基于激光传感器的电子测量装置设计与实现
基于激光传感器的电子测量装置设计与实现
作者:黄世瑜;唐林;施尚英;
当前的光学检测非接触电子测量装置,无法有效抑制光散斑的干扰,测量结果存在较高的偏差。针对该种现象,设计并实现基于激光传感器的电子测量装置,其采用激光三角法实现测量,给出了具体的测量过程,设计了基于EPM7064SLC44型CPLD的可自动调节曝光时间的CCD驱动电路。给出了基于反馈模式自主调控CCD曝光时间的原理图,确保CCD输出信号保持在一定的电压区间,提高CCD测量结果的准确度。分析了可自动调节曝光时间电路和控制流程,采用可靠性排序滤波算法解决激光光斑存在的毛刺、多峰问题,提升装置的测量精度。实验结果说明,所设计测量装置重复性为0.5225Ixm,装置的光源稳定性误差和工艺误差都较低,具有较高的测量精度。
1 引言
随着科学技术和制造工艺的快速发展,电子测量行业对电子测量装置的精度和稳定性要求日益提升。非接触测量是当前电子测量装置采用的重要方法,其中的光学检测方法在非接触测量具有广泛的应用价值。但是当前的光学检测非接触电子测量装置,无法有效抑制光散斑的干扰,测量结果存在较高的偏差。因此,本文设计并实现了基于激光传感器的电子测量装置,有效处理光斑的毛刺和多峰问题,提高测量准确度。
2 基于激光传感器的电子测量装置设计
2.1 激光三角法的原理
设计的基于激光传感器的电子测量装置采用激光三角测距技术完成检测,检测原理图描述。装置检测的工作原理可以简单概括为,把带有位移量信息的激光信号转换为电信号,并对数据进行处理? ,最终得到测量结果 。该装置工作原理为:将激光器轴线和聚光镜主平面部署到相同平面内,且垂直于CCD光敏面。当激光束发射出平行光透过/b:fL光阑后,减少光斑直径。聚光镜在被测物体表面聚焦激光束 ,形成漫射光,收物镜基于漫射光在CCD光敏面中显示相应的影像。待测物体位移变化时,CCD光敏面中的光束也发生变化,获取的影像中的光斑位置也变化,通过测量位移 得到被测物体的位移量 j。将一片滤光镜安插在接收物镜与CCD光敏面之间,准确接收激光传感器所发出的红光,因为红光波长达到650nm,透过率更是高于90% ,过滤掉其他波段,可提高检测结果的准确度。用于描述接收物镜横向放大率; 用于描述照明激光束光轴同接收物镜光轴间的夹角; 用于描述探测部件光敏面同接收物镜光轴问的夹角 j,所有被测点均可在CCD光敏面上成像,这样就使测量的准确度得以保证。
2.2 可自动调节曝光时间CCD驱动电路
CCD是激光三角测量系统中的位移传感器。当激光束照射在被测物体表面时,反射光通过透镜聚焦,在CCD上成像,CCD检测的物体位移信号被驱动电路采集,物体位移信号通过A/D转换器转换 ],输送给控制器或计算机进行运算。实际应用时若反射率因被测物体表面的面变化产生较大影响,在有较强输入光时,CCD的连续工作将产生饱和电荷,导致被测物体位移信息不准确,这样的数据经过A/D转换器的转换后 J,得到的数据会影响检测结果,检测误差增大。CCD输出的模拟信号峰值电压范围影响着CCD测量结果的准确度。若想要CCD输出信号保持在一定电压范围内,可采用调节光照强度或调整CCD曝光时间两种方式。本文所采用的方式为自动调节CCD曝光时间并对其进行系统设计 J。CCD曝光时间根据入射光强弱自动进行调节会提高该系统的优越性。本文采用反馈模式自主调节CCD曝光时间。
2.3 芯片选型
本文采用型号是ILX514的线阵CCD,其是单相驱动,具有4034个像素单元,有效像素是3918个,最大时钟频率为5MHz。本文通过数字电路驱动手段选择核心处理器件,通过数字门电路和时序电路构建CCD驱动电路H 。采用EPM7064SLC44型CPLD塑造CCD驱动电路,通过FPGA编程实现CCD驱动时序,得到高速的驱动频率。
2.4 可自动调节曝光时问电路和控制流程
