激光三角法測(cè)量物體位移

1、課程設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū)題 目： 激光三角法測(cè)量物體位移 學(xué) 院: 電子工程與自動(dòng)化學(xué)院 專 業(yè)： 光信息科學(xué)與技術(shù) 學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 2014年1月5日摘 要本文介紹了單點(diǎn)式光學(xué)三角法測(cè)量物體位移的兩種結(jié)構(gòu)一直射式與斜射式，對(duì)兩種結(jié)構(gòu)的測(cè)量原理進(jìn)行了分析并對(duì)其各自的特點(diǎn)進(jìn)行了闡述。以半導(dǎo)體激光器作為光源， CCD 作為光電探測(cè)器件，采用直射式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種光電位移傳感器。為了提高測(cè)量精度，簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，該課題通過(guò)設(shè)定一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)與實(shí)際測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行比較得出像點(diǎn)的位移圖像,在用軟件處理后計(jì)算出實(shí)際位移。后面對(duì)實(shí)驗(yàn)誤差進(jìn)行分析和方案進(jìn)行評(píng)價(jià)。關(guān)鍵字：三角法測(cè)距；CCD圖像傳感器；激光；光

2、斑。引 言 激光三角法位移測(cè)量的原理是，用一束激光以某一角度聚焦在被測(cè)物體表面，然后從另一角度對(duì)物體表面上的激光光斑進(jìn)行成像，物體表面激光照射點(diǎn)的位置高度不同，所接受散射或反射光線的角度也不同，用CCD光電探測(cè)器測(cè)出光斑像的位置，就可以計(jì)算出主光線的角度，從而計(jì)算出物體表面激光照射點(diǎn)的位置高度。當(dāng)物體沿激光線方向發(fā)生移動(dòng)時(shí)，測(cè)量結(jié)果就將發(fā)生改變，從而實(shí)現(xiàn)用激光測(cè)量物體的位移。過(guò)去，由于成本和體積等問(wèn)題的限制，其應(yīng)用未能普及。隨著近年來(lái)電子技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是半導(dǎo)體激光器和CCD等圖象探測(cè)用電子芯片的發(fā)展，激光三角側(cè)距器在性能改進(jìn)的同時(shí)，體積不斷縮小，成本不斷降低，正逐步從研究走向?qū)嶋H應(yīng)用，從

3、實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嶋H。用于測(cè)量從傳感器至目標(biāo)之間直線距離的激光三角測(cè)量傳感器已經(jīng)使用了十多年了，由于數(shù)字電子器件和大功率數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）的結(jié)合使得激光不再對(duì)目標(biāo)顏色、紋理和周圍環(huán)境以及環(huán)境光線和溫度變化那么敏感了，激光三角測(cè)量技術(shù)方法已經(jīng)得到了發(fā)展。目 錄引 言11課程設(shè)計(jì)目的：32 設(shè)計(jì)內(nèi)容33 設(shè)計(jì)要求34 方案論證和選擇44.1 直射式激光三角法原理44.2斜射式激光三角法原理54.3直射三角法改進(jìn)一64.4 直射式改進(jìn)方法二75 儀器及元件的選擇86 偏振圖像采集86.1.1實(shí)驗(yàn)光路圖86.1.2 測(cè)量物體位移步驟：96.2 定標(biāo)：96.3測(cè)量焦距107實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析107.1.1

4、定標(biāo)數(shù)據(jù)107.1.2焦距f的測(cè)定數(shù)據(jù)及處理117.2b的測(cè)量數(shù)據(jù)及處理117.3 物體位移數(shù)據(jù)：118 實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)138.1 誤差分析：138.2方案評(píng)價(jià)149. 課設(shè)總結(jié)1410. 參考文獻(xiàn)15附件一：實(shí)驗(yàn)儀器15附件二：實(shí)驗(yàn)采集圖像16附件三：實(shí)驗(yàn)程序18附件四：實(shí)驗(yàn)光路圖201 課程設(shè)計(jì)目的：(1) 學(xué)習(xí)并掌握激光三角法測(cè)距的基本原理和方法；（2）鍛煉學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和動(dòng)手能力；（3）扎實(shí)基礎(chǔ)，提升能力。2 設(shè)計(jì)內(nèi)容（1） 完成測(cè)量光路；（2） 完成測(cè)量光路的搭建及物體位移的測(cè)量；（3） 分析測(cè)量精度；3 設(shè)計(jì)要求（1） 掌握激光三角法的測(cè)量原理；（2） 掌握 CCD 的工作原理與數(shù)據(jù)處理

