微位移的直射式激光三角法精密測量*

范　源，吳慎將，郝冬杰

(西安工業(yè)大學(xué) 光電工程學(xué)院， 西安 710021)

非接觸式、數(shù)字式和響應(yīng)靈敏的現(xiàn)代化激光三角測距法被廣泛的應(yīng)用在測量行業(yè)中[1].三角法測距是指在被測物體表面上方，在一定的角度方向上用一束激光來發(fā)射，激光在物體表面發(fā)生反射或者散射[2]；在另一個角度用成像系統(tǒng)來接收反射或散射光，最后匯聚在屏幕上成像，照射在被測物體表面上的激光產(chǎn)生的光斑位置一旦發(fā)生改變，光反射或散射的角度也會隨之改變[3].但隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，對微小位移檢測的要求越來越高，高精度、小型化和智能化成為三角測距的發(fā)展方向[4-5].文獻(xiàn)[6-8]比較了幾種常用的充分利用光斑附近眾多信息的線陣(Charge Coupled Device，CCD)亞像素細(xì)分算法，并通過對采集的光斑圖像進行離線分析和處理,對這些算法做了分析、比較和改進，找到了一種精度較高且便于硬件實現(xiàn)的相對最優(yōu)的算法——倍頻插值的灰度質(zhì)心算法，顯著地提高了系統(tǒng)的定位精度和穩(wěn)定性，但是存在測距精度低，算法復(fù)雜，價格昂貴等問題.文獻(xiàn)[9-14]在測量微小位移的試驗中，使用了位置傳感器(Position Sensors Detector,PSD)，其原理是在位置傳感器上的光斑成像的位置發(fā)生移動，即當(dāng)被測物體沿激光方向發(fā)生移動時，PSD上受光面的光斑就會隨之移動，經(jīng)過上位機多次采集和處理，采用曲線擬合的方法找出光斑位移與物體實際距離的對應(yīng)關(guān)系，從而間接實現(xiàn)激光測距，為微小位移的測量提供了理論基礎(chǔ)[9-13].

本文基于直射式激光三角測距原理，采用半導(dǎo)體激光器(帶有準(zhǔn)直透鏡)和位置傳感器對微小位移進行非接觸測量，提出了微位移的曲線擬合插值測量法，對測距誤差進行分析和校正，實現(xiàn)了對微小位移的精確測量，以期為微小位移精密測試領(lǐng)域的研究工作提供技術(shù)參考.

1　直射式激光三角測距原理

直射式激光三角法光路圖如圖1所示.激光器發(fā)射的激光經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直出來的光束與法線成90°入射到被測物體表面，用成像透鏡接收被測物體的雜散光，經(jīng)濾光片，由PSD受光面接收采集.激光器發(fā)射光束垂直入射到測量面，反射光束BB′與激光入射光束夾角為α，PSD與水平夾角w=20°，激光器與PSD中心間距為p，激光照射到參考面位置點為A，參考面反射光照射到PSD上的位置為A′，PSD接收裝置與反射光束AA′的夾角為β，α和β需滿足三角法ScheimpfIug條件[14]，即在接收光學(xué)部分，α=41°；入射光到成像透鏡中心o點的距離AO即物距為L1=147.5 mm，光從透鏡垂直出射在PSD接收裝置上，OA′即像距和隨參考面移動距離L2為45 mm，光斑在PSD接收裝置上移動的實際距離為S，透鏡焦距為f=25 mm.激光照射到實際面位置B和實際面反射光照射到PSD上的位置為B′點，分別作反射光束A′A和AA′延長線的垂線，垂足分別為C和D，其中L為物體移動距離.

圖1　直射式激光三角光路圖

由相似三角形原理可知，

(1)

且B′D=S×sinβ；DA′=S×cosβ；BC=L×sinα；AC=L×cosα；AB=L，

由高斯成像公式[15]可得

(2)

式中:l為物距，且l=L1；l′為像距，且l′=L2；f為準(zhǔn)直透鏡焦距.

當(dāng)入射光在參考面上時，代入式(2)可得

將L2代入式(1)求得移動距離L，即,當(dāng)實際面在參考面下時,

(3)

當(dāng)實際面在參考面上時，

(4)

2　系統(tǒng)構(gòu)建

利用PSD接收光源信號得到兩路電流信號，引出經(jīng)過電流轉(zhuǎn)電壓電路(I/V轉(zhuǎn)換電路)，將采集的信號最終轉(zhuǎn)換為電壓信號，經(jīng)過放大電路，轉(zhuǎn)換后的兩路電壓信號通過濾波電路，濾除干擾信號和低頻部分，送入A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換電路二值化處理，上傳到單片機.單片機控制驅(qū)動顯示電路在LCD液晶顯示屏上顯示結(jié)果.信號處理放大電路采用三運放結(jié)構(gòu)的儀表放大器芯片AD822，它主要應(yīng)用于精確應(yīng)變測量，具有低漂移和高共模抑制比，既可單電源供電也可雙電源供電，雙電源供電電壓范圍為2.3～18 V，特別適合±10 V輸入電壓的應(yīng)用.采用STM32F103系列單片機12～36 V供電，最高工作頻率為72 MHz，2.0～3.6 V的電源供電和I/O輸入輸出接口的驅(qū)動電壓.3個12位的μs級A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器(16通道)，其測量范圍為0～3.6 V，具有雙采樣和保持能力，需要轉(zhuǎn)換電壓電路.

