基于激光三角法測量物體位移演示實驗系統(tǒng)的研制

楊辰珺+張衛(wèi)國

摘要：在激光三角法理論基礎(chǔ)上，研制了測量物體位移的中學(xué)生演示實驗測量系統(tǒng)，該裝置采用線陣CCD作為光探測器，具有人機交互友好、結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單以及易于演示觀察等優(yōu)點，能夠?qū)崿F(xiàn)對物體位移進行快速準確的演示測量。

關(guān)鍵詞：激光三角法；位移測量；演示實驗

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)位移測量方法相比，具有測量精度高、誤差小、操作簡單穩(wěn)定等優(yōu)點，因而在微位移測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量物體位移演示實驗系統(tǒng)，演示能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的整體組裝設(shè)計和位移測量結(jié)果的實時顯示。通過該系統(tǒng)，中學(xué)生可了解線陣CCD探測器工作原理及利用實驗設(shè)備進行驗證性實驗等。

二、激光三角法測量原理與實驗裝置

激光三角法按測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單、安裝調(diào)試方便的特點，因此本系統(tǒng)最終采用直射式激光三角法的設(shè)計方案。

直射式激光三角法屬于主動視覺測量方法，當物體發(fā)生位移時，激光器投射到物體上面的光斑也會隨之發(fā)生移動，因而導(dǎo)致光斑漫發(fā)射到CCD探測器上的像光斑產(chǎn)生位移，由此可以進行標定，得到標定曲線，從而確定物體移動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。

在實際設(shè)計幾何光路時，為盡可能減小誤差，需要在CCD探測器上得到一個清晰的像。當測量光路滿足Scheimpflug條件時，可在CCD探測器上得到一個清晰的像。

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陣CCD探測器接收光斑位移之間的關(guān)系為：

實驗系統(tǒng)主要有激光器、水平位移平臺及控制系統(tǒng)、CCD信號采集系統(tǒng)和計算機顯示。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，通過運動控制器控制步進電機的轉(zhuǎn)動，從而使水平位移平臺發(fā)生移動，從運動控制器上可得到移動的位移。圖4為位移平臺控制界面。

三、實驗數(shù)據(jù)處理

信號采集得到的是線陣CCD上像素的灰度值，并不能直接得到光斑中心位置，需對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理。由于噪聲信號與有用信號同時存在，采集到的圖像中會包含噪聲，則需先處理噪聲問題。在經(jīng)過濾波降噪處理后的圖像是一條散點連成的曲線，需要進行光斑定位分析，最終得到的光斑位置才是需要的結(jié)果。

針對本系統(tǒng)中有用信號主要為低頻信號或比較平穩(wěn)的信號，而噪聲主要是高頻信號，則可采用加低通濾波器的方法來濾去高頻噪聲。對于基于激光三角法物體位移測量而言，噪聲信號主要為高斯噪聲，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)處理的簡便計算方法。由于二值化法與質(zhì)心法相比較具有原理簡單、信號處理迅速以及可實時測量等優(yōu)點，因此本系統(tǒng)采用二值化法進行光斑中心定位。

CCD采集得到的信號經(jīng)過濾波以及光斑中心定位處理后即可得到實驗測量數(shù)據(jù)見表1，物體位移與CCD像素之間的散點圖如圖6（a）所示。

對測得的y與x之間的關(guān)系進行了二次擬合，最終得到的擬合曲線和擬合式分別為圖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，說明模型對數(shù)據(jù)擬合很好。從實驗結(jié)果可以看出，線陣CCD在靠近邊緣的位置會出現(xiàn)較大的非線性，而在中心區(qū)域具有很好的線性輸出關(guān)系。

四、結(jié)束語

本文對激光三角法測位移工作原理、圖像濾波以及光斑中心定位原理進行了研究，在此基礎(chǔ)上研制開發(fā)了基于激光三角法的物體位移測量裝置.該實驗裝置圍繞線陣CCD能夠完成驗證性、設(shè)計性等多方面實驗內(nèi)容。利用該裝置進行了實驗數(shù)據(jù)測量，測量結(jié)果線性度好、靈敏度高、可重復(fù)性好，能夠?qū)崿F(xiàn)對物體位移的非接觸性測量。endprint