直线激光位移传感器测量物体三维位移的方法
直线激光位移传感器测量物体三维位移的方法
作者:闫君;罗文杰;张兴忠;任丁卉
对于已安装运行的设备,在运行中可能因为一些不可抗拒的外在因素,发生移动,这将给设备的安全运行带来威胁,因此一般需要安装实时监测设备相对位移的装置。目前,精确测量物体三维位移的方法,一般采用激光成像等技术,然而其存在成像范围小、价格昂贵等问题,不能满足所有三维位移测量的需求。同时,有的被测物只发生三维方向上的平动,有的测量只须知道被测物的偏心位移,而不关心方向等等,这些测量需求利用现有的常规三维位移激光传感器,则造成明显的资源浪费和效果不佳。因此,研究适合不同需求的三维位移测量方法很有必要。
1 设计原则
研究新的三维位移测量方法,需要能够根据实际需求,合理部署,既能满足需求,又能简单、快速、低成本地设计解决方案。因此这一方法将采用单一设备的不同组合方式,满足不同的需求,同时还要具有设备体积小、操作简单、配件种类少等要求,需要寻求一种可以任意组合,能够兼顾需求、成本、运维成本等诸多因素的方案。
2 传感器介绍
2.1部分传感器对比
位移的测量是比较传统的测量需求,测量工具较多,技术较为成熟。根据工作原理分类,常用的有磁致式、光电式、电位器式、线绕式、电容式、电感式、变压器式等,其各有优缺点。
2.2 传感器的选择
根据设计原则及传感器对比可知,在一些工程现场,工作环境比较复杂,如有较强的电磁干扰、无稳定电源、安装空间狭小、昼夜温差较大、需要无人值守等等,因此选用光电式传感器具有更强的生存能力,满足更高的精度需求。当然,具体选择哪种传感器还因根据性能、价格、需求等因素综合考虑,本文将以激光传感器为例进行讨论。
2.3 激光传感器的工作原理
激光传感器是光电式传感器的一种,是将光信号转换成电信号输出的传感器。如图 1 所示,发射头发出激光,照射在目标物上,经漫反射后,从入射孔射到入射光检测模块上,当目标物移动时,入射光检测模块上的入射光位置会移动,再将其位移变换成电信号后输出,完成物体位移的测量。
3 具体方法讨论
为了满足设计原则的需求,讨论一种利用直线激光位移传感器,测量物体三维位移的方法,在此将根据不同需求讨论不同的部署方案。
3.1 被测物体只在三维方向上平动
3.1.1 空间及安装不受限的情况
当被测物周围空间足够,且便于安装固定支架时,激光传感器分布部署在被测物的 X、Y、Z 方向,根据 3 个方向的测试数据,即可在三维坐标系上,描绘出被测物的移动情况。本方案要求激光传感器的入射光与被测物的反射面夹角始终不变,即被测物被激光照射部位表面要求平整,如不能满足要求则需要在被测物上加装反射面。
3.1.2 空间及安装受限时
当空间、布线、供电等问题受限时,采用如图 3 所示方法,反射面固定在被测物上,3 个激光传感器固定在被测物的一侧。1 为平面反射面,2、3 为斜面反射面,为方便数据处理,这里选择夹角为 45°的直角斜面。3 台激光传感器的发射光平行且垂直于平面反射面,并分别照射在 3 个面的几何中心上。当被测物发生相对位移时,测得 3 个激光传感器的位移分别是 L1、L2、L3(其中下标分别对应反射面),则被测物的三维位移量分别为 LX=L2-L1、LY=L3-L1、LZ=L1,根据 3 个方向的测试数据,即可在三维坐标系上,描绘出被测物的移动情况。本方法可使激光传感器集中部署,节省安装控件,便于布线和供电。
3.2 只关心被测物是否发生偏心位移
当只关心被测物是否发生偏心位移,如两个对接的管件等,采用如图 4 所示的方法,反射面由一个圆锥和一个与圆锥底面在同一平面的正方形平面组成,为方便计算,使圆锥的母线和底面夹角为 45°,测量时,激光传感器的入射光分别垂直照射在平面上,且分别照射在正方形平面的几何中心和圆锥的顶点处。当发生偏心位移时,测得照射正方形平面的激光传感器发生位移为 L1,照射圆锥的激光传感器发生位移为 L2,则发生偏心位移 L=L2-L1。本方法能够检测出被测物发生的偏移量,却无法准确判断其偏移方向。当 L1 方向不发生平动时,只须一个传感器就能监测物体是否发生偏心移动。
3.3 被测物只发生转动
当被测物体只发生转动时,在激光照射在被测物的同一侧(无需同一个平面),当发生转动位移时,激光传感器测得位移分别为 L1、L2、L3,根据 3 个位移量及 3 个传感器的相对位置关系,即可以算出被测物的转动量以及支点坐标。
3.4 被测物既发生平动又发生转动
当被测物既发生平动又发生转动时,在 3.1.1 述的方法基础上加以改进。被测物的一个面,其中方框 1、2、3 分别为一个反射面的放置位置,且其相对位置关系特定。其中 1、2 两处放置平面反射面,3 处放置反射面。此方法虽然能达到测试的目的,但由于过多的反射面和激光传感器,增加了设备的安装难度、提高了引入误差的风险、未能明显起到降低成本的作用。对于复杂的运动,我们还需要进一步的研究替代方案,如将激光传感器安装于匀速旋转的转盘上,在转盘转动中测量位移,一个周期后,可以根据所测各点的数据描绘出物体姿态。
4 总 结
本文简述了几种测量需求和解决方案,旨在提供一种利用简单设备测量复杂物理量的方式。因为测量需求及解决方案的多样性,将根据实际情况提出多种多样的解决方案,这一思想可以解放一些设计者在工程项目中总是利用专用方案解决专用问题的思想。在有些工程项目中,采用简单设备实现复杂需求的方式,能够更加针对性达到目标,同时能够降低成本和减轻采购多种设备的压力等。
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