利用光电池进行激光三角法测距

利用光电池进行激光三角法测距张琬祺（20142301038），苏秀崖，王美凤（华南师范大学物理与电信工程学院，广东广州 510006）摘要：利用光电池对于不同强度的光转换成不同的电信号的特性以及光反射的原理，进行近距离精密测距实验。物体的移动导致光反射点的位置的改变，通过光电池接收光的强度确定光反射点的改变位置。当入射角确定时，光电池的移动距离和物体移动的距离存在一定关系。关键词：光电池，三角法，近距离精密测距Using photovoltsic cell laser triangulation ranging（Zhang wan-qi Su xiu-ya Wang mei-feng）(1. School of physics and communication engineering , South China Normal University, Guangzhou 510006, China)Abstract: Using photovoltsic cell for different intensity of light into different characteristics of the electrical signals and the principle of light reflection, precision ranging from close range to experiment on.Moving the position of the light reflection point of the object changes, through cell receives light intensity determine the change of light reflection point position.When the incident Angle to determine cell moving distance and moving object distance there is a certain relationship.Key words：photovoltaic cell,trigonometry,precision ranging from close range1、 引言 激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明，被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”。激光应用很广泛，主要有激光打标、激光焊接、激光切割、激光光谱、激光测距、激光雷达、激光武器、激光唱片、激光指示器、激光矫视、激光美容、激光灭蚊器等等。 该实验探讨的就是激光最重要的应用之一激光测距。激光具有方向性好、单色性好、亮度高等特点，因此用它们作为测距的发射源有许多优势，比如测量速度快、精度高、测距远等。其中氦氖激光器是研制成功的第一种气体激光器，因为其制造方便、成本较低、可靠而常常应用于实验室中。激光测距传感器就是利用激光非接触地测量待测物体的距离、位移和振动的装置。 目前激光测距主要有脉冲测距、相位测距、激光干涉法测距、激光三角法测距等。通过本次实验，我们将基本掌握激光三角法测距，并能利用激光进行近距离精密测距。2、 实验原理1、 光电池 光电池是一种在光的照射下产生电动势的半导体元件，用于光电转换、光电探测以及光能利用等方面。这种特殊的半导体二极管，能把可见光转化为电信号，在连接示波器可在观察到不同强度的光显示出不同的波形。（图为光电池粘贴在读数显微镜上）2、激光三角法测距基本原理 在被测物体表面上方，用一束激光以一定的角度照射，激光在物体表面发生散射或者反射，在另一角度这些散射或者反射的光将成像。当被测物体的位置发生变化，被测物体上激光照射所形成的光斑的位置也会发生变化。激光的出射光线和反射（散射）光线构成一个三角形，对于光斑的计算，几何三角和激光器都运用其中。所以这种测距方法叫做激光三角法测距。这种测量方法的特点是简便、精度高、适合测量微小位移。 激光三角法测距分为直射式测量和斜射式测量。 直射式测量接收平面接收的光较少，不能测量反射性很好的物体表面。斜射式测量不用限制物体表面反射率，只要物体表面平整即可。并且不要求入射角为0，本次实验中考虑到减少测量误差，我们选用的是改良版的斜射式测量。如图1所示：根据几何三角的关系 （1）也可以算出入射角： （2）3、 实验装置和实验步骤1、 实验仪器 氦氖激光器；示波器；显微镜；平面反射镜；光具座；升降台；光电池2、 实验步骤（1） 待测物体选用平面镜，可以简化实验的光路图。按照以下光路图搭建光路，连接好光电池和示波器；（2） 调节各个仪器等高共轴。具体操作：在光电池的位置放置一张白纸，由平面镜反射回来的光点会在纸上面显示，前后移动平面镜，光点会在纸上移动。若光点的移动轨迹为一条直线，则判断各仪器等高共轴，若光点的移动轨迹为倾斜，则判断未等高共轴，必须重新调整平面镜的位置；(3) 打开激光器，会看到平面镜上反射激光，通过读数显微镜调整旋钮来调节光电池的位置。让光点刚好被光电池的中心接收。当光点正好射在光电池中心上，示波器显示的波形如下图而当光点没有在光电池中心时，示波器的波形明显下降（4） 记下此时平面镜子在光具座的位置d1，光电池的位置x1（5） 移动平面镜的位置，每次向前移动0.5cm，记下平面镜的位置d2，移动光电池，使示波器出现波形，记下此时光电池的位置x2；（6） 重复以上步骤，收集10次左右的数据；（7） 画出X-D图，看是否成一条直线，并求出斜率k，并验证公式4、 实验数据处理与分析1、数据处理本次实验测得的平面镜的D和光电池位置X的数据如下表1d/cm75.0075.5076.0076.5077.0077.5078.0078.5079.0080.00x/mm5.1787.4969.62312.04214.35016.37418.58121.30923.31228.870根据表1可画出d-x图，如下图所示由d-x图选A点（12.000，76.50）和B点（21.000，78.50）求得直线AB的斜率k由公式(2)可以算的激光入射角再一次测量：当平面镜的位置d从75.00cm移动到76.00cm，光斑移动的距离从5.178mm移动到9.623。即 d=1cm x=4.493mm根据公式（1）计算理想值d相对误差为E=2、 误差分析（1）激光器产生的反射光斑较大，而光电池的接收小孔较小，因此，示波器显示的波形会在光电池移动的微小位移范围内处于最大值，这会使测量接收位置x出现较大误差。（2）不能定量地判断示波器显示的波形幅度为最大，只有当其幅度出现降低时才能判断前一时刻其幅度最大，而此时光电池的位置与激光的出射位置相差一定值。但由于读数显微镜存在空程误差，故不能将光电池移回到示波器波形幅度最大值处，因会造成实验误差。5、 总结 通过本次实验，我们基本掌握了激光三角法测距。将激光运用到测量距离中，进行非接触式测距。该方法精确度较高、便携、容易操作。此外，我们也大致了解激光测距的几种方法并且知道这几种方法各自的优缺点。 在本次实验中，我们将待测物体选用平面镜，如若运用到普通表面平整的物体测量位移，则需要在激光发射器和接收器光电池前加入光学系统将光线汇聚成像。还可以选用psd或者ccd代替光电池作为接收器提高测量距离的精确度。激光三角法测距可运用于机器人的距离判断中。6、 参考文献1钟锡华编著.现代光学基础M.北京：北京大学出版社.2012.2徐俊峰.激光三角法测距系统D.长春理工大学硕士学位论文.2012.33吴寅虎.基于PSD器件的脉冲激光三角法测距系统设计D.数字技术与应用期刊.2014.14苏煜伟.激光三角法精密测距系统研究D.西安工业大学硕士学位论文.2013.45陈中儒.光电传感器光电池J.科技资讯,2008,06附件：实验心得 这是大学实验中第一次抛开实验讲义，由自己去设计一个完整的物理实验，一路也有许多挑战。团队合作开题时，刚开始遇到了一些困难，第一次找的实验题目过于常规而被刷掉，重新选题。第二个题目实验方案通过之后，发现实验器材成本过高，又转战选择其他的实验器材代替。搭建光路的时候也遇到了很多问题，刚开始采集数据的时候误差太大而一直分析原因。所幸，最后的实验还是完成了预期的设想。 从这次综合设计实验中，我最大的收获之一就是要和队友做好沟通，当遇到问题的时候要大胆说出自己的想法和观点，不能各自闭门造车。有些问题只要沟通好理解好对方的想法是很容易解决的。遇到问题，除了