|
微位移的直射式激光三角法精密测量非接触式、数字式和响应灵敏的现代化激光三 角测距法被广泛的应用在测量行业中［１］ ．三角法测 距是指在被测物体表面上方，在一定的角度方向上用一束激光来发射，激光在物体表面发生反射或者 散射［２］；在另一个角度用成像系统来接收反射或散 射光，最后汇聚在屏幕上成像，照射在被测物体表面上的激光产生的光斑位置一旦发生改变，光反射 或散射的角度也会随之改变［３］ ．但随着工业技术的 发展，对微小位移检测的要求越来越高，高精度、小 型化和智能化成为三角测距的 发 展 方 向［４－５］ ．文 献 ［６－８］比较了几种常用的充分利用光斑附近众多信 息的线阵（ＣｈａｒｇｅＣｏｕｐｌｅｄＤｅｖｉｃｅ，ＣＣＤ）亚像素细 分算法，并通过对采集的光斑图像进行离线分析和 处理，对这些算法做了分析、比较和改进，找到了一 种精度较高且便于硬件实现的相对最优的算 法———倍频插值的灰度质心算法，显著地提高了系 统的定位精度和稳定性，但是存在测距精度低，算 法复杂，价格昂贵等问题．文献［９－１４］在 测 量 微 小 位移 的 试 验 中，使用了位置传感 器（ＰｏｓｉｔｉｏｎＳｅｎ－ ｓｏｒｓＤｅｔｅｃｔｏｒ，ＰＳＤ），其原理是在位置传 感 器 上 的 光斑成像的位置发生移动，即当被测物体沿激光方 向发生移动 时，ＰＳＤ 上受光面的光斑就会随之移 动，经过上位机多次采集和处理，采用曲线拟合的 方法找出光斑位移与物体实际距离的对应关系，从 而间接实现激光测距，为微小位移的测量提供了理 论基础［９－１３］ ． 本文基于直 距，且ｌ＝Ｌ１；ｌ′为像距，且ｌ′＝Ｌ２；ｆ为 准直透镜焦距． 当入射光在参考面上时，代入式（２）可得 将Ｌ２ 代入式（１）求得移动距离Ｌ，即，当实际 面在参考面下时， 当实际面在参考面上时， ２ 系统构建 利用 ＰＳＤ接收 光 源 信 号 得 到 两 路 电 流 信 号，引出经过电流转电压电路（Ｉ／Ｖ 转换电路），将采集 的信号最终转换为电压信号，经过放大电路，转换 后的两路电压信号通过滤波电路，滤除干扰信号和 低频部分，送入 Ａ／Ｄ模数转换电路二值化处理，上 传到单片机．单片机控制驱动显示电路在 ＬＣＤ 液 晶显示屏上显示结果．信号处理放大电路采用三运 放结构的仪表放大器芯片 ＡＤ８２２，它 主 要 应 用 于 精确应变测量，具有低漂移和高共模抑制比，既可 单电源供电也可双电源供电，双电源供电电压范围 为２．３～１８Ｖ，特别适合±１０Ｖ 输入电压的应用． 采用ＳＴＭ３２Ｆ１０３系列单片机１２～３６Ｖ 供 电，最 高工作频率为７２ＭＨｚ，２．０～３．６Ｖ 的电源供电和 Ｉ／Ｏ 输入输出接口的驱动电压．３个１２位的 μｓ级 Ａ／Ｄ模数转换器（１６通道），其测量范围为０～３．６ Ｖ，具有双采样和保持能力，需要转换电压电路． 电路部分以ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＲＣＴ６单片机为核心 的控制电路，包括 ＰＳＤ驱动电路、信号处理电路和 显示电路，基本满足系统测量精度和在线检测的要 求．系统电路框图如图２所示． 电路实现 的 功 能 如 下：① 系 统 能 够 实 现 距 离 测量与数据传输功能．② 在１０～１００ｍｍ 距 离 范 围内，测量不同距离．测量距离是指目标与测量显 示发射模块之 间 的 直 线 距 离．③ 结 果 数 据 通 过 光 通信后显示． 在底 板 上 有 激 光 器 固 定 座、接 收 透 镜 座 和 ＰＳＤ传感器 支 座．