韓星程， 王黎明， 王 飛

(中北大學(xué) 電子測試技術(shù)國家重點實驗室， 山西 太原 030051)

分立式激光位移傳感器設(shè)計*

韓星程， 王黎明， 王 飛

(中北大學(xué) 電子測試技術(shù)國家重點實驗室， 山西 太原 030051)

針對制式激光位移傳感器不能滿足復(fù)雜檢測環(huán)境下幾何尺寸檢測需求的問題，提出了分立式激光位移傳感器的設(shè)計方法。此方法可根據(jù)檢測要求，將激光源與光電探測器分立布置，依據(jù)激光三角測距等原理確定系統(tǒng)分立設(shè)置的參數(shù)，并通過數(shù)據(jù)采集與標(biāo)定建模等手段實現(xiàn)激光位移測量的功能。最后通過一設(shè)計實例，驗證了該方法的可行性。

激光位移傳感器； 復(fù)雜檢測環(huán)境； 分立式； 三角測距原理

0 引 言

幾何尺寸測量在工業(yè)化生產(chǎn)和自動檢測等領(lǐng)域都有著非常重要的作用。激光位移傳感器作為一種非接觸式位移檢測儀器，因其高靈敏度、高精度以及快速與實時性等優(yōu)點被廣泛地應(yīng)用于各種幾何尺寸測量系統(tǒng)中[1]。但伴隨著科學(xué)技術(shù)與機械制造工藝的發(fā)展，儀器設(shè)備的小型化、精密化程度日益增加，且在工程實踐中被檢測目標(biāo)常常處于其他工件內(nèi)部，所處環(huán)境空間狹小不利于傳感器的放置與擺設(shè)?，F(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)激光位移傳感器，采用透鏡光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)往往比較固定，導(dǎo)致于其大小外型不容易做過多改變來適應(yīng)于各種檢測環(huán)境的需要。

針對上述工程需求，本文提出了一種分立式激光位移傳感器的設(shè)計方法，將傳感器激光源與光電探測器分立設(shè)置，并使用小孔代替?zhèn)鹘y(tǒng)激光位移傳感器中的透鏡光學(xué)系統(tǒng)，根據(jù)檢測要求，系統(tǒng)設(shè)計其布置參數(shù)，并通過系統(tǒng)標(biāo)定和數(shù)據(jù)處理，即可實現(xiàn)位移的高精度、非接觸測量。

1 激光三角測距模型建立

在非接觸式位移測量中激光三角測量法已經(jīng)被廣泛的使用，其中按照光源的入射方式分為直射式與斜射式兩種，本設(shè)計使用小孔作為傳感器的成像光學(xué)系統(tǒng)，測量原理如圖1所示[2，3]。

圖1 三角測距法原理圖Fig 1 Triangulation principle

對于直射式系統(tǒng)激光器發(fā)出激光在待測物體表面形成光斑，光線在空間中散射被小孔接收，并在感光面上成像。當(dāng)待測物體表面沿激光入射方向移動時，產(chǎn)生位移x，從而引起感光面上小孔所成的像的位移，記為x′。根據(jù)平面幾何相似三角形關(guān)系可得

(1)

其中,θ1,θ2分別為小孔所在平面的法線與入射光線及感光面的夾角，l,l′分別為小孔所在平面法線方向離測量基本面與感光面的距離。取“+”表示被測平面向測量基本面上方移動，取“-”則相反。

對于斜射式系統(tǒng)同樣可有平面幾何相似三角形關(guān)系得到

(2)

這兩種入射系統(tǒng)對于不同檢測環(huán)境各有優(yōu)劣，標(biāo)準(zhǔn)式激光位移傳感器只能采用其中一種入射方法進行測量，但對于分立式傳感器系統(tǒng)就可以根據(jù)待測表面的粗糙程度、反射系數(shù)以及擺設(shè)方便等因素綜合考慮而在這兩種方式中靈活選用。