5、；（3） 掌握精度計(jì)算方法；4 方案論證和選擇4.1 直射式激光三角法原理直射式三角法測(cè)量物體位移的基本原理如圖 1 所示，半導(dǎo)體激光器（ LD ）發(fā)出的光束經(jīng)會(huì)聚透鏡垂直投射并聚焦到被測(cè)物體表面上形成一個(gè)光斑，由于物體表面有一定程度的粗糙，這個(gè)光斑在物體表面上發(fā)生漫反射，其中一部分散射光經(jīng)過(guò)接收透鏡成像于 CCD 上，如果被測(cè)物體發(fā)生微小的位移或者表面高低發(fā)生變化，那么物體表面上的光點(diǎn)將沿著激光束的向產(chǎn)生微小的移動(dòng)，從而光電探測(cè)器件 CCD 上的像點(diǎn)也會(huì)相應(yīng)隨之移動(dòng)，通過(guò)后續(xù)處理電路及計(jì)算公式就可求出物體產(chǎn)生的位移。 若像點(diǎn)在 CCD 上移動(dòng)的距離為 N, 被測(cè)物體表面移動(dòng)的距離為M,由三角

6、形相似： 整理后有：式中，l 為激光束光軸的交點(diǎn)到接受透鏡前主面的距離；l為接收透鏡后主面到成像面中心點(diǎn)的距離； 為激光束光軸與接收透鏡光軸之間的夾角 。圖1為直射式三角法測(cè)量物體位4.2斜射式激光三角法原理斜射式三角法測(cè)量物體位移基本原理如圖 2 ，半導(dǎo)體激光器 LD 發(fā)出的光束經(jīng)衰減片和被測(cè)物體表面的法線成一定角度入射到被測(cè)物體表面上，接收透鏡接收光圖 2 斜入射式三角測(cè)量原理圖點(diǎn)在被測(cè)物體表面的散射光，像點(diǎn)在 CCD 上移動(dòng)距離為 N ，則被測(cè)物體表面沿法線方向的移動(dòng)距離為M,有：整理后有： （2-4）式中， 為激光束光軸和被測(cè)物體表面法線的夾角；為接收透鏡光軸和被測(cè)面法線的夾角。在上述

7、的三角法測(cè)量原理鐘,要計(jì)算被測(cè)面的位移量,還有相應(yīng)的距離,測(cè)量數(shù)據(jù)多,影響系統(tǒng)的測(cè)量精確度,在實(shí)際應(yīng)用中,可以使用另一種表述方式,下面我們來(lái)討論下該方式.4.3 直射三角法改進(jìn)一z = btan tan= f/x被測(cè)距離為 z = bf/x式中，b為激光器光軸與接收透鏡光軸之間的距離；f為接收透鏡焦距；x為接收光點(diǎn)到透鏡光軸的距離。其中，b和f均已知，只要測(cè)出x的值，就可以求出距離z。只要高準(zhǔn)確度地標(biāo)定b和f值，就可以保證一定的測(cè)試不確定度。如圖3所示：bCCDf圖3 直射式改進(jìn)一但是，此方案中圖像只有一個(gè)光斑，沒(méi)有作為基準(zhǔn)的參考點(diǎn)，不利于觀察和測(cè)量，所以提出了直射式改進(jìn)二方案。4.4 直射式

8、改進(jìn)方法二z = btan tan= f/被測(cè)距離為 z = bf/()式中，b為激光器光軸與接收透鏡光軸之間的距離；f為接收透鏡焦距；x為接收光點(diǎn)到透鏡光軸的距離。在直射式改進(jìn)方案一中，從物體側(cè)加入一束激光，使初始的兩束光重合入射到CCD上，在圖像中成同一個(gè)光斑。然后移動(dòng)物體發(fā)生位移即可測(cè)量。 激光器激光zCCDfb圖4.3 直射式改進(jìn)二方案選擇：綜上所述，三種方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，可根據(jù)測(cè)量條件的不同采用不同的方法，考慮到斜射法中入射光光點(diǎn)照射在物體表面不同的點(diǎn)上，無(wú)法知道被測(cè)物體表面某點(diǎn)的位移情況；并且光斑較大，體積也大；需要測(cè)量的量較多，增加誤差。又由直射式可以獲得體積小且光強(qiáng)集中的光斑，受

