激光三角法测量物体位移

课程设计（论文）说明书题 目： 激光三角法测量物体位移 学 院: 电子工程与自动化学院 专 业： 光信息科学与技术 学生姓名： 学 号： 指导教师： 2014年1月5日摘 要本文介绍了单点式光学三角法测量物体位移的两种结构一直射式与斜射式，对两种结构的测量原理进行了分析并对其各自的特点进行了阐述。以半导体激光器作为光源， CCD 作为光电探测器件，采用直射式结构设计了一种光电位移传感器。为了提高测量精度，简化计算过程，该课题通过设定一个基准点与实际测量点进行比较得出像点的位移图像,在用软件处理后计算出实际位移。后面对实验误差进行分析和方案进行评价。关键字：三角法测距；CCD图像传感器；激光；光斑。引 言 激光三角法位移测量的原理是，用一束激光以某一角度聚焦在被测物体表面，然后从另一角度对物体表面上的激光光斑进行成像，物体表面激光照射点的位置高度不同，所接受散射或反射光线的角度也不同，用CCD光电探测器测出光斑像的位置，就可以计算出主光线的角度，从而计算出物体表面激光照射点的位置高度。当物体沿激光线方向发生移动时，测量结果就将发生改变，从而实现用激光测量物体的位移。过去，由于成本和体积等问题的限制，其应用未能普及。随着近年来电子技术的飞速发展，特别是半导体激光器和CCD等图象探测用电子芯片的发展，激光三角侧距器在性能改进的同时，体积不断缩小，成本不断降低，正逐步从研究走向实际应用，从实验室走向实际。用于测量从传感器至目标之间直线距离的激光三角测量传感器已经使用了十多年了，由于数字电子器件和大功率数字信号处理器（DSP）的结合使得激光不再对目标颜色、纹理和周围环境以及环境光线和温度变化那么敏感了，激光三角测量技术方法已经得到了发展。目 录引 言11课程设计目的：32 设计内容33 设计要求34 方案论证和选择44.1 直射式激光三角法原理44.2斜射式激光三角法原理54.3直射三角法改进一64.4 直射式改进方法二75 仪器及元件的选择86 偏振图像采集86.1.1实验光路图86.1.2 测量物体位移步骤：96.2 定标：96.3测量焦距107实验结果与分析107.1.1 定标数据107.1.2焦距f的测定数据及处理117.2b的测量数据及处理117.3 物体位移数据：118 实验评价138.1 误差分析：138.2方案评价149. 课设总结1410. 参考文献15附件一：实验仪器15附件二：实验采集图像16附件三：实验程序18附件四：实验光路图201 课程设计目的：(1) 学习并掌握激光三角法测距的基本原理和方法；（2）锻炼学生的自主学习和动手能力；（3）扎实基础，提升能力。2 设计内容（1） 完成测量光路；（2） 完成测量光路的搭建及物体位移的测量；（3） 分析测量精度；3 设计要求（1） 掌握激光三角法的测量原理；（2） 掌握 CCD 的工作原理与数据处理；（3） 掌握精度计算方法；4 方案论证和选择4.1 直射式激光三角法原理直射式三角法测量物体位移的基本原理如图 1 所示，半导体激光器（ LD ）发出的光束经会聚透镜垂直投射并聚焦到被测物体表面上形成一个光斑，由于物体表面有一定程度的粗糙，这个光斑在物体表面上发生漫反射，其中一部分散射光经过接收透镜成像于 CCD 上，如果被测物体发生微小的位移或者表面高低发生变化，那么物体表面上的光点将沿着激光束的向产生微小的移动，从而光电探测器件 CCD 上的像点也会相应随之移动，通过后续处理电路及计算公式就可求出物体产生的位移。 若像点在 CCD 上移动的距离为 N, 被测物体表面移动的距离为M,由三角形相似： 整理后有：式中，l 为激光束光轴的交点到接受透镜前主面的距离；l为接收透镜后主面到成像面中心点的距离； 为激光束光轴与接收透镜光轴之间的夹角 。图1为直射式三角法测量物体位4.2斜射式激光三角法原理斜射式三角法测量物体位移基本原理如图 2 ，半导体激光器 LD 发出的光束经衰减片和被测物体表面的法线成一定角度入射到被测物体表面上，接收透镜接收光图 2 斜入射式三角测量原理图点在被测物体表面的散射光，像点在 CCD 上移动距离为 N ，则被测物体表面沿法线方向的移动距离为M,有：整理后有： （2-4）式中， 为激光束光轴和被测物体表面法线的夹角；为接收透镜光轴和被测面法线的夹角。在上述的三角法测量原理钟,要计算被测面的位移量,还有相应的距离,测量数据多,影响系统的测量精确度,在实际应用中,可以使用另一种表述方式,下面我们来讨论下该方式.4.3 直射三角法改进一z = btan tan= f/x被测距离为 z = bf/x式中，b为激光器光轴与接收透镜光轴之间的距离；f为接收透镜焦距；x为接收光点到透镜光轴的距离。