2 傳感器系統(tǒng)重要參數(shù)與主要器件的確定

采用光源與光電探測系統(tǒng)的分立式設(shè)計極大地增加了傳感器在使用中應(yīng)對復(fù)雜檢測環(huán)境的靈活度，但因為透鏡成像系統(tǒng)需滿足一定的成像條件不利于分立式傳感器系統(tǒng)的設(shè)計，所以，本設(shè)計中采用了更加靈活的小孔成像系統(tǒng)作為探測系統(tǒng)的光能接收裝置，并針對分立式設(shè)計對基于小孔的激光位移傳感器系統(tǒng)重要參數(shù)和主要器件的選定方法做了進一步的研究。

2.1 系統(tǒng)參數(shù)確定方法

在基平面上確定一系列重要參數(shù)是三角法計算位移的基礎(chǔ)，在透鏡光學(xué)系統(tǒng)激光位移傳感器中，l,l′的選定是根據(jù)透鏡近軸成像系統(tǒng)的高斯公式確定；θ1,θ2的確定則是必須滿足Scheimpflug條件[4]而決定的。在小孔激光位移傳感器系統(tǒng)中，整個的參數(shù)選取方法會有很大的不同。

對于θ1,θ2的選定，θ1越小,能夠接收到的光信號越強，有利于檢測，但是當(dāng)其變小時，檢測的范圍也會變小。所以，將θ1選定時要根據(jù)檢測環(huán)境、激光器功率以及檢測范圍綜合選定；因為使用小孔系統(tǒng)不需滿足Scheimpflug條件，所以，為了便于設(shè)備擺設(shè)和計算，可將θ2取值為90°。θ3的選定則要根據(jù)實際檢測需要進行選取。

對于物距l(xiāng)、像距l(xiāng)′的選定，與選用的光電探測器有著重要的關(guān)系。因為小孔系統(tǒng)光斑所成像的大小可以通過物距與像距選定來調(diào)節(jié)，所成像越小，測量精度越高；但像如果過小,其能量也會降低，導(dǎo)致感光面接收到的光信號很微弱,以至于系統(tǒng)的信噪比減小,甚至于直接導(dǎo)致感光面無法感知到光信號,使系統(tǒng)不能使用。所以,在對l與l′進行選定時,應(yīng)在光電探測器敏感范圍內(nèi),根據(jù)小孔成像原理進行計算得出，光斑成像原理如圖2所示。

圖2 小孔系統(tǒng)光斑成像原理圖Fig 2 Principle diagram of pinhole system facular imaging

AB為被測物面上光斑，ab為感光面上光斑所成像，θ2=90°,根據(jù)相似三角形關(guān)系可得

(3)

根據(jù)所選激光器、感光元件基本參數(shù)確定|AB|,|ab|，帶入計算出l與l′的關(guān)系。再根據(jù)光電探測器的檢測能力范圍與偏角θ1確定基本面位置，就可計算出l,l′。

通過上述方法可得到激光三角測距的所需參數(shù)，再通過光電探測器的處理就可確定x′，將其帶入式(1)或式(2)就可求得待測平面位移x。

2.2 光源與光電探測器選擇原則

光源的選擇需按照測量場合的實際情況和測量要求來確定，在分立式測量系統(tǒng)中，偏角θ1和光電探測器的位置都會根據(jù)檢測環(huán)境的不同而變化，所以，在選擇作為光源的激光器時，也需按照測量環(huán)境的不同而變化。在θ1偏大或物距較大時，光電探測器接收到的光能量會變少，導(dǎo)致信噪比降低，影響測量結(jié)果，這種情況下需使用功率較大的激光器，且在需要調(diào)小感光面上光斑像尺寸以增大系統(tǒng)測量精度時，也需酌情使用大功率激光器，保障光斑像縮小后的能量強度或者在激光器出光口放置透鏡，使照射到檢測面上的光斑能量不變，而尺寸變小。

