利用中空球环调整激光测距仪人射角的机械设计
利用中空球环调整激光测距仪人射角的机械设计
赵立峰 1 高 敏 2 董作人 2
测量船舶液舱以及油库的液货液位高度是日常 油品管理的必要工作。 船舶液舱、油罐等油量测量 方法通常是先量取液面高度,再按液高查容积表,通 过密度、温度换算得到容量与质量。 由于目前常用 的人工检测法相当繁琐、自动化程度低,难以实现容 量的快速显示和有效管理。 在每一测点安装固定的 液位测量装置,成本比较高,而且液位测量装置通常 处在露天恶劣的环境下,极易发生故障或损坏,测量精度会随使用时间的延长而降低。 因此,需要一种价格低廉、精度高、寿命长的便携式油品液高测量装 置。 利用改造的激光测距仪作为测量液高的手段, 成本不高,测量精度也基本能符合需要,但目前这种 方法应用的还比较少。 这是因为被测对象是液面, 激光人射角很难与被测液面保持垂直,从而造成测 量精度下降,这是该方法很少被采用的主要原因之一。 本文根据研制便携式激光液位测量仪的激光液 位人射角调整装置设计体会做一个总结。
1 问题的由来
目前激光测距仪针对的主要被测对象属于非镜 面物体。 当激光测距仪发出的激光光波射人该类物体表面时,由千该物体表面呈现出细小或粗大的凹凸点,反射的激光光束将会呈现出漫反射状,激光测 距仪探测头较易捕捉。 如用激光测距仪针对液体表 面进行测距时,由于液体表面呈现为镜面状,因此, 当激光光束以某角度射向液体表面时,由于入射角 等千反射角,激光光束就会再以该角度反射回去,激 光测距仪的探测头将无法探测出反射回来的激光光 束,造成激光测距仪无法测量。 针对被测物体为镜 面这一特点,在应用激光测距仪进行液面测量时,一 般都安装有激光光束调整装置。 如果激光测距仪只 是安装在某一固定场合,由三至四只对抗螺钉组成 的激光调整装置调整激光入射角时带来的基准高度变化,经现场测试修正,一般能给予补偿消除。 如果 激光液位测距仪设计为携带式的,则由三至四只对 抗螺钉组成的激光调整装置调整激光入射角时带来 的基准高度变化,就很难在现场予以消除。 对此必须设计一套不同于常规的激光束调整装置,满足便携式液位测距仪的需要。
2 利用中空球环调整激光测距仪入
射角的机械设计思路
由于便携式液位测距仪无法进行现场标定以消除调整机构引入的基准高度变化,因此我们在设计 便携式液位测距仪时,针对三只对抗螺钉组成的激 光调整装置造成的误差进行了系统分析,以便提出更好的设计思路。 三点支撑调整机构,如图1所示。 图中的三个手动旋转轮既可以起到支撑激光测距仪的作用,也可用来调整测距仪在两个方向上的位移, 从而实现激光束垂直于液面。 这种结构简单、易于加工实现,但在调整过程中,由于三点可以互为支 点, 所以存在液位激光测距仪相对千液面或基准平 面作位移的问题, 从而引入了附加的测距误差.1d。 虽然我们可以通过同时调节三个手轮来消除.1d, 但 这无疑增加了操作的繁琐性。
通过对三点支撑调整机构的分析,如果不考虑其它的影响,我们发现由三点支撑调整机构带来的激光液位测距仪测距误差主要是由.L\d引起的,并且.L\d不是常数, 不可以通过计算机程序修正予以 克服,这样就只能从机械结构上想办法。 要通过机 械结构消除三点支撑调整机构带来的变化的.L\d误 差,首先要使.L\d在理论上是一个常数。通过调整三 点支撑调整机构能使.L\d在理论上不发生变化,只 能是过球心的球体。
为了消除三点支撑调整机构所带来的调整误 差, 我们设计了一种球环调整机构。球环调整机构 的组成包括:中空球环、基板、手轮旋转螺钉和拉簧, 球环调整机构基本工作原理如图3和图4所示。 镶嵌在基板上的中空球环是整个激光测距仪的运动支 承点,通过手轮微调螺钉,实现激光测距仪始终围绕 球心旋转。 采用中空球环的主要作用是保证在整个激光液位测距仪的两维调节过程中,激光液位测距 仪的发射透镜和接收透镜到球环园心的距离不会发 生变化,达到调整机构在调整过程中不会引人附加 液位测距误差的目的。
激光液位测距仪安装在一个球环上,为了保证 激光液位测距仪所发射的激光能穿透球环体,球环 体必须是中空的。由于调整机构最终需要安装在油 舱或油罐的上计量基准点位置,球环体上部与激光 液位测距仪相接。抱住球环的基板厚度与球环加上 液位测距仪的重量以及与球环允许旋转角度有关, 合理的尺寸也是中空球环调整平台设计成功的关键 因素之一。抱住球环的基板下平面作为激光液位测 距仪的零点位置,激光液位测距仪所发射与接受的激光都必须穿过球环的圆心,如图4所示。这样,由 球环转动来调整激光液位测量头与被测面垂直度所 带来的基准高度变化从理论上讲将会消除。
3 中空球环调整机构的误差分析
利用中空球环结构作为液位激光测距仪的调整 机构所引起的误差主要体现在球环中心到液位激光 测距仪的零点的距离变化以及球环中心到量油管上 表面之间的距离变化。从理论上分析,只要激光人 射光通过球环中心点,球环中心点位千计量管上表 面、即调准装置基板下表面,则测量基准高度不应随 球体的旋转而发生变化,如图5所示。误差主要来 源千球体的机械加工和装配。因此,激光束垂直调 整机构带来的误差主要取决于球环与基板的加工精度和互相之间的配合公差、激光偏离球心引起的误 差和计量管上平面与基板下平面的接触误差。
为了保证球环有一定的自由度,能够灵活自如 的转动,设球环加工精度可以忽略不计。 安装球环时,采用紧配的 方法,这样由球环的设计、加工和安装所产生最大测 量误差<0.02mm,如加上其它因素,误差也不会大于0.04mm且为均匀分布。
由千激光液位测量装置的测距精度为2mm, 由上述分析可得出调整装置的不确定度远小千测量要 求,对实际使用可忽略。首先通过调整机构将测距仪的出射激光垂直投射到刻度尺上,获得传感头到刻度尺的距离值S。,同时记录刻度尺的初始读数如然后通过调整机构 偏转整个传感头,记录在激光束和刻度尺之间不同 (J角的情况下,激光测距仪和刻度尺的读数S和l。
4 结语
通过利用中空球环结构作为液位激光测距仪的 调整机构,使激光液位测距仪发射的激光束能较方 便调整到与被测液面垂直,并且引人的误差基本可 以忽略。 解决了便携式激光液位测距仪在测量液面 高度时,由千需要调整与被测面的垂直度引起的测 量基准高度变化所带来的误差修正难题。
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