基于残差补偿的激光位移传感器测距方法
基于残差补偿的激光位移传感器测距方法
作者:赵景海;孙飞显;
激光器的诞生及电荷藕合器件( Charge CoupledDevice,CCD) 、象限探测器( Quadrant Detector,QD)等传感器的发展,使激光三角法在测量领域中得到广泛应用。其中,较典型的激光三角法有轨道轨距测量系统、高速公路路面平整度测量、纹理检测系统、薄板厚度测量等。激光三角法是一种较早的位移测量方法,其按照入射光线与被测表面的法线关系分为直射式、斜射式测距,并分别侧重于不同的测量领域。其中,直射式测距法因其对测量表面要求较低、结构相对简单,因此,应用较广泛。随着对激光三角法应用的深入研究,测量精度得到不断提高。如美国MTI 公司 MicroTrack 7000 系列的高精度位移传感器,其测量量程为 0. 12 mm ~ 78 mm,其中,测量分辨率最高( 0. 002 5 mm) 的量程仅有 0. 12 mm。虽然当前激光三角法测量精度相对较高,但其测量的范围还较小。已有的文献报道及实验结果表明,产生上述现象的原因在于,激光三角法测量技术中的线性近似处理使得当测量范围加大时,线性度不断下降,最终导致测量精度下降。为解决上述问题,本文通过对激光三角法测距技术的深入挖掘,基于残差补偿的思想,提出一种新的激光测距传感器测距方法,以降低测量系统误差并提高测量系统的测量范围,最后通过实验验证该方法的测量性能。
1 基于残差补偿的高精度测距
1.1 基本原理
为不失一般性,本文测距方法基于激光位移传感器的测量思路而提出。其中,l为物距,f 为像距,α 为入射角,β 为光轴与传感器间的夹角,x 为光斑在传感器中的位移量,y 为测量表面的位移量。
1.2 残差补偿方法及仿真
通过对实验大数据的分析,本文选择 α = 0. 2 rad、 f = 5 mm、l = 100 mm、测量范围为 ± 0. 1 mm,利用Matlab 2012b 软件进行仿真,将仿真得到的数据在OriginPro 8 中进行数据拟合。本文针对拟合直线确立的 x 与 y 关系方程如下:
y = - 0. 330 9 + 98. 338 63x ( 3)针对数值 0. 997 28 的拟合相关系数 R,本文通过对 101 次仿真结果的分析,发现残差与位移量 x呈二次函数关系。为此,进行二次拟合并得到残差拟合曲线
3) 系统标定。系统标定,实验中位移的最小单位设定为 1 mm。为验证大位移测量状态下的误差大小,选择位移量为± 25 mm。
4) 实验参数。具体实验参数设定为: α =0. 58 rad, β =1. 57 rad,f =16 mm,l =950 mm。
5) 光斑处理。光斑处理的方法有多种,如椭圆重心定位算法、灰度重心法、高斯分布拟合算法等。鉴于本文旨在解决激光三角法测距技术因线性拟合导致误差较大、大量程测距情况下线性度下降的问题,并提高测量精度,因此,本文选用定位精度较高的灰度重心法进行光斑处理,并用 CCD 作为接收光斑传感器,然后利用 Matlab 编程获取光斑重心并作为光斑对应坐标。补偿后的残差已经降低了将近一个量级,此时误差基本是由系统的不稳定性而产生。
2. 2 方法性能分析
通过对比可以看出,经过补偿后,残差减小了近 50%。进一步对实验中补偿后的残差规律进行分析后发现,测量误差的变化是随机的,无规律可循。
不同光斑序列的能量变化不一致,造成该现象的主要原因是光斑质量不佳。若实验光斑质量稳定,则补偿后的残差结果一定会小于本实验结果。
此外,拟合前的测量误差( 0. 4 mm) 主要因系统原理本身引起,由系统本身稳定性产生的误差( 0. 06 mm)较小。因此,本文方法可以大幅减小由传统激光三角法测距技术产生的误差,而且能够满足大位移测量要求。
3 结束语
对激光三角法进行补偿处理,可在一定程度上减小由直接拟合所造成的理论误差,且能够在保证测量精度的前提下进行大位移测量。本文通过对激光三角法的深入分析,提出一种基于残差补偿的激光位移传感器测距方法。该方法仅含加减乘除运算,可满足一般处理芯片的运算要求。实验结果表明,该方法在保证测量精度的前提下,能够减小测量误差,提升测量范围。因器材所限,本文实验中的光斑质量不佳,导致实验结果不够精确。下一步将通过选择发光稳定的激光器、在激光器的出射端添加尾纤的方法来获得稳定光斑,以提升实验的可视化效果。
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