激光位移傳感器中光電探測器元件有多種選擇，如CCD，CMOS，PSD以及四象限光電探測器等。對于分立式傳感器系統(tǒng)，所選用的光電探測器則需根據(jù)不同的檢測環(huán)境，對測量范圍、感光面尺寸以及分辨率等方面綜合考量。選用探測器的測量范圍除能保障其在工作空間內(nèi)可接收到光能信號外，也是確定傳感器系統(tǒng)測量基本面的重要參數(shù)，其感光面的尺寸則影響著測量的量程范圍，而分辨率的大小更是直接決定系統(tǒng)精度的因素。

3 數(shù)據(jù)采集與系統(tǒng)標(biāo)定[5～7]

根據(jù)選用光電探測器的不同，傳感器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與系統(tǒng)標(biāo)定方式也不盡相同。下面以較常被使用到的線陣CCD與PSD這兩種光電探測器為例，對分立式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與系統(tǒng)標(biāo)定方法進行簡要說明。

線陣CCD是通過A/D轉(zhuǎn)換和采集其每個像素點的電壓信號來實現(xiàn)對成像于其上的光斑位移信息的獲取。通過搭建外圍控制和處理電路,實現(xiàn)對線陣CCD每個像素點的輸出電壓采集；再利用光能積分重心法等算法對電壓數(shù)據(jù)進行處理,將光斑的光能重心用一個像素點來表示，并將其作為光斑的位置信息推導(dǎo)出光斑的位移量；最后對每個位移量和與其對應(yīng)的光斑所成像的光能重心點位置坐標(biāo)進行數(shù)學(xué)建模，求出其擬合曲線方程作為傳感器系統(tǒng)的系統(tǒng)方程。

對于PSD通過處理板電路處理后，當(dāng)光斑打到其上一個位置時都會對應(yīng)輸出一個電壓值。通過對光斑在感光面上的位移與輸出電壓差之間的標(biāo)定可以得出每變化一個單位電壓值光斑在感光面上移動的距離，從而根據(jù)光斑在位移點時的輸出電壓與其在基本面時的電壓差就能得出其在感光面上的移動距離，帶入三角測量公式就可求得實際位移值。通過A/D轉(zhuǎn)換與采集得到不同點時的電壓輸出與其實際位移值進行數(shù)學(xué)擬合，求出其擬合曲線方程即為傳感器系統(tǒng)的系統(tǒng)方程。

4 設(shè)計實例

為驗證分立式系統(tǒng)設(shè)計的可行性，針對一個量程為10 mm，精度要求為0.5 mm的位移測量需求,搭建了一種分立式激光位移傳感器系統(tǒng),對待測目標(biāo)的位移信息進行檢測和采集，并對數(shù)據(jù)結(jié)果進行了分析。

4.1 設(shè)計方法

在本設(shè)計中選用了感光面為1.3 mm×15 mm的PSD，使用垂直入射方法。對于l,l′的選定，因為PSD存在暗電流和外界雜散光的影響，PSD接收光功率的強弱直接決定了系統(tǒng)精度，如果接收光功率過低，會導(dǎo)致信噪比減小，系統(tǒng)測量精度降低，物光斑太小，被測物平面上的微小粗糙起伏將影響散射光場的分布，所以,選用的激光器功率和光斑面積不能太小[8]。但是由于PSD感光面本身的尺寸不大，如果在其上所成光斑像過大，則會嚴重影響系統(tǒng)測量精度，所以，需要利用小孔成像原理調(diào)節(jié)l，l′使得在PSD上所成像的尺寸可以保證測量需要。所用激光器光斑大小在(100±40)mm范圍內(nèi)可保證光斑直徑為2 mm。將光斑利用小孔在感光面成像時直徑縮小為1 mm，利用上述原理和所用PSD本身的敏感范圍可得到小孔系統(tǒng)的物距與像距為l=38.61 mm，l′=22.58 mm。