激光入射强度以及曝光时间决定了CCD传感器输出的模拟电压大小¨ ,其中入射光强同模拟电压具有正比例关系,曝光时间同模拟电压具有反比例关系。在入射光变强或曝光时间变长时,所对应的光敏单元将得到更多的光量u 。若CCD能够在不改变主频的前提下,对曝光时间实施自主调节,则CCD适应工作环境的性能将有所提高。相对于CCD高速运行的频率,入射光强的变化速率可视为较慢的连续变化,此时可明确同高速运行的CCD相邻的几帧时间范围入射光强不变,也可明确当前时间内入射光的光子流速率是常数。因此,在同时满足保持CCD高速运行以及入射光强较慢变化两个条件时,设计的曝光时间自主控制流程用图3描述。若要把输出信号调节到理想值¨引,只需在系统可调节范围内两帧的时间。这种设计可避免传统控制方法中多次反复调节,系统响应速度慢等缺点极大提升了测量装置的响应效率和鲁棒性。
3 基于激光传感器的电子测量装置实现
本文测量装置的测量精度受到内部和外部因素的干扰,其中的内部因素是激光光斑产生的随机噪声¨引,本文主要对激光光斑噪声对测量准确度的影响进行分析。理想的激光光斑为单个圆滑的原点,但在实际操作中,受到时间以及空间因素的波动,容易出现激光光斑噪声,其使得激光存在毛刺和多峰问题 ,导致检测激光光斑中心的难度提升,测量精确度大幅降低。采用可靠性排序滤波算法对信号进行滤波和平滑降低随机噪声的不利影响,提高装置的测量精度。具体的过程为:先对一帧信号要取得光斑中心,这个中心将由重心法得出,再该位置进行反复测量并求出平均值 。但这一方法只在像点信号近似为高斯波形的时候有效,若因信号噪声变化影响了高斯波形,极大降低了测量准确度。因此,可通过优化软件过程中的滤波方法,提升数据处理的精度 。本设计结合实际情况,并在参考了中值滤波和高斯滤波等方法后进行修改,修改后的滤波方法操作简便,软件编程实现较为方便。具体过程如下:
(1)在一维数组b中保存全部初始数据,设置偏移量Y,将首个数据加减Y获取首个区域(b(1)记作第一个数据,该区域[b(1)一Y,b(1)+ ])。
(2)将6(1)后面的数据跟b(1)做比较,查看该数据是否在区域[b(1)一y,b(1)+y]中。经过比较,有m1个数据在该区域中¨ ,将m1个数据存储在一个一维数组 l中,存储其余数据并覆盖数组b。
(3)重复运行过程(1)和(2),得到m2个数据在[b(1)一y,b(1)+y]区域内,此时的b(1)为第二步剩余数据中的第一个,不同于第一步中的b(1)。
(4)反复直径过程(2)和(3),对所有数据进行归类后¨ ,获取一系列的ml,m2,m3?以及数据d1,而数组b中的元素为空。
(5)在ml,m2,m3?中取大值,将大值对应的数组取平均值。
上述过程对数据实施聚类分析,通过重心法以及求平均法,确保测量结果处于具有最可能形成最大数值的区域中,该区域的半径是Y。取该区域中全部数据的平均值能够得到测量值,改值同激光光斑中心匹配 。
4 实验分析
4.1 实验系统构成
实验设计的测量装置描述,移动平台所使用的测量装置是本文设计的基于激光传感器的电子测量装置,将该装置放置在钢材料平面上,将一维移动平台当成标准位移发生器驱动目标位移发生变化,平台移动距离将由测量装置读取,并对像素位移和测量装置的输出变化进行记录。将本文测量装置反复移动多次并对其进行测量,实验要求的测量误差应低于0.6 m。
4.2 重复性测试
通过位移发生器使被测目标多次产生同一位移,检测本文装置的响应情况。时间间隔为10s,计算各位移处本文装置的响应平均值和标准差,用表1描述。在量程中取3个点,分别从3个点移动400~m,检测结果可准确描述本文装置的重复性。通过对的数据进行统计,获取本文测量装置的重复性是三个标准差的和,也就是0.5225 m,低于0.6 m,符合要求。
4.3 误差分析
4.3.1 光源稳定性的影响
当激光器的输出波长受到温度的影响后,会导致成像斑的宽度发生变化。当激光束被聚焦以后,长轴和短轴问的差值将被缩小,可将此时的激光光斑当作圆形光点进行处理。
4.4.2 工艺误差
综合分析上述实验结果可得,本文设计的基于激光传感器的测量装置在6mm 的量程中,对于同种材质和表面特征的被测物体的重复性误差低于0.6tzrn,满足规定要求,并且装置的光源稳定性误差以及工艺误差都低于0.61xm,说明装置具有较高的测量精度。
5 结论
本文设计并实现了基于激光传感器的电子测量装置,实验结果说明,所设计测量装置重复性为0.5225Izm,装置的光源稳定性误差和工艺误差都较低,测量精度较高。
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