9、被測(cè)物體表面的光斑受到被測(cè)物體表面特性影響小 ，同時(shí)因?yàn)橛幸粋€(gè)參考光斑，這樣更便于觀察被測(cè)點(diǎn)的位移情況，所以初步選擇直射式改進(jìn)二的三角測(cè)距原理來(lái)搭建光路。 5 儀器及元件的選擇所 選 器件有：手電筒 ，半導(dǎo)體激光器 、被測(cè)物、 帶刻度的三角板 、 衰減片 、 透鏡、卷尺、 計(jì)算機(jī)、支架 光具座 等。（ 1 ）光源的選擇： 半導(dǎo)體激光器，它具有超小型，重量輕，效率高和發(fā)射激光的高的連續(xù)性和可見(jiàn)性等優(yōu)點(diǎn) ；（ 2 ）被測(cè)物的選擇：選擇反射效果較好的物體；（ 3 ） 三角板 ： 用于定標(biāo)；（ 4 ） 衰減片 ： 衰減激光光束，使其在被測(cè)物體表面形成較小的光斑；（ 5 ）透鏡： 對(duì)光線進(jìn)行會(huì)聚 ；(

10、6 ) CCD 成像器件：用 于 圖像采集；（ 7 ） 卷尺 ： 測(cè)量距離；（ 8 ）計(jì)算機(jī)：主要用于 對(duì)采集圖像 圖像用 MATLAB 編程進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。6 偏振圖像采集6.1.1實(shí)驗(yàn)光路圖激光器白屏CCD分束鏡a反射鏡分束鏡b121,2 激光發(fā)出后，經(jīng)過(guò)分束鏡a分成1光束和2光束；1光束經(jīng)過(guò)白屏后散射，被CCD接收到，2光束經(jīng)過(guò)反射鏡反射到分束鏡b,再反射到CCD上，調(diào)整使兩束光在CCD上重合。6.1.2 測(cè)量物體位移步驟： 1. 按照光路圖擺設(shè)好光路；2. 調(diào)節(jié)CCD和透鏡，使在電腦上成像清晰；3. 打開(kāi)激光器，調(diào)節(jié)分束鏡和反射鏡，使第二個(gè)束激光入射到CCD，讓兩個(gè)激光點(diǎn)重合；保存此時(shí)的

11、圖像；4. 調(diào)整白屏，使其移動(dòng)5mm,保存此時(shí)的圖像；5. 重復(fù)步驟4，記錄多組數(shù)據(jù)；6. 測(cè)量b,f等相關(guān)數(shù)據(jù)；7. 拆分光路，整理好儀器，為定標(biāo)做準(zhǔn)備。6.2 定標(biāo)：按照 圖6.2 搭建光路，調(diào)節(jié)各支架旋鈕使直尺刻度、透鏡中心，CCD 接收屏中心在同一條水平線上，保持透鏡和直尺之間的距離足夠遠(yuǎn)，打開(kāi)計(jì)算機(jī)圖像采集軟件，用手電筒將光打到直尺刻度線上，使從電腦上觀察到的圖像較亮，緩慢移動(dòng)透鏡和直尺支架，使直尺刻度經(jīng)過(guò)透鏡所成的像經(jīng)CCD 采集后在屏幕上顯示的圖像最清晰，采集定標(biāo)圖像并記下此時(shí)直尺的位置。CCD直尺透鏡圖6.2 定標(biāo)測(cè)量圖6.3 測(cè)量焦距（1） 按照?qǐng)D6.2搭建光路，調(diào)節(jié)透鏡與C

12、CD以及物體的位置，直到看到成像最清晰為止；（2） 多次測(cè)量物距與像距，記錄數(shù)據(jù)；（3） 根據(jù)物像關(guān)系求出透鏡焦距，并求出平均值作為實(shí)際透鏡焦距。7 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析7.1.1 定標(biāo)數(shù)據(jù)刻度/cm0.51.01.52.02.5像素坐標(biāo)129265396530665坐標(biāo)間隔136131134135-由表得出像素坐標(biāo)間隔平均值：d=134=0.5/d=0.0037由于圖像經(jīng)CCD被放大，放大倍率：=10.48/61.70=0.1699所以每個(gè)像素對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度：=0.00063cm/像素。 采集的圖像如圖7.1所示： 圖7.1(a)為直尺的灰度圖像 圖7.1（b）為直尺對(duì)應(yīng)的二值圖 7.1.2焦距f的測(cè)

