高激光位移传感器精度的新方法
高激光位移传感器精度的新方法
作者:匡萃方;冯俊艳;李永怀;刘斌;周卫东;安鑫
一、引言
激光三角测量是非接触精密测量的重要方法 ,影响其测量精度有内部因素和外部因素。内部因素主要有光学系统的像差 ,光点大小和形状 ,接收器的分辩力和非线性 ,检测电路的测量精度和噪声 ,电路和光学系统的温度漂移等。外部因素主要有被测面倾斜 ,被测面光泽和粗糙度,被测面颜色 ,测量速度等。现在主要面临的是外部因素的影响 ,而外部因素是随着测量物体和测量环境的改变而改变 ,目前还没有很好的解决办法。本文提出了一种新的减少外部主要因素对三角法激光测距传感器测量精度影响的方法。
二、激光三角法位移传感器的测量原理
基于三角法的激光位移传感器测量原理,半导体激光器 LD 发出激光束经过透镜 L1 汇聚于被测物表面 O 处 ,所形成的漫反射光斑作为传感信号 ,用透镜成像原理将收集到的漫反射光通过透镜 L2 汇聚到焦平面的光接收器上形成像点 O′。当入射光斑随被测面移动时 , 像点在接收器上做相应的移动 ,根据像移大小 z′和系统结构参数可以确定被测面的位移量 z 。
三、提高测量精度的方案
在影响传感器探测精度的外部因素中 ,有被测面光泽和粗糙度、被测面颜色、被测面微小倾斜等影响 ,其实归根结底主要是影响入射点光斑的形状和大小以及光强的分布 ,从而使位移探测器 D1 上产生测量误差。克在激光位移传感器中透镜 L2 后面加上一个分光器 BS ,使一部分反射聚焦到光强探测器 D2 上。当被测面由于光泽、粗糙度、颜色、倾斜影响接收光强变化时 ,光强探测器 D2 得到光强变化值 ,通过控制电路反馈到半导体激光器的驱动电路上 ,使激光器发出的激光强度也相应发生变化来补偿外因的影响。从而保证位移探测器 D1 上的光功率恒定 ,这将大大消除由于外因带来的测量误差。
现有的位移探测器 D1 , 有两种类型 PSD 和CCD。其中 PSD 是通过探测光点重心方法来得到位移量 ,这种器件尽管分辨率高 ,但容易受到外界杂散光的干扰 ,给测量带来误差。杂散光干扰使像点的位移探测有Δx 偏差。而 CCD 探测像点信号的常用方法是通过比较器得到一个二值化的正矩形脉冲 ,脉冲的中心就是像的中心。但在实际测量中 ,由于外界因素使像出现许多变形 ,这些变形是来源于被测面的变化 ,给测量带来误差 。因此作者提出方案用线阵 CCD 实时控制接收光强的同时 ,并使光强不要饱和 ,再利用 A/ D 转换器 ,对能量的最高点取样得到位移值。这样光斑形状的改变以及外界杂散光的干扰对测量精度的影响可以降到最低限 ,从而提高测量精度及系统稳定性。
四、结束语
本文提出的利用分光器对接收光强实时控制再配合利用 A/ D 转换器对像点的峰值采样能大大降低由于被测物体表面给测量带来的误差 ,使测量几乎不受被测物体表面的形貌、颜色、倾斜、杂散光等的影响 ,适用范围更广 ,从而可以提高激光位移传感器的测量精度 ,具有广泛的使用前景。
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