劉 藝,孫衍強(qiáng),石照耀,于 渤

(北京工業(yè)大學(xué) 北京市精密測控技術(shù)與儀器工程技術(shù)研究中心,北京 100124)

0 引 言

近年來,光學(xué)測量技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)檢測領(lǐng)域中得到了快速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用,特別是線結(jié)構(gòu)光測量技術(shù),具有原理簡單、測量速度快、測量精度高、可連續(xù)測量、可測量柔性物體等優(yōu)點(diǎn)[1,2],目前已被廣泛應(yīng)用于位移檢測、輪廓檢測、三維形貌掃描[3]等領(lǐng)域。

線結(jié)構(gòu)光傳感器作為光學(xué)測量儀器中的常用元器件,由于其具有測量效率高、測量范圍廣、分辨率高[4]、操作簡單[5]的優(yōu)勢,多被用于現(xiàn)場測量場合(比如,測量齒輪表面質(zhì)量[6,7]、公路平整度[8]、鑄鋼車輪尺寸[9]、激光拼焊焊縫[10]、軌道車輛、車體外形尺寸[11]等)。

然而受到各種內(nèi)外部因素的影響,線結(jié)構(gòu)光傳感器的測量特性表現(xiàn)存在差異,影響測量的精度,因此值得重視和研究。

李昱坤等人[12]提出了一種線結(jié)構(gòu)光傳感器靜態(tài)性能測試方法,并針對傳感器的靜態(tài)性能,即穩(wěn)定性、重復(fù)性、線性度進(jìn)行了測試,通過分析得到了線性度對測量精度影響較大的結(jié)論。GESTEL N V等人[13]對線結(jié)構(gòu)光傳感器進(jìn)行了性能評估測試,測試結(jié)果表明,傳感器開機(jī)未經(jīng)預(yù)熱時(shí)存在測量誤差。FENG H Y等人[14]測試了傳感器不同掃描深度對測量結(jié)果的影響,結(jié)果顯示,隨機(jī)誤差隨掃描深度變化而不同。吳劍鋒等人[15]研究了環(huán)境溫度等因素對傳感器測量結(jié)果的影響,研究結(jié)果表明,當(dāng)測量環(huán)境存在500 ℃溫差時(shí),激光束會發(fā)生彎曲,從而引起測量誤差。SONG Li-mei等人[16]使用了線結(jié)構(gòu)光傳感器測量校準(zhǔn)球,得到了其點(diǎn)云數(shù)據(jù),將其與標(biāo)準(zhǔn)模型數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比,通過球面擬合了計(jì)算誤差,結(jié)果表明,線結(jié)構(gòu)光傳感器在測量物體的邊緣和頂點(diǎn)時(shí)需要進(jìn)行整體點(diǎn)云濾波處理。

目前,業(yè)界對線結(jié)構(gòu)光傳感器測量特性的研究較為分散,未從多層面對其進(jìn)行分析。筆者設(shè)計(jì)一種線結(jié)構(gòu)光傳感器測試平臺,研究傳感器的內(nèi)部因素(內(nèi)部溫度、測量區(qū)域位置、曝光時(shí)間)和外部因素(測量物體性質(zhì)、環(huán)境光強(qiáng))對線結(jié)構(gòu)光傳感器測量特性的影響情況。

1 線結(jié)構(gòu)光傳感器工作原理

線結(jié)構(gòu)光傳感器采用三角測量原理,如圖1所示。

圖1 三角測量原理

激光器發(fā)射激光束照射在被測物體表面A點(diǎn)處,反射光束經(jīng)由透鏡聚焦至光電探測器的B點(diǎn),此時(shí),入射光束與反射光束夾角為α,反射光束與光電探測器夾角為β。

激光器與被測物體表面距離變化y時(shí),光電探測器上的相對像移為x,其關(guān)系為:

(1)

式中:a—測量點(diǎn)成像物距;b—測量點(diǎn)成像像距。

由線結(jié)構(gòu)光傳感器的工作原理可知,影響其測量特性的因素主要有:

(1)內(nèi)部溫度。線結(jié)構(gòu)光傳感器采用半導(dǎo)體激光器,激光器的輸出特性隨傳感器內(nèi)部溫度的變化而不同;

