为了验证这种采用图像前沿作为被测点的三角法激光位移传感器比传统的采 2 1 光学平台2 步进电机及平移台3 激光位移传感器4 计算机 图4 6 实验系统平台示意图 步 进 电 机 被 测 表 面 图4 7 实验装置图 用图像中心作为被测点的传感器更能适应被测表面的变化，专门制造了一个其它 条件一样，仅激光光强较弱，而且信号处理时采用传统的二值化求图像中心法的 传感器。实验时将两个传感器上下重叠固定在一起，两束激光的出射方向基本平 行，这样被侧面的位移对于两个传感器来说可以认为是一样的。选用铁锈面、黑 色表面和光亮金属表面这三种有代表性的表面分别作为被测面，其中黑色表面 的散射光强最弱，铁锈面中等，而光亮金属表面最强。 4 3 2实验步骤 1 、先对两个传感器都采用铁锈面进行标定，表面随电动平移台每移动o 5 m m 读取像素值，形成插值表。 2 、首先采用铁锈面作为被测面，被测面每移动4 m m 时轮流启动一个传感器 传感器 读取像素值，插值后形成位移值，此时另一个传感器关闭。走完全量程后， 保存这两组数据。 3 、依次使用剩余的两组被测面进行测试，保存其数据。将得到的位移值同实 际位移值进行比较，得到图4 8 被测试的传感器的误差曲线和图4 9 用来 做对比的传感器误差血线。 4 8 c c d 信号过饱和取前沿激光位移传感器不同表面测量误差曲线 4 9c c d 信号未饱和取中心激光位移传感器不同表面测量误差曲线 4 3 3结果与分析 表4 2 测量数据 一= 喜芝 最大值最小值测量精度 传感器类型 ( r a m )( 舭) ( m m ) 铁锈面( 标定面) 1 1 50 2 7 3士o 7 2 饱和信号前沿触发黑色表面0 4 5 81 5 5 士1 光亮金属表面 1 1 6 71 4 5士1 3 1 传感器在多种特性表面测量 士1 5 铁锈面( 标定面) 1 7 50 1 0 7士o 9 3 未饱和信号二值化黑色表面 3 3 7 5o 5 4 2士1 4 2 光亮金属表面 2 5 6 27 2 5士2 3 4 传感器在多种特性表面测量 士6 从图4 9 和表4 2 中可以看出，采用未饱和信号二值化的激光位移传感器的测 量数据中，铁锈面的误差较小；黑色表面的误差稍大于铁锈面，同时在位移较小 时没有数据；光亮金属表面的误差急剧增加，整体往一侧偏离。通过数字示波器 对信号的实时监测发现：对应于铁锈面，成在c c d 上的像类似于图4 1 中的图b ， 黑色表面类似图a ，光亮金属表面类似图d 。用铁锈面测试时，影响其误差的最大 的原因在于图像的毛刺和多峰。而黑色表面由于信号很弱，毛刺和多峰现象对其 的影响更大。而且一旦信号强度弱于固定阈值时，传感器将检测不到被测物的位 移。光亮金属表面的散射光强过强，使得图像周围尤其是信号后沿位置的c c d 像 元也有信号输出，图像已不对应于被测物表面上实际的光斑，此时用取图像中心 的方法求出的位移值已大大失真。 而对于采用饱和信号前沿触发技术的激光位移传感器，测量数据如图4 8 和表 4 2 ，三个被测面的误差都很小，在1 5 m m 内，且每个被测面都有数据。通过数 字示波器对信号的实时监测发现：由于信号强度相对较大，即使对于黑色表面， 依然可以达到图4 1 中图c 的信号强度，不会出现传感器检测不到信号的现象。虽 然对于铁锈面和光亮金属表面来说，c c d 上的图像展宽比较明显，但从前面的分 析可知，图像的后沿变化较大，而前沿基本稳定。所以在光强过饱和情况下利用 图像的前沿来计算位移时，能保证对绝大部分粗糙表面都能精确地进行位移测量。 韭塞銮通盔堂亟堂焦监塞基王塑塑信曼赶超地蕉鳆邀堂鱼整佳壁墨遮盐量塞丑 4 4 结论 基于饱和信号前沿触发设计的三角法激光位移传感器能实现对不同被测表面 的自适应，大大降低了由于表面特性不一致导致的误差和失真，从而扩大了这种 传感器的应用范围。相比于反馈调节激光器光强来适应不同被测表面的方法【l ”， 这种方法结构简单，响应速度快。即使同传统方法中用最简单的二值化求中心法 设计的传感器相比，也没有增加任何软硬件开销，反而在信号处理时更加简单。 基于饱和信号前沿触发设计的三角法激光位移传感器目前已经应用在便携式 轨检仪的样机中用来测量铁路轨道的轨距等参数，并且已跟随便携式轨检仪测试 了数十公里的铁轨。应用证明，在铁轨表面特性严重不一致，而且经常存在油污、 灰尘和飞边等恶劣条件下，该种传感器的读数稳定性很好，绝大部分的数据都小 于4 - l m m 的