激光器固定座上固定激光器和 准直透镜；接收透镜座上固定滤光片和成像透镜； ＰＳＤ传感器支座上固定 ＰＳＤ 位置 传 感 器．当 入 射 光垂直入 射 到 被 测 面 时，Ｌ１ｔａｎα＝Ｌ２ｔａｎβ，从 而 确 定 ＡＬ０６５０Ｐ２型 尾 纤 型 激 光 器、透 镜 和 ＰＳＤ－Ｘ７０ 型 ＰＳＤ的相对位 置；成像透镜选用双胶合消色差 透镜，其焦距ｆ′＝２５ｍｍ，直径为１０ｍｍ，采用Ｚ－ ＭＡＸ软件校 正 球 差、慧 差 等 近 轴 向 色 差；确 定 系 统所有模块及元器件的型号和尺寸后，紧固零件统一用 Ｍ３螺钉固定在底板上． ３ 测试及分析 ３．１ 实验数据的处理 ＡＤＣ１＿１和 ＡＤＣ１＿２是采集的两路电压信号 经 Ａ／Ｄ 模数转换后的数据，测量１０～１００ｍｍ 距 离，结果见表１． 经过实验 发 现，当 按 照 从 ＰＳＤ 引 出 的 两 路 电 流信号经过Ｉ／Ｖ 转 换 电 路 变 为 电 压 信 号 经 采 集， 所得数据按照式（５）进行近似处理得到 ＰＳＤ 的 电 压信号值Ｓ′，即 可 得 到 实 际 距 离 与 程 序 算 法 处 理 之后电压信号的曲线，Ｓ′的计算表达式为 由于激光三角法测距中 ＰＳＤ 输出信号经上述 处理后与实际距离的曲线是非线性的，因此，在计 算物体实际距离采用折现法来逼近［１６］ ．ｘ 为 理 论 距离，ｙ为实际测量值，建立ｘｏｙ直角坐标系，在直 角坐标系中，将采集的两路信号处理后的值分别与 分割线段拐点值依次比较，找到对应区间，利用直 线线段代替曲线线段，从而得到在某一位置时所对 应的实际测量距离．例如，在直角坐标系中，采集到 的信号经上述处理后的信号值Ｓ′落在横坐标的某 一区域时，若落在被测 理 论 距 离ｘ１ 和ｘ２ 之 间，ｙ１ 和ｙ２ 分别为对应ｘ１ 和ｘ２ 的实际距离区间分割值， 计算机处理后的电压信号值Ｓ′ 经 过 分 割 成ｙ１ 和 ｙ２，ｘ１ 和ｘ２ 区域内，将电压信号值Ｓ′进行分割，对 应的待测物体测量距离值Ｓ 为 其中ｘ为理论距离． 本实验数据处理后所得测距仪的１０组数据测 量结果与实际理论距离的关系如图３所示．从图３ 可得，测距仪的测量值与实际测量距离在８０ｃｍ 以 外测量的误差 较 大，这 是 由 于 ＰＳＤ 受 光 面 尺 寸 的 影响，长距离测 量 时 测 量 精 度 会 降 低．但 是，在８０ ｃｍ 以内范围内线性度较好，误差值较小． ３．２ 实验结果分析 实验结果的实际值与误差值的关系如图４所 示．测试结果表明，在２０～８０ｍｍ 范围内线性度最 好，误差值达到２％以 内，本文设计的短距离激光 三角测距仪可以实现１０～１００ｍｍ 的位移测量，在 全量程范围内 误 差 小 于３％．同 时，激 光 三 角 法 精 密测距系统主要是由计算机和光电子器件等组成 的一个整机系统，该测距系统的系统误差来源于实 物中的电子元器件的非线性特性，以及电子元器件 在安装调试、测量标定以及环境温度等外部因素所 产生的干扰误 差，并 且 由 于 受 到 ＰＳＤ 受 光 面 的 尺 寸的影响，远距离测量精度较差［１７］ ． ４ 结 论 １）基于直射式激光三角测距原理，提出了一 种微位移精密测量方法，确定了测量光路的光学结 构；实现了对各模块之间的控制与通信．位移测试 结果表明，激光测距仪可以实现１０～１００ｍｍ 的位 移测量，在全量程范围内误差小于３％． ２）激光三角法精密测距系统误差来源于实物 中的电子元器件的非线性特性，以及电子元器件在 安装调试、测量标定以及环境温度等外部因素所产 生的干扰误差．通过联调和在试验用导轨上进行测 距实验，本文为激光测距的近距离测量提供了技术 参考． |