(2)測量區(qū)域位置。受到透鏡、光電探測器等傳感器自身元件影響,測量區(qū)域內(nèi)不同位置的測量穩(wěn)定性存在差異;

(3)曝光時(shí)間。曝光時(shí)間決定了光電探測器及激光器的持續(xù)開啟時(shí)間,影響到傳感器的接收光量;

(4)測量物體的性質(zhì)。不同測量物體的表面性質(zhì)會導(dǎo)致反射光角度和強(qiáng)度產(chǎn)生變化,影響測量結(jié)果;

(5)環(huán)境光強(qiáng)。不同強(qiáng)度的環(huán)境光會干擾傳感器處理反射激光束信息,影響測量結(jié)果。

2 測試平臺

線結(jié)構(gòu)光傳感器測試平臺如圖2所示。

圖2 線結(jié)構(gòu)光傳感器測試平臺1—阻尼隔振光學(xué)平臺;2—激光干涉儀;3—導(dǎo)軌;4—?dú)飧』瑝K;5—反射鏡;6—傳感器測量物體;7—升降臺;8—支架;9—組合微調(diào)平臺;10—線結(jié)構(gòu)光傳感器

圖2中,放置測量物體的升降臺和激光干涉儀的反射鏡被一同安裝在氣浮滑塊上,并隨滑塊一同運(yùn)動;工控機(jī)通過控制器對線結(jié)構(gòu)光傳感器進(jìn)行設(shè)定及控制,傳感器的測量數(shù)據(jù)通過控制器傳輸至工控機(jī);激光干涉儀采集的數(shù)據(jù)同樣傳輸至工控機(jī)。

為避免氣浮導(dǎo)軌系統(tǒng)帶來的定位誤差,筆者使用激光干涉儀作為線結(jié)構(gòu)光傳感器測試平臺的長度基準(zhǔn);組合微調(diào)平臺可實(shí)現(xiàn)傳感器六自由度的位姿調(diào)整;升降臺可保證不同規(guī)格的測量物體處在傳感器測量范圍內(nèi)進(jìn)行測試。

3 測試對象

筆者選用兩款不同廠家的線結(jié)構(gòu)光傳感器作為測試對象,其主要性能指標(biāo)如表1所示。

表1 傳感器主要性能指標(biāo)

兩傳感器的有效測量區(qū)域如圖3所示。

圖3 傳感器的有效測量區(qū)域示意圖

4 影響因素測試分析

4.1 傳感器內(nèi)部溫度影響的測試及分析

在工作過程中,線結(jié)構(gòu)光傳感器中的半導(dǎo)體激光器的溫升會影響其輸出特性,進(jìn)而影響傳感器的測量特性。

筆者設(shè)置測試環(huán)境溫度為20±0.5 ℃,保持測試環(huán)境及傳感器的參數(shù)設(shè)置不變,將量塊工作面作為被測面,置于傳感器有效測量區(qū)域內(nèi)Z軸方向的基準(zhǔn)距離處,傳感器關(guān)機(jī),待傳感器內(nèi)部溫度降到室溫后重新開機(jī),以1 s采集1次數(shù)據(jù)的速度記錄內(nèi)部溫度及測量結(jié)果的變化量。

傳感器A內(nèi)部溫度與測量結(jié)果隨時(shí)間變化曲線,如圖4所示。

圖4中,7條測量結(jié)果隨時(shí)間的變化曲線,分別代表傳感器A在X∈[-7.5 mm,7.5 mm]范圍內(nèi)的7個(gè)測量點(diǎn),覆蓋X方向的整個(gè)測量范圍。

圖4 傳感器A內(nèi)部溫度與測量結(jié)果隨時(shí)間變化曲線

圖5 區(qū)域①處X=0的測量結(jié)果隨時(shí)間變化曲線

區(qū)域①處X=0的測量結(jié)果隨時(shí)間變化曲線,如圖5所示。

傳感器B內(nèi)部溫度與測量結(jié)果隨時(shí)間變化曲線,如圖6所示。

圖6 傳感器B內(nèi)部溫度與測量結(jié)果隨時(shí)間變化曲線

圖6中,7條測量結(jié)果隨時(shí)間的變化曲線,分別代表傳感器B在X∈[-12.5 mm,12.5 mm]范圍內(nèi)的7個(gè)測量點(diǎn),覆蓋X方向的整個(gè)測量范圍。