13、定數(shù)據(jù)及處理表7.1.2 焦距f的數(shù)據(jù)組別 12345/cm75.4067.8063.1062.1661.90/cm10.1910.3010.4710.5110.45f/cm8.988.948.988.998.93計(jì)算平均值得透鏡焦距：f=8.96cm 當(dāng)=10.48cm時(shí)，由 （7 -2）得 =61.70cm 7.2 b的測(cè)量數(shù)據(jù)及處理b/cm15.5515.6315.7816.1016.05平均值=15.827.3 物體位移數(shù)據(jù)：1.運(yùn)用Matlab軟件對(duì)采集到的圖像進(jìn)行處理，算出相應(yīng)的所在像素坐標(biāo)（見(jiàn)附件二）；2.根據(jù)運(yùn)行結(jié)果求出兩光斑中心像素坐標(biāo)，兩坐標(biāo)相減得兩光斑中心間的像素；3.利

14、用公式 （7-3）其中和的值在定標(biāo)時(shí)測(cè)得，=10.48，=61.70，將單位像素的實(shí)際距離、以及代入就可求出像的實(shí)際位移。同理：將物體位移分別為0.5cm、1cm、1.5cm、-0.5cm、-1cm、-1.5cm時(shí)對(duì)應(yīng)像的實(shí)際位移求出。相關(guān)數(shù)據(jù)如表7.3.1所示： 表7.3.1 物體移動(dòng)距離及其對(duì)應(yīng)光斑像素坐標(biāo)物體實(shí)際位移/cm00.51.0-0.5-1.01.5-1.5參考光斑像素坐標(biāo)434.5434.5434.5434.5434.5434.5434.5測(cè)量光斑像素坐標(biāo)435.5401367.5467.5501333.0532.5兩光斑間像素值/個(gè)033.5673366.5101.598像點(diǎn)

15、的實(shí)際位移/cm00.003590.07170.03530.07120.10860.10493.再根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理可得出物體實(shí)際距離的計(jì)算公式，即 ，其中=15.82cm,f=8.96cm，將像點(diǎn)實(shí)際位移代入公式，即可求得物點(diǎn)的距離，結(jié)果如下：表7.3.2物體實(shí)驗(yàn)位移與實(shí)際位移數(shù)據(jù)處理結(jié)果物體實(shí)際位移/cm00.51.01.5-0.5-1-1.5物點(diǎn)坐標(biāo)/cm00.50891.0161.539-0.5004-1.009-1.487物點(diǎn)位移量/cm-0.50890.50890.5230.50040.50860.478絕對(duì)誤差/cm-0.00890.0160.0390.0040.0090.022相對(duì)誤

16、差-1.78%1.60%2.60%0.80%0.90%1.47%由表7.3.2和表7.3.3可以看出，物體實(shí)驗(yàn)位移的和實(shí)際位移基本一致，誤差都在3%一下，滿足實(shí)驗(yàn)的要求；在距離參考點(diǎn)越近，誤差越少，偏離則反之；物體向負(fù)方向（即向左）移動(dòng)，誤差比向正方向（即向右）要??；8 實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)8.1 誤差分析：（1）外界因素：定標(biāo)時(shí)我們用手電筒進(jìn)行照明，由于手電筒的光束實(shí)際上并不夠理想，加上電筒的晃動(dòng)，打到直尺上的光亮度不均勻，得到的定標(biāo)圖像不理想。（2）視覺(jué)因素：我們認(rèn)為所采集到的圖像是“最清晰”實(shí)際上也許往往不是最清晰地，我們認(rèn)為的平行實(shí)際上也不一定平行，視覺(jué)誤差是人為因素所造成的誤差之一。（3）操作原

17、因：由于實(shí)驗(yàn)原理采用了較為理想化的條件，要求嚴(yán)格平行，但實(shí)際操作過(guò)程中調(diào)整各個(gè)儀器時(shí)可能達(dá)不到完全的水平和等高。（4）儀器誤差：接收透鏡本身存在各種像差，激光器的輸出不穩(wěn)定，導(dǎo)致測(cè)量的數(shù)據(jù)跳躍，不準(zhǔn)確，使得記錄的數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)存在誤差。被測(cè)物體、光源等上面的飛塵、污點(diǎn)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果也會(huì)造成一定影響。（5）設(shè)計(jì)因素：光路設(shè)計(jì)采用理想化條件即激光器和透鏡所在直線與被測(cè)物體表面所在直線嚴(yán)格平行，CCD 與透鏡平面嚴(yán)格平行，實(shí)際中不一定能達(dá)到，通過(guò)多次用卷尺測(cè)量距離來(lái)計(jì)算角度，誤差會(huì)被積累。8.2 方案評(píng)價(jià)該實(shí)驗(yàn)方案采用直射式激光三角法測(cè)量物體位移，光路原理較為簡(jiǎn)單，采用LD 激光器作為光源，體積小，光束