其中，b和f均已知，只要测出x的值，就可以求出距离z。只要高准确度地标定b和f值，就可以保证一定的测试不确定度。如图3所示：bCCDf图3 直射式改进一但是，此方案中图像只有一个光斑，没有作为基准的参考点，不利于观察和测量，所以提出了直射式改进二方案。4.4 直射式改进方法二z = btan tan= f/被测距离为 z = bf/()式中，b为激光器光轴与接收透镜光轴之间的距离；f为接收透镜焦距；x为接收光点到透镜光轴的距离。在直射式改进方案一中，从物体侧加入一束激光，使初始的两束光重合入射到CCD上，在图像中成同一个光斑。然后移动物体发生位移即可测量。 激光器激光zCCDfb图4.3 直射式改进二方案选择：综上所述，三种方案各有优缺点，可根据测量条件的不同采用不同的方法，考虑到斜射法中入射光光点照射在物体表面不同的点上，无法知道被测物体表面某点的位移情况；并且光斑较大，体积也大；需要测量的量较多，增加误差。又由直射式可以获得体积小且光强集中的光斑，受被测物体表面的光斑受到被测物体表面特性影响小 ，同时因为有一个参考光斑，这样更便于观察被测点的位移情况，所以初步选择直射式改进二的三角测距原理来搭建光路。 5 仪器及元件的选择所 选 器件有：手电筒 ，半导体激光器 、被测物、 带刻度的三角板 、 衰减片 、 透镜、卷尺、 计算机、支架 光具座 等。（ 1 ）光源的选择： 半导体激光器，它具有超小型，重量轻，效率高和发射激光的高的连续性和可见性等优点 ；（ 2 ）被测物的选择：选择反射效果较好的物体；（ 3 ） 三角板 ： 用于定标；（ 4 ） 衰减片 ： 衰减激光光束，使其在被测物体表面形成较小的光斑；（ 5 ）透镜： 对光线进行会聚 ；( 6 ) CCD 成像器件：用 于 图像采集；（ 7 ） 卷尺 ： 测量距离；（ 8 ）计算机：主要用于 对采集图像 图像用 MATLAB 编程进行数据处理。6 偏振图像采集6.1.1实验光路图激光器白屏CCD分束镜a反射镜分束镜b121,2 激光发出后，经过分束镜a分成1光束和2光束；1光束经过白屏后散射，被CCD接收到，2光束经过反射镜反射到分束镜b,再反射到CCD上，调整使两束光在CCD上重合。6.1.2 测量物体位移步骤： 1. 按照光路图摆设好光路；2. 调节CCD和透镜，使在电脑上成像清晰；3. 打开激光器，调节分束镜和反射镜，使第二个束激光入射到CCD，让两个激光点重合；保存此时的图像；4. 调整白屏，使其移动5mm,保存此时的图像；5. 重复步骤4，记录多组数据；6. 测量b,f等相关数据；7. 拆分光路，整理好仪器，为定标做准备。6.2 定标：按照 图6.2 搭建光路，调节各支架旋钮使直尺刻度、透镜中心，CCD 接收屏中心在同一条水平线上，保持透镜和直尺之间的距离足够远，打开计算机图像采集软件，用手电筒将光打到直尺刻度线上，使从电脑上观察到的图像较亮，缓慢移动透镜和直尺支架，使直尺刻度经过透镜所成的像经CCD 采集后在屏幕上显示的图像最清晰，采集定标图像并记下此时直尺的位置。CCD直尺透镜图6.2 定标测量图6.3 测量焦距（1） 按照图6.2搭建光路，调节透镜与CCD以及物体的位置，直到看到成像最清晰为止；（2） 多次测量物距与像距，记录数据；（3） 根据物像关系求出透镜焦距，并求出平均值作为实际透镜焦距。7 实验结果与分析7.1.1 定标数据刻度/cm0.51.01.52.02.5像素坐标129265396530665坐标间隔136131134135-由表得出像素坐标间隔平均值：d=134=0.5/d=0.0037由于图像经CCD被放大，放大倍率：=10.48/61.70=0.1699所以每个像素对应的长度：=0.00063cm/像素。 采集的图像如图7.1所示： 图7.1(a)为直尺的灰度图像 图7.1（b）为直尺对应的二值图 7.1.2焦距f的测定数据及处理表7.1.2 焦距f的数据组别 12345/cm75.4067.8063.1062.1661.90/cm10.1910.3010.4710.5110.45f/cm8.988.948.988.998.93计算平均值得透镜焦距：f=8.96cm 当=10.48cm时，由 （7 -2）得 =61.70cm 7.2 b的测量数据及处理b/cm15.5515.6315.7816.1016.05平均值=15.827.3 物体位移数据：1.