區(qū)域②處X=0的測量結(jié)果隨時(shí)間變化曲線,如圖7所示。

圖7 區(qū)域②處X=0的測量結(jié)果隨時(shí)間變化曲線

根據(jù)測試結(jié)果可知:

(1)不同傳感器開機(jī)后,內(nèi)部溫度變化存在差異,測量結(jié)果變化與內(nèi)部溫度變化呈正相關(guān)趨勢。傳感器內(nèi)部溫度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)需要約1 h,測量結(jié)果同樣達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),且變化量保持在3 μm內(nèi);

(2)傳感器A開機(jī)15 min內(nèi)的測量結(jié)果變化近似線性,傳感器B開機(jī)40 min內(nèi)的測量結(jié)果變化近似拋物線。可根據(jù)測量需求,對傳感器內(nèi)部溫升導(dǎo)致的測量結(jié)果變化誤差進(jìn)行補(bǔ)償,以提高傳感器的測量精度;

(3)從開機(jī)至達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),傳感器A的測量結(jié)果變化量約為30 μm,傳感器B的測量結(jié)果變化量約為12 μm,如果進(jìn)行毫米級或更低精度要求的測量工作,傳感器開機(jī)不經(jīng)預(yù)熱即可進(jìn)行測量;

(4)圖(5,7)中,傳感器內(nèi)部溫度處于上升階段時(shí),1 min內(nèi)傳感器測量結(jié)果變化量在3 μm內(nèi),與穩(wěn)態(tài)時(shí)的變化量一致。如需進(jìn)行短時(shí)間的快速測量工作,傳感器開機(jī)不經(jīng)預(yù)熱即可開始測量;在進(jìn)行長時(shí)間位置測量或動態(tài)測量工作時(shí),必須等傳感器內(nèi)部溫度穩(wěn)定后再開始測量。

4.2 傳感器測量區(qū)域位置的影響

線結(jié)構(gòu)光傳感器的有效測量區(qū)域是一個(gè)整體范圍,但由于傳感器的本身特性,測量區(qū)域內(nèi)不同位置的穩(wěn)定性存在差異,并對測量精度產(chǎn)生影響。

筆者保持傳感器參數(shù)設(shè)置及測試環(huán)境不變,且傳感器充分預(yù)熱,將量塊工作面作為被測面置于傳感器的測量區(qū)域內(nèi),等步長(該研究為1 mm)由遠(yuǎn)端視場向近端視場移動,并記錄每個(gè)位置的測量值;把激光干涉儀作為長度基準(zhǔn)進(jìn)行同步測量,并記錄其結(jié)果。

計(jì)算每個(gè)位置的寬度X方向上每一個(gè)“激光點(diǎn)”測量數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差,以此衡量傳感器測量區(qū)域內(nèi)不同位置的穩(wěn)定性。

測量區(qū)域位置影響的測試結(jié)果,如圖8所示。

圖8 測量區(qū)域位置影響的測試結(jié)果

根據(jù)測試結(jié)果可知:

(1)線結(jié)構(gòu)光傳感器測量區(qū)域內(nèi)不同位置的測量穩(wěn)定性存在差異,X方向上中間區(qū)域穩(wěn)定性優(yōu)于兩端;

(2)不同傳感器的測量穩(wěn)定區(qū)域也有所不同。傳感器A在Z軸方向基準(zhǔn)距離附近區(qū)域的測量穩(wěn)定性優(yōu)于邊緣區(qū)域,如圖8(a)中區(qū)域①所示;傳感器B在Z軸方向基準(zhǔn)距離處至近端視場間的中部區(qū)域穩(wěn)定性較好,如圖8(b)中區(qū)域②所示;