18、效果好，在實(shí)際使用中更具有普遍性，用CCD 進(jìn)行圖像采集，精度高，數(shù)據(jù)結(jié)果用MATLAB 處理，方便簡(jiǎn)單。而且在圖4.3中，b和f均已知，只要測(cè)出x的值即可求出距離z。只要高準(zhǔn)確度地標(biāo)定b和f值，就可以保證一定的測(cè)試部確定度。在改進(jìn)二中，加入了一個(gè)參考點(diǎn)，使觀察物體位移情況更加清晰明了。對(duì)于數(shù)據(jù)處理也簡(jiǎn)化了很多。9. 課設(shè)總結(jié)在這次課程設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)對(duì)激光三角法測(cè)量物體位移的基本原理和直射式測(cè)量物體位移的基本操作了解和分析，提出了直射式有參考點(diǎn)的方案，而測(cè)量結(jié)果的誤差在允許范圍之內(nèi)，深刻體會(huì)到激光三角法在距離測(cè)量領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用性。本次課設(shè)，不僅鞏固了大學(xué)所學(xué)的知識(shí)，拓寬自己的知識(shí)面，還提高了

19、自己的分析能力和動(dòng)手能力。在課設(shè)中遇到了很多困難，即使是原理很簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，實(shí)際操作時(shí)仍會(huì)受到各種因素的影響，激光不平行，CCD采集不夠精確等等，都會(huì)使得后期計(jì)算光斑距離不準(zhǔn)確等。所以在定方案和實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，要把各種影響因素都要考慮進(jìn)去，找出相應(yīng)的減小影響的方法。而數(shù)據(jù)后期數(shù)據(jù)處理過(guò)程有一些繁瑣，計(jì)算量很大，加上時(shí)間緊迫，非?？简?yàn)?zāi)托暮鸵懔??？傊敬握n程設(shè)計(jì)收獲很多，對(duì)以后的工作有很大幫助，做事要用心，耐心，多參考一些文獻(xiàn)，結(jié)合自己的理解與分析，做出更好的選擇。10. 參考文獻(xiàn)1 C.岡薩雷斯(Rafael C.Gonzalez)，Richard E.Woods.數(shù)字圖像處理(第二版)M.北京:

20、電子工業(yè)出版社,2007。 2任偉明.一種標(biāo)定三角測(cè)量法激光位移計(jì)的方法J. 光學(xué)技術(shù), 1997, (3) : 10- 12.3王曉嘉,高雋 ,王磊.激光三角法綜述 J.儀器儀表學(xué)報(bào).2004,25（4）：601-608.4黃戰(zhàn)華, 蔡懷宇, 李賀橋, 張以謨.三角法激光測(cè)量系統(tǒng)的誤差分析及消除方法 J.光學(xué)精密工程.2002,29（3）：58-61.5萬(wàn)瑾,黃元慶.激光三角法測(cè)量的研究J.三明學(xué)院學(xué)報(bào).2006,23(4).6李恩普，郭文閣，楊德興.CCD在激光三角測(cè)距中分辨率的方法J.光子學(xué)報(bào).1997，26(11). 7 祝軍，戴立銘，江潼君.激光三角法測(cè)量位移D.儀表技術(shù)與傳感器.1

21、992,(1):18-21社,20078 莊葆華 ，王少清，張吉華 ，蔣誠(chéng)志 ，張 文偉.高精度激光三角法位移測(cè)量被測(cè)表面傾斜影響研究J.計(jì)量技術(shù)，1996，(2)9 解則曉,張宏君,張 國(guó)雄.影響激光三角測(cè)頭測(cè)量精度的因素及其補(bǔ)償措施 J現(xiàn)代量測(cè)試,1999,(1)10 張松敏,王洪列,陳明培等,一種把三角法應(yīng)用于中、短距離測(cè)量的方法J光學(xué)技術(shù)，1999(5)：49-5311C.岡薩雷斯(Rafael C.Gonzalez)，Richard E.Woods.數(shù)字圖像處理(第二版)M.北京電子工業(yè)出版12David R.Wesi.用于非接觸高速尺寸檢驗(yàn)的欲光三角測(cè)量傳感器.國(guó)外計(jì)量.1990(1)附件一：實(shí)驗(yàn)儀器 圖表 1附件表一序號(hào)儀器名稱數(shù)量備注1