基于激光三角法測(cè)量物體位移演示實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研制

楊辰珺+張衛(wèi)國(guó)

摘要：在激光三角法理論基礎(chǔ)上，研制了測(cè)量物體位移的中學(xué)生演示實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)，該裝置采用線(xiàn)陣CCD作為光探測(cè)器，具有人機(jī)交互友好、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單以及易于演示觀(guān)察等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)物體位移進(jìn)行快速準(zhǔn)確的演示測(cè)量。

關(guān)鍵詞：激光三角法；位移測(cè)量；演示實(shí)驗(yàn)

一、引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，光電技術(shù)的應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣泛，其中激光三角法作為光電技術(shù)的重要研究領(lǐng)域，與傳統(tǒng)位移測(cè)量方法相比，具有測(cè)量精度高、誤差小、操作簡(jiǎn)單穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，因而在微位移測(cè)量方面得到了普遍應(yīng)用。據(jù)此研制了基于激光三角法測(cè)量物體位移演示實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，演示能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的整體組裝設(shè)計(jì)和位移測(cè)量結(jié)果的實(shí)時(shí)顯示。通過(guò)該系統(tǒng)，中學(xué)生可了解線(xiàn)陣CCD探測(cè)器工作原理及利用實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)等。

二、激光三角法測(cè)量原理與實(shí)驗(yàn)裝置

激光三角法按測(cè)量原理的不同可分為直射式激光三角法和斜射式激光三角法，其中直射式三角法相比較斜射式激光三角法具有幾何算法簡(jiǎn)單、安裝調(diào)試方便的特點(diǎn)，因此本系統(tǒng)最終采用直射式激光三角法的設(shè)計(jì)方案。

直射式激光三角法屬于主動(dòng)視覺(jué)測(cè)量方法，當(dāng)物體發(fā)生位移時(shí)，激光器投射到物體上面的光斑也會(huì)隨之發(fā)生移動(dòng)，因而導(dǎo)致光斑漫發(fā)射到CCD探測(cè)器上的像光斑產(chǎn)生位移，由此可以進(jìn)行標(biāo)定，得到標(biāo)定曲線(xiàn)，從而確定物體移動(dòng)距離與所成像位移之間的關(guān)系。直射式激光三角法工作原理圖如圖1所示。

在實(shí)際設(shè)計(jì)幾何光路時(shí)，為盡可能減小誤差，需要在CCD探測(cè)器上得到一個(gè)清晰的像。當(dāng)測(cè)量光路滿(mǎn)足Scheimpflug條件時(shí)，可在CCD探測(cè)器上得到一個(gè)清晰的像。

根據(jù)高斯成像公式以及幾何光學(xué)關(guān)系可得出物體位移與線(xiàn)陣CCD探測(cè)器接收光斑位移之間的關(guān)系為：

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要有激光器、水平位移平臺(tái)及控制系統(tǒng)、CCD信號(hào)采集系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)顯示。系統(tǒng)要求激光器產(chǎn)生的光斑亮度高，光斑小。半導(dǎo)體激光器實(shí)物圖以及光斑圖像如圖2所示。

演示裝置整體結(jié)構(gòu)如圖3所示，通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制器控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使水平位移平臺(tái)發(fā)生移動(dòng)，從運(yùn)動(dòng)控制器上可得到移動(dòng)的位移。圖4為位移平臺(tái)控制界面。

三、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

信號(hào)采集得到的是線(xiàn)陣CCD上像素的灰度值，并不能直接得到光斑中心位置，需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。由于噪聲信號(hào)與有用信號(hào)同時(shí)存在，采集到的圖像中會(huì)包含噪聲，則需先處理噪聲問(wèn)題。在經(jīng)過(guò)濾波降噪處理后的圖像是一條散點(diǎn)連成的曲線(xiàn)，需要進(jìn)行光斑定位分析，最終得到的光斑位置才是需要的結(jié)果。

針對(duì)本系統(tǒng)中有用信號(hào)主要為低頻信號(hào)或比較平穩(wěn)的信號(hào)，而噪聲主要是高頻信號(hào)，則可采用加低通濾波器的方法來(lái)濾去高頻噪聲。對(duì)于基于激光三角法物體位移測(cè)量而言，噪聲信號(hào)主要為高斯噪聲，而采用均值濾波能夠很好地抑制高斯噪聲。因此系統(tǒng)最終采用先進(jìn)行均值濾波，然后再使用Butterworth濾波器濾波的方案，濾波前后波形對(duì)比如圖5所示。

光斑定位方法主要包含質(zhì)心法以及二值化法，二值化法是一種先將灰度圖像轉(zhuǎn)化為二值圖像、然后采取后續(xù)處理的簡(jiǎn)便計(jì)算方法。由于二值化法與質(zhì)心法相比較具有原理簡(jiǎn)單、信號(hào)處理迅速以及可實(shí)時(shí)測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，因此本系統(tǒng)采用二值化法進(jìn)行光斑中心定位。

CCD采集得到的信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波以及光斑中心定位處理后即可得到實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，物體位移與CCD像素之間的散點(diǎn)圖如圖6（a）所示。

對(duì)測(cè)得的y與x之間的關(guān)系進(jìn)行了二次擬合，最終得到的擬合曲線(xiàn)和擬合式分別為圖6（b）和式（2）所示。

確定系數(shù)為0.9999和校正確定系數(shù)為0.9999均接近于1，說(shuō)明模型對(duì)數(shù)據(jù)擬合很好。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，線(xiàn)陣CCD在靠近邊緣的位置會(huì)出現(xiàn)較大的非線(xiàn)性，而在中心區(qū)域具有很好的線(xiàn)性輸出關(guān)系。

四、結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)激光三角法測(cè)位移工作原理、圖像濾波以及光斑中心定位原理進(jìn)行了研究，在此基礎(chǔ)上研制開(kāi)發(fā)了基于激光三角法的物體位移測(cè)量裝置.該實(shí)驗(yàn)裝置圍繞線(xiàn)陣CCD能夠完成驗(yàn)證性、設(shè)計(jì)性等多方面實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。利用該裝置進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量，測(cè)量結(jié)果線(xiàn)性度好、靈敏度高、可重復(fù)性好，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)物體位移的非接觸性測(cè)量。endprint