(3)針對不同的測量需求可選擇與之相應(yīng)的最佳測量位置。以傳感器B為例,如果測量要求不高(標(biāo)準(zhǔn)差大于3.5 μm),可在全測量范圍內(nèi)進(jìn)行測量;如需高精度測量,則需要根據(jù)不同測量要求選擇閾值,圖8(b)中區(qū)域②即為標(biāo)準(zhǔn)差閾值小于1 μm的測量區(qū)域。

4.3 傳感器曝光時(shí)間的影響

曝光時(shí)間決定了光源和光電探測器持續(xù)開啟時(shí)間,會影響傳感器的感光量。曝光時(shí)間過短,會導(dǎo)致測量結(jié)果丟失數(shù)據(jù)點(diǎn);曝光時(shí)間過長,有助于線結(jié)構(gòu)光傳感器偵測黑暗中或遠(yuǎn)處測量物體上的光線,但會導(dǎo)致過度吸收環(huán)境干擾光。

筆者保持測試環(huán)境不變,且傳感器充分預(yù)熱,將量塊工作面作為被測面置于Z軸方向的基準(zhǔn)距離處,分別在正常曝光、過曝光、欠曝光這3種參數(shù)設(shè)置下進(jìn)行測量。

曝光時(shí)間影響的測試結(jié)果如圖9所示。

圖9 曝光時(shí)間影響的測試結(jié)果

根據(jù)測試結(jié)果可知:

(1)在正常曝光情況下,傳感器A和B的測量輪廓清晰,獲得可靠的測量結(jié)果;

(2)在過曝光情況下,傳感器A吸收過多環(huán)境背景光,而傳感器B的測量輪廓在X=0附近數(shù)據(jù)點(diǎn)劇烈波動,影響測量結(jié)果;

(3)在欠曝光情況下,傳感器A和B的測量輪廓丟失大量有效數(shù)據(jù)點(diǎn),測量結(jié)果不可靠;

(4)在實(shí)際測量前,需要根據(jù)回光情況將傳感器的曝光時(shí)間調(diào)整到合適參數(shù),傳感器的感光量在50%左右時(shí)可滿足測量需求。

4.4 測量物體性質(zhì)的影響

筆者為了測試,加工制造了鋼、銅、鋁、黑色塑料、白色塑料這5種不同材料的測試樣條,如圖10所示。

圖10 不同材料測試樣條

筆者保持測試環(huán)境不變,且對傳感器充分預(yù)熱,將5種測試樣條分別置于傳感器的有效測量區(qū)域內(nèi),調(diào)整傳感器的參數(shù)設(shè)置,以得到測量的輪廓。

測量物體性質(zhì)影響的測試結(jié)果中,傳感器A測量物體性質(zhì)影響的測試結(jié)果,如圖11所示。

圖11 傳感器A測量物體性質(zhì)影響的測試結(jié)果

傳感器B測量物體性質(zhì)影響的測試結(jié)果,如圖12所示。

圖12 傳感器B測量物體性質(zhì)影響的測試結(jié)果

根據(jù)測試結(jié)果可知:

(1)圖11(a～c)和圖12(a～c)中,在合適的參數(shù)設(shè)置下,采用線結(jié)構(gòu)光傳感器測量鋼、銅、鋁此類金屬材料物體,可以得到穩(wěn)定清晰的輪廓,測量結(jié)果可靠;

(2)采用線結(jié)構(gòu)光傳感器測量黑色塑料物體,同樣能得到可靠結(jié)果,但由于白色塑料物體的強(qiáng)透光性,光電探測器不能接收到足夠的反射光量,無法得到白色塑料物體的清晰輪廓。因此,線結(jié)構(gòu)光傳感器不適用于強(qiáng)透光性物體的測量;

(3)測量強(qiáng)透光性的物體時(shí),需要使用其他測量方法,或在不影響表面形狀的前提下,在測量物體表面覆蓋不透光材料。

4.5 環(huán)境光強(qiáng)的影響

筆者保持傳感器參數(shù)設(shè)置及測試環(huán)境不變,且對傳感器進(jìn)行充分預(yù)熱,將量塊工作面作為被測面,置于傳感器Z軸方向的基準(zhǔn)距離處。

