激光測距原理及應(yīng)用

1、激光測距原理及應(yīng)用姚治采礦 B083 班【摘要】 介紹相位式激光測距儀的測距原理， 以及在板帶軋機(jī)和鋁箔軋機(jī)上的應(yīng)用。 測 距儀由激光器發(fā)出按某一頻率f0 變化胡正弦調(diào)節(jié)光波，光波的強(qiáng)度變化規(guī)律與光源的驅(qū)動電源變化完全相同， 發(fā)出的光波到達(dá)被測目標(biāo)， 通常這種測距儀都配置了被稱為合作目標(biāo)的 反射鏡， 這塊反射鏡能把入射光輸反射回去， 而且保證反射光的方向與入射光的方向完全一 致?！娟P(guān)鍵詞】激光；測距；相位；脈沖一、概述激光測距儀無論在軍事應(yīng)用方面， 還是在科學(xué)技術(shù)、 生產(chǎn)建設(shè)方面， 都起著 重要作用。由于激光波長單一，測量精度高，且激光測距儀結(jié)構(gòu)小巧，安裝調(diào)整 方便，故激光測距儀是目前高精度測

2、距最理想的儀器。激光器與普通光源有顯著的區(qū)別，它利用受激發(fā)射原理的激光腔的濾波效 應(yīng)，使所發(fā)光束具有一系列新的特點(diǎn)：（1）激光有小的光束發(fā)散角，即所謂的方向性好或準(zhǔn)直性好（2）激光的單色性好，或者說相干性好，普通燈源或太陽光 都是非相干光。（3）激光的輸出功能雖然有限，但光束細(xì)，所以功率密度很 高，一般的激光亮度遠(yuǎn)比太陽表面的亮度大。二、相位式激光測距儀原理 激光測距儀的測距原理是：由激光器對被測目標(biāo)發(fā)射一個光信號，然后 接受目標(biāo)反射回來的光信號，通過測量光信號往返經(jīng)過的時間，計算出目標(biāo) 的距離。設(shè)目標(biāo)的距離為L,光信號往返所走過的距離即為 2L,則： t = 2L/c即： L = ct/2（

3、1）式中c 光在空氣中傳播的速度 c3X 108m/s;t光信號往返所經(jīng)過的時間，s;L檢測目標(biāo)的距離，m;測距儀由激光器發(fā)出按某一頻率 f0變化胡正弦調(diào)節(jié)光波，光波的強(qiáng)度變化規(guī)律與光源的驅(qū)動電源變化完全相同，發(fā)出的光波到達(dá)被測目標(biāo)，通常這種測距儀都配置了被稱為合作目標(biāo)的反射鏡， 這塊反射鏡能把入射光輸反射回 去，而且保證反射光的方向與入射光的方向完全一致。在儀器的接受端獲得調(diào)制光波的回波，經(jīng)鑒相和光電轉(zhuǎn)換后，得到與接收到的光波調(diào)制頻率相位完全相同 的電信號，此電信號放大后與光源的驅(qū)動電壓相比，測得兩個正弦電壓的相位差， 根據(jù)所測相位差就可算得所測距離。假設(shè)正弦調(diào)制光波往返后相位延遲一個 角，

4、又令激光調(diào)制頻率為0,則光波在被測距離上往返一次所需時間t為：t =/ .0把上式代入測距公式(1)中，得到L=c/ 而一NX 2 n+ -:，所以被測距離L為：L=c(N X 2 n+ .)/2= L(N+ ：/2 n=L (N+ N)式中 L-光尺，L =c/2 fo;Ni /2 n。顯然，只要能夠測量出發(fā)射和接受光波之間的相位差，就可以確定出距離 L 的數(shù)值。但目前任何測量交變相位的方法，都不能確定出相位的整周期數(shù) N,只 能測定不是2 n的尾數(shù)，由于N值不確定，故距離L就成為多值解。既然相位測量可以確定被測量的尾數(shù)，那么，利用兩種光尺同時測量同 一量，則可以解決多值問題。系統(tǒng)中用兩把精

5、度都是1%。的光尺，其中一把光尺 的Loi =0.1 m，另一把光尺L2=10 m，分別測量同一距離，然后把測量的結(jié)果， 相互組合起來即可。比如：距離為2.047m ,用Loi光尺測量得到不足0.1的尾數(shù)0.047m,用L。？光尺測量得到的不足10m的尾數(shù)為2 m ,把兩個光尺相加起來的讀數(shù)為 2.047。三、相位式激光測距儀的應(yīng)用在板帶和鋁箔軋機(jī)的控制系統(tǒng)中，多卷取機(jī)張力的控制，一般采用間接 張力控制的方法，即通過計算卷取機(jī)的電流調(diào)節(jié)器的給定值，來實(shí)現(xiàn)張力的 控制。其張力矩模型為：M=TD/2i(2)式中T-給定張力；D-卷徑；i-電機(jī)軸到卷筒的傳動比；-電機(jī)效率。其中，卷徑的計算是根據(jù)偏導(dǎo)

6、輥的線數(shù)度和卷筒上卷材的線數(shù)度相等求 得，即：DX n =D0 X n0D=D0 X n0/n(3)式中D。-偏導(dǎo)輥直徑；D-卷徑；n-卷筒轉(zhuǎn)速；n-偏導(dǎo)輥轉(zhuǎn)速。其中，偏導(dǎo)輥的轉(zhuǎn)速由偏導(dǎo)輥上所裝的光電編碼器測得，由于偏導(dǎo)輥 和帶材之間不可避免的存在打滑問題，使得偏導(dǎo)輥上的光電編碼器所計脈沖 數(shù)不準(zhǔn)，從而引起帶材卷徑測量不準(zhǔn)，造成張力控制不準(zhǔn)確。我們采用的激光測距儀，可以直接測量帶材的卷徑。在安裝時，將激光 光斑調(diào)整到對準(zhǔn)卷筒中間和軋機(jī)中心線交合點(diǎn)，使得漫反射率可達(dá)90以上。在軋機(jī)工作中，開始時，卷取機(jī)卷徑最小，此時激光測距儀的光斑離帶 材距離最遠(yuǎn)，其輸出的電流為最小， 在軋制過程中， 隨著卷取

7、機(jī)卷徑的增大， 激光測距儀的光斑到帶材的距離逐漸縮小，其輸出電流逐漸增大，卷徑的變 化與輸出電流之間呈線性關(guān)系。 將激光測距儀的輸出信號作為卷徑變化的信 號，直接代入公式（ 2）中，使得張力控制準(zhǔn)確而穩(wěn)定。我們所用卷筒直接為 505mm卷材最大外徑為1700mm而激光測距儀 的測距范圍為1002047mm完全滿足系統(tǒng)的需要。四、結(jié)論我們目前在板帶或鋁箔軋機(jī)上采用的是 DME200型激光測距儀。該激光 測距儀是采用相位式測量的方法，沒有配置被稱為合作目標(biāo)的反射鏡，而是 靠帶材的漫反射。 在激光光斑對準(zhǔn)后， 一般反射率到達(dá) 90以。該儀器測量 范圍為1002047mm測量重復(fù)度的分辨率均達(dá)到 1mm測量的準(zhǔn)確度為土 5mm采用可見光光束，調(diào)整方便，光斑尺寸為 23mm工作電壓