运用Matlab软件对采集到的图像进行处理，算出相应的所在像素坐标（见附件二）；2.根据运行结果求出两光斑中心像素坐标，两坐标相减得两光斑中心间的像素；3.利用公式 （7-3）其中和的值在定标时测得，=10.48，=61.70，将单位像素的实际距离、以及代入就可求出像的实际位移。同理：将物体位移分别为0.5cm、1cm、1.5cm、-0.5cm、-1cm、-1.5cm时对应像的实际位移求出。相关数据如表7.3.1所示： 表7.3.1 物体移动距离及其对应光斑像素坐标物体实际位移/cm00.51.0-0.5-1.01.5-1.5参考光斑像素坐标434.5434.5434.5434.5434.5434.5434.5测量光斑像素坐标435.5401367.5467.5501333.0532.5两光斑间像素值/个033.5673366.5101.598像点的实际位移/cm00.003590.07170.03530.07120.10860.10493.再根据实验原理可得出物体实际距离的计算公式，即 ，其中=15.82cm,f=8.96cm，将像点实际位移代入公式，即可求得物点的距离，结果如下：表7.3.2物体实验位移与实际位移数据处理结果物体实际位移/cm00.51.01.5-0.5-1-1.5物点坐标/cm00.50891.0161.539-0.5004-1.009-1.487物点位移量/cm-0.50890.50890.5230.50040.50860.478绝对误差/cm-0.00890.0160.0390.0040.0090.022相对误差-1.78%1.60%2.60%0.80%0.90%1.47%由表7.3.2和表7.3.3可以看出，物体实验位移的和实际位移基本一致，误差都在3%一下，满足实验的要求；在距离参考点越近，误差越少，偏离则反之；物体向负方向（即向左）移动，误差比向正方向（即向右）要小；8 实验评价8.1 误差分析：（1）外界因素：定标时我们用手电筒进行照明，由于手电筒的光束实际上并不够理想，加上电筒的晃动，打到直尺上的光亮度不均匀，得到的定标图像不理想。（2）视觉因素：我们认为所采集到的图像是“最清晰”实际上也许往往不是最清晰地，我们认为的平行实际上也不一定平行，视觉误差是人为因素所造成的误差之一。（3）操作原因：由于实验原理采用了较为理想化的条件，要求严格平行，但实际操作过程中调整各个仪器时可能达不到完全的水平和等高。（4）仪器误差：接收透镜本身存在各种像差，激光器的输出不稳定，导致测量的数据跳跃，不准确，使得记录的数据与实际数据存在误差。被测物体、光源等上面的飞尘、污点对实验结果也会造成一定影响。（5）设计因素：光路设计采用理想化条件即激光器和透镜所在直线与被测物体表面所在直线严格平行，CCD 与透镜平面严格平行，实际中不一定能达到，通过多次用卷尺测量距离来计算角度，误差会被积累。8.2 方案评价该实验方案采用直射式激光三角法测量物体位移，光路原理较为简单，采用LD 激光器作为光源，体积小，光束效果好，在实际使用中更具有普遍性，用CCD 进行图像采集，精度高，数据结果用MATLAB 处理，方便简单。而且在图4.3中，b和f均已知，只要测出x的值即可求出距离z。只要高准确度地标定b和f值，就可以保证一定的测试部确定度。在改进二中，加入了一个参考点，使观察物体位移情况更加清晰明了。对于数据处理也简化了很多。9. 课设总结在这次课程设计过程中，通过对激光三角法测量物体位移的基本原理和直射式测量物体位移的基本操作了解和分析，提出了直射式有参考点的方案，而测量结果的误差在允许范围之内，深刻体会到激光三角法在距离测量领域的广泛应用性。本次课设，不仅巩固了大学所学的知识，拓宽自己的知识面，还提高了自己的分析能力和动手能力。在课设中遇到了很多困难，即使是原理很简单的实验，实际操作时仍会受到各种因素的影响，激光不平行，CCD采集不够精确等等，都会使得后期计算光斑距离不准确等。所以在定方案和实验过程中，要把各种影响因素都要考虑进去，找出相应的减小影响的方法。而数据后期数据处理过程有一些繁琐，计算量很大，加上时间紧迫，非常考验耐心和毅力。总之，本次课程设计收获很多，对以后的工作有很大帮助，做事要用心，耐心，多参考一些文献，结合自己的理解与分析，做出更好的选择。10. 参考文献1 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