電路部分以STM32F103RCT6單片機為核心的控制電路，包括PSD驅(qū)動電路、信號處理電路和顯示電路，基本滿足系統(tǒng)測量精度和在線檢測的要求.系統(tǒng)電路框圖如圖2所示.

圖2　測距系統(tǒng)電路框圖

電路實現(xiàn)的功能如下：① 系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)距離測量與數(shù)據(jù)傳輸功能.② 在10～100 mm 距離范圍內(nèi)，測量不同距離.測量距離是指目標(biāo)與測量顯示發(fā)射模塊之間的直線距離.③ 結(jié)果數(shù)據(jù)通過光通信后顯示.

在底板上有激光器固定座、接收透鏡座和PSD傳感器支座.激光器固定座上固定激光器和準(zhǔn)直透鏡；接收透鏡座上固定濾光片和成像透鏡；PSD傳感器支座上固定PSD位置傳感器.當(dāng)入射光垂直入射到被測面時，L1tanα=L2tanβ，從而確定AL0650P2型尾纖型激光器、透鏡和PSD-X70型PSD的相對位置；成像透鏡選用雙膠合消色差透鏡，其焦距f′=25 mm，直徑為?10 mm，采用Z-MAX軟件校正球差、慧差等近軸向色差；確定系統(tǒng)所有模塊及元器件的型號和尺寸后，緊固零件統(tǒng)一用M3螺釘固定在底板上.

3　測試及分析

3.1　實驗數(shù)據(jù)的處理

ADC1_1和ADC1_2是采集的兩路電壓信號經(jīng)A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，測量10～100 mm距離，結(jié)果見表1.

表1　兩路信號散點分布

經(jīng)過實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)按照從PSD引出的兩路電流信號經(jīng)過I/V轉(zhuǎn)換電路變?yōu)殡妷盒盘柦?jīng)采集，所得數(shù)據(jù)按照式(5)進行近似處理得到PSD的電壓信號值S′，即可得到實際距離與程序算法處理之后電壓信號的曲線，S′的計算表達(dá)式為

(5)

由于激光三角法測距中PSD輸出信號經(jīng)上述處理后與實際距離的曲線是非線性的，因此，在計算物體實際距離采用折現(xiàn)法來逼近[16].x為理論距離，y為實際測量值，建立xoy直角坐標(biāo)系，在直角坐標(biāo)系中，將采集的兩路信號處理后的值分別與分割線段拐點值依次比較，找到對應(yīng)區(qū)間，利用直線線段代替曲線線段，從而得到在某一位置時所對應(yīng)的實際測量距離.例如，在直角坐標(biāo)系中，采集到的信號經(jīng)上述處理后的信號值S′落在橫坐標(biāo)的某一區(qū)域時，若落在被測理論距離x1和x2之間，y1和y2分別為對應(yīng)x1和x2的實際距離區(qū)間分割值，計算機處理后的電壓信號值S′經(jīng)過分割成y1和y2，x1和x2區(qū)域內(nèi)，將電壓信號值S′進行分割，對應(yīng)的待測物體測量距離值S為

(6)

其中x為理論距離.

本實驗數(shù)據(jù)處理后所得測距儀的10組數(shù)據(jù)測量結(jié)果與實際理論距離的關(guān)系如圖3所示.從圖3可得，測距儀的測量值與實際測量距離在80 cm以外測量的誤差較大，這是由于PSD受光面尺寸的影響，長距離測量時測量精度會降低.但是，在80 cm以內(nèi)范圍內(nèi)線性度較好，誤差值較小.

圖3　理論距離與測量距離的關(guān)系

3.2　實驗結(jié)果分析

實驗結(jié)果的實際值與誤差值的關(guān)系如圖4所示.測試結(jié)果表明，在20～80 mm范圍內(nèi)線性度最好，誤差值達(dá)到2%以內(nèi)，本文設(shè)計的短距離激光三角測距儀可以實現(xiàn)10～100 mm的位移測量，在全量程范圍內(nèi)誤差小于3%.同時，激光三角法精密測距系統(tǒng)主要是由計算機和光電子器件等組成的一個整機系統(tǒng)，該測距系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差來源于實物中的電子元器件的非線性特性，以及電子元器件在安裝調(diào)試、測量標(biāo)定以及環(huán)境溫度等外部因素所產(chǎn)生的干擾誤差，并且由于受到PSD受光面的尺寸的影響，遠(yuǎn)距離測量精度較差[17].

圖4　實際值與誤差值的關(guān)系圖

4　結(jié) 論

1) 基于直射式激光三角測距原理，提出了一種微位移精密測量方法，確定了測量光路的光學(xué)結(jié)構(gòu)；實現(xiàn)了對各模塊之間的控制與通信.位移測試結(jié)果表明，激光測距儀可以實現(xiàn)10～100 mm的位移測量，在全量程范圍內(nèi)誤差小于3%.

2) 激光三角法精密測距系統(tǒng)誤差來源于實物中的電子元器件的非線性特性，以及電子元器件在安裝調(diào)試、測量標(biāo)定以及環(huán)境溫度等外部因素所產(chǎn)生的干擾誤差.通過聯(lián)調(diào)和在試驗用導(dǎo)軌上進行測距實驗，本文為激光測距的近距離測量提供了技術(shù)參考.

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