激光位移传感器在自由曲面测量中的应用
激光位移传感器在自由曲面测量中的应用
作者:张晓东;
在自由曲面测量中使用激光位移传感器具有很重要的意义,其可以对误差进行有效的修正,以此提高测量的精准度。但是在实际情况中,激光位移传感器在自由曲面测量中并未得到广泛的应用,因此需要对激光传感器的结构和测量原理进行有效掌握,为其可以在自由曲面测量中得到广泛应用奠定基础。此次课题的研究对丰富自由曲面测量方面的知识具有理论性意义,对指导激光位移传感器在自由曲面测量中的有效应用具有现实指导性意义。
1激光位移传感器的结构和测量原理
激光位移传感器是由激光器、激光检测器、测量电路三部分构成的,其测量原理为激光三角法测量原理,即激光发射器发射出一束平行光,通过聚焦之后投射在被测物体表面,再经过漫反射处理,将光线从成像透镜转移到光敏元件上,最后利用光电转换器将光信号转化成电信号,这样可以得出电信号输出大小和被测点位置之间的关系。因为激光的入射光线和反射光线在测量的时候
构成一个三角形,所以叫激光三角法。
2激光位移传感器在自由曲面测量中的应用
2.1倾角误差模型的建立
根据激光位移传感器的测量原理可知,当传感器的入射光线和被测物体表面未能达到完全垂直时,物体表面的倾斜使得散射光场发生改变,同时使得光能质心位置与垂直入射时相比发生改变,如果继续使用规定模型来计算,这样就会出现倾角误差。根据接收透镜成像示意图可知,光能质心线在线阵 CCD 光敏面上的投射点就是其接收到会聚光斑的光能质心(见图 1)。当物体表面发生倾斜时,CCD 光敏面上的成像光斑的光能质心会与几何中心产生偏差,因此在实验中,为了进行有效的定量分析,假设被测物体表面发生的都是理想性的漫发射,由此可以得出:当激光位移传感器入射光线为垂直射入时,物体表面未出现倾斜,即 ,当激光位移传感器中的入射光以倾角 入射,这样就会使物体表面出现倾斜,只有物体表面倾斜角度 和物体位移量 是变量,由此可以得出:
①当物体位移量 确定时,激光位移传感器的测量误差和物体表面倾斜角度成正比;
②当物体表面倾斜角度 为定值时,激光位移传感器的测量误差与测量深度成正比;
③物体表面倾斜角度 对激光位移传感器测量误差的取值符号与位移之间的关系起决定性的作用。虽然上述条件是在理想化的基础上来满足朗伯定理,实际计算中会和理论计算之间存在一定的误差,但是在工程应用中,该理论模型还是可以起到提高测量的精准度,其还是具有一定的推广意义。
2.2激光干涉仪校对实验
在实验中使用的是点激光位移传感器,其可以当做光源来进行使用,并且其具有独特的信号处理电路,使其具备快速的处理速度和极高的分辨率。除此之外,其可以对被测物体的色泽、材质等参数进行优化算法以及补偿误差,并且在操作盘中就可对其进行降低误差操作,具有一定的便捷性。在激光位移传感器倾角误差实验中,将正弦规表面当成被测物体表面,这样可以通过调整标准量块的高度来得到正弦规的倾斜角度,对量块的高度进行计算,以此来搭建物体表面的倾斜角度。激光干涉仪完成位移测量的原理为激光双频干涉,激光波长的测量范围比较广,并且其应用范围广泛,既可以检测高精度的几何量,还可以用于精密测量仪器的校正。在激光干涉仪校对实验中,将激光位移传感器放置在坐标测量系统轴上,将正弦规放置在平台上,但是需要位于激光传感器的正下方,激光干涉仪光路组件被磁力表架固定于平台之上。实验之前需要对激光传感器进行调试,已达到激光光束垂直入射的效果,然后对干涉仪光路组件位置进行有效调整,保证激光干涉仪可以有效的读数,当正弦规的角度为正数时,倾斜方向与传感器光束的接受面相对应,由于实验中误差模型补偿的存在,使得误差得到有效的改善,以此来提高测量精度。
2.3自由曲面测点法向量的计算
激光位移传感器具有非接触、速度快、绝地示值等优点,因此经常被用于测量相对复杂的曲面,但由于测点倾角的存在,使测量过程中会出现一定误差,因此需要对自由曲面测点法向量的计算方法进行研究。
利用已知测量点的单位法向量来对测点进行求解,从而得出激光位移传感器的倾斜角度,将其代入到倾角误差模型中可以得出误差值,这样可以对传感器的测量数据起到一定的修正作用,以此来达到有效提高测量精度的效果。
3结论
在自由曲面测量中使用激光位移传感器可以起到有效降低误差、提高测量精准度的效果。因此文章提出了在自由曲面测量中应用激光位移传感器的具体步骤:倾角误差模型的建立、激光干涉仪校对实验、自由曲面测点法向量的计算。希望此次的研究内容和结果可以得到相关单位的重视,并在以后的实际应用中,根据自身具体情况对其进行必要的创新和应用。
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