系統(tǒng)角度參數(shù)可以根據(jù)檢測環(huán)境需要、檢測光強需要以及檢測范圍綜合考慮確定。本文設(shè)計中根據(jù)待測面反射度、激光器功率及系統(tǒng)檢測范圍等因素，將θ1確定為30°；θ2在小孔系統(tǒng)中確定為90°；設(shè)計采用直射式系統(tǒng)，θ3不必考慮。

分立式系統(tǒng)中以上數(shù)據(jù)都是可以根據(jù)實際需求調(diào)整的，為了保證在復(fù)雜環(huán)境下檢測平臺的搭建需要，可以依照前文中所述的分立式激光位移傳感器設(shè)計理論對小孔及光電探測器的位置、激光器選用功率等進行靈活調(diào)節(jié)。

4.2 實驗結(jié)果分析

在對PSD進行標(biāo)定后，得到光斑在感光面上每移動2.93 mm輸出電壓1 V。通過A/D轉(zhuǎn)換采集得到PSD輸出電壓值，帶入公式計算出位移值x數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 位移量與PSD輸出電壓值數(shù)據(jù)表Tab 1 Displacement amount and PSD output voltage values

對上表數(shù)據(jù)利用最小二乘法進行擬合得到該傳感器系統(tǒng)的系統(tǒng)方程為

y=7.682 7x+4.724 9,

(4)

式中x為電壓值，y為偏移位移值，擬合曲線如圖3所示。

圖3 擬合曲線圖Fig 3 Fitting curve

實驗結(jié)果表明：除去少數(shù)粗大誤差點,該激光位移傳感器系統(tǒng)可對量程為10 mm,精度要求為0.5 mm的檢測工作提供準(zhǔn)確的位移信息。當(dāng)對精度有更高要求時，還要注意以下三個方面:1)選用光斑能量和大小合適的激光器，因為成像于感光面上光斑的大小和強度對PSD測量精度有著很大程度的影響，感光面上成像光斑越小，測量精度越高。根據(jù)式(3)可知，通過增大物距l(xiāng)′可減小光斑像的尺寸，但如果成像光斑過小，其能量也會變小，進而導(dǎo)致PSD無法有效獲取位移信息，所以,需要選用光功率合適的激光器提供光能信號。2)選用分辨率更高的光電探測器元件，用以獲取光斑像的微小位移信息。3)提高系統(tǒng)的機械精度，減小系統(tǒng)器件、光路的擺設(shè)誤差。

5 結(jié) 論

本文在傳統(tǒng)三角測距激光位移傳感器的基礎(chǔ)上，提出了分立式非標(biāo)準(zhǔn)激光位移傳感器的設(shè)計方法，并通過實例設(shè)計，介紹了設(shè)計方法，驗證了本方法的可行性。分立式激光位移傳感器系統(tǒng)構(gòu)造靈活，能夠針對不同的檢測環(huán)境快速實現(xiàn)，可應(yīng)用于特殊環(huán)境幾何尺寸檢測的工程領(lǐng)域。

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Design of discrete laser displacement sensor*

HAN Xing-cheng， WANG Li-ming， WANG Fei

(Science and Technology on Electronic Test & Measurement Laboratory,North University of China,Taiyuan 030051,China)

Aiming at problem that format laser displacement sensor can not satisfy geometry size detection requirements in complex test environment，propose a design method of discrete laser displacement sensor.This method can discretely decorate the laser source and the photoelectric detector according to detection requirements,and set the parameters of the division set in the system on the basis of laser rangefinder principles,then realize function of laser displacement measurement through methods of data acquisition and calibration modeling.Finally,it verifies feasibility of the method through a design example.

laser displacement sensor; complex detection environment; discrete style; triangulation principle

10.13873/J.1000—9787(2014)12—0104—03

2014—05—05

山西省自然科學(xué)基金資助項目(2013011017—8)

TP 212

A

1000—9787(2014)12—0104—03

韓星程(1989-)，男，山西文水人，碩士研究生，主要從事信息通信、信號處理的研究。