筆者分別在正常環(huán)境光下、光照強(qiáng)度1萬勒克斯環(huán)境光下、光照強(qiáng)度5萬勒克斯環(huán)境光下,對線結(jié)構(gòu)光傳感器進(jìn)行測試,照度計(jì)檢測結(jié)果如圖13所示。

圖13 照度計(jì)檢測結(jié)果

首先,筆者將傳感器置于正常環(huán)境光下進(jìn)行測量,得到測量結(jié)果;之后,模擬強(qiáng)光環(huán)境,調(diào)整光源強(qiáng)度,將強(qiáng)光分別對準(zhǔn)線結(jié)構(gòu)光傳感器的激光接收透鏡、激光發(fā)射口、被測面進(jìn)行測試。

環(huán)境光強(qiáng)影響的測試過程如圖14所示。

圖14 環(huán)境光強(qiáng)影響的測試過程

不同環(huán)境光強(qiáng)下,傳感器對量塊的測量結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)差對比中,傳感器A環(huán)境光強(qiáng)影響的測試結(jié)果,如圖15所示。

圖15 傳感器A環(huán)境光強(qiáng)影響的測試結(jié)果

傳感器B環(huán)境光強(qiáng)影響的測試結(jié)果,如圖16所示。

圖16 傳感器B環(huán)境光強(qiáng)影響的測試結(jié)果

根據(jù)測試結(jié)果可知:

對比不同環(huán)境光強(qiáng)下傳感器測量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差,線結(jié)構(gòu)光傳感器在強(qiáng)光環(huán)境下和正常環(huán)境光下測量結(jié)果的穩(wěn)定性一致;正常環(huán)境光下的光照強(qiáng)度低于150勒克斯,該次測試模擬的強(qiáng)光環(huán)境最高光照強(qiáng)度為5萬勒克斯,已經(jīng)大幅超過傳感器測量時(shí)環(huán)境光可能達(dá)到的強(qiáng)度。

因此,不同環(huán)境光強(qiáng)對測量精度的影響可忽略,線結(jié)構(gòu)光傳感器可在一定的強(qiáng)光環(huán)境下進(jìn)行穩(wěn)定測量。

5 結(jié)束語

為了揭示線結(jié)構(gòu)光傳感器在各種因素影響下的測量特性,筆者設(shè)計(jì)了一種測試平臺,研究了傳感器的內(nèi)部因素(內(nèi)部溫度、測量區(qū)域位置、曝光時(shí)間)和外部因素(測量物體的性質(zhì)、環(huán)境光強(qiáng))對傳感器測量特性的影響;通過分析獲得了不同因素對線結(jié)構(gòu)光傳感器測量特性的影響情況。

研究結(jié)論如下:

(1)線結(jié)構(gòu)光傳感器開機(jī)后測量結(jié)果變化與內(nèi)部溫度變化呈正相關(guān)趨勢,從開機(jī)至達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)期間測量結(jié)果變化呈一定規(guī)律,可通過誤差補(bǔ)償提高測量精度;

(2)線結(jié)構(gòu)光傳感器有效測量區(qū)域內(nèi)X方向中部區(qū)域的穩(wěn)定性優(yōu)于邊緣區(qū)域,應(yīng)根據(jù)測量需求選擇最佳測量位置;

(3)曝光時(shí)間決定了測量結(jié)果的可靠性,需要根據(jù)不同的測量物體表面回光強(qiáng)度來調(diào)整合適的傳感器曝光時(shí)間;

(4)線結(jié)構(gòu)光傳感器測量鋼、銅、鋁等金屬材料物體以及黑色塑料物體時(shí),測量輪廓結(jié)果穩(wěn)定可靠,但是不能穩(wěn)定測量強(qiáng)透光性物體;

(5)不同環(huán)境光強(qiáng)對測量精度的影響可忽略,線結(jié)構(gòu)光傳感器可在一定的強(qiáng)光環(huán)境下進(jìn)行穩(wěn)定測量。

下一步,筆者將使用線結(jié)構(gòu)光傳感器對物體表面進(jìn)行多角度測量,研究激光散射等因素對傳感器測量特性的影響情況。