激光三角法測量鋼板厚度光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計激光三角法測量鋼板厚度光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計激光三角法測量鋼板厚度光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計激光三角法測量鋼板厚度光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計編制僅供參考審核批準(zhǔn)生效日期地址：電話：傳真:郵編:光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計論文目錄摘要…..........................................................................................................................第一章引言..................................................................................................................研究的背景和意義...........................................................................................國內(nèi)外研究現(xiàn)狀................................................................................................國外發(fā)展現(xiàn)狀.............................................................................................國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀...............................................................................................第二章測量原理及方案論證.....................................................................................設(shè)計任務(wù)分析.....................................................................................................測厚技術(shù)簡述....................................................................................................激光三角法測量原理...........................................................................................激光三角法測量的類型和區(qū)別....................................................................激光三角法測量的基本原理........................................................................沙姆條件…………………................................測量模型及方案論證…………...........................第三章光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計....................................................................................................總體結(jié)構(gòu)布局.......................................................................................................光源......................................................................................................................聚焦系統(tǒng)與成像系統(tǒng)...........................................................................................第四章誤差與精度分析................................................................................................誤差分析...............................................................................................................光學(xué)系統(tǒng)誤差分析.........................................................................................隨機誤差分析................................................................................................精度分析.............................................................................................................第五章總結(jié)....................................................................................................................參考文獻.........................................................................................................................摘要在科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展的今天，外形尺寸的測量一直是工業(yè)生產(chǎn)中的一個重要環(huán)節(jié)，厚度測量更是人們關(guān)注的焦點。在測厚領(lǐng)域里，采用激光三角法這一典型的非接觸式測量方法對物體的厚度進行絕對測量不僅能滿足測量的實時性，還能保證測量的高精確度，這種測量方法已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展趨勢。本文所提出的基于激光三角法厚度在線測量技術(shù)采用雙光路半導(dǎo)體激光技術(shù)與直射型激光三角法相結(jié)合，同時對平板物體進行厚度的在線測量。文中主要包括總體方案的設(shè)計和由此涉及的關(guān)鍵技術(shù)、測量原理、精度與誤差、實驗等幾個部分，本課題提出的基于激光三角法厚度絕對測量研究,是集機、電、光、計算機等技術(shù)于一體的精密測量方法,它的主要組成部分是:激光器、聚焦系統(tǒng)和成像系統(tǒng)、光電轉(zhuǎn)換器件CCD及計算機數(shù)據(jù)處理部分。這里由于是只對光學(xué)系統(tǒng)進行設(shè)計，所以本文主要論述的是光學(xué)系統(tǒng)部分的任務(wù)分析，測量原理的理論分析和計算方法，并對光學(xué)系統(tǒng)可能產(chǎn)生的誤差進行分析，并對于個別誤差提出相對應(yīng)的解決措施，以提高測量精度和測量速度。全文的主要內(nèi)容分為四章：第一章：引言,主要介紹了鋼板測厚的重要性，由于主要采用的是激光三角法進行測量所以主要介紹以及激光三角法在非接觸測量中國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用前景。第二章：測量原理，激光三角法測量的不同類型，通過對比，進行選型；簡述激光三角法的測量原理，我們所設(shè)計的光學(xué)系統(tǒng)的測量模型和方案論證。第三章：首先介紹了總體結(jié)構(gòu)的布局，然后對光學(xué)系統(tǒng)的光源、聚焦系統(tǒng)及成像系統(tǒng)進行設(shè)計。第四章：對光學(xué)系統(tǒng)在測量過程中可能產(chǎn)生的誤差進行了分析，并對一些誤差提出了解決方案以提高測量的精度及速度。第五章：總結(jié)，文章的最后進行了全文的總結(jié)，并提出了在設(shè)計過程中的不足之處，講述了自己在設(shè)計過程中的心得體會。第一章引言§研究背景和意義現(xiàn)如今，工業(yè)發(fā)展的水平可以近似直接代表著國民經(jīng)濟的整體實力水平，因此工業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)水平對國民發(fā)展有著重要的意義。鋼板是造船、橋梁、機械、汽車行業(yè)中不可缺少的原材料，在軋鋼生產(chǎn)過程中鋼板尺寸是很重要的參數(shù)，直接決定著鋼板的成材率。傳統(tǒng)的檢測方法是采用檢測頭與待測鋼板直接接觸來測量，這種測量方法檢測效率低，勞動強度大，而且會使測量儀器的檢測頭發(fā)生磨損，從而造成儀器的測量精度下降。因此，在現(xiàn)代板材生產(chǎn)中，不論是軋制過程中還是最終產(chǎn)品的調(diào)整中，為獲得較高的板材命中率和最佳的軋制過程及剪切效果，板材尺寸測量系統(tǒng)已成為生產(chǎn)線上不可缺少的設(shè)備之一。寬度偏差每減少1mm，成材率就可以提高0．1％左右，因此尺寸控制技術(shù)可顯著提高經(jīng)濟效益和產(chǎn)品競爭力。目前，我國大部分企業(yè)仍在延用傳統(tǒng)的測量方法，采用接觸式的測量方式，技術(shù)相對落后，而且在處理復(fù)雜的零件時顯得無從下手。這種情況嚴重地影響了工作的效率與工作的質(zhì)量，為此應(yīng)加大力度地發(fā)展測量的新技術(shù)來解決傳統(tǒng)測量方式不能處理的問題，以適應(yīng)現(xiàn)代生產(chǎn)發(fā)展的需要。隨著工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的不斷提高與更新，這種非接觸式的測量方法能夠滿足對測量所要求的精確度與實時性，己經(jīng)成為這一領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。再加上電子技術(shù)與光學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，光電檢測這種綜合多種技術(shù)的測量方法成為非接觸式測量的重要手段。本文所提出的激光三角法是光電檢測技術(shù)其中的一種。這種方法在檢測長度、距離以及三維形貌的用途中因其具有結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)速度快、實時處理能力強、使用靈活方便等優(yōu)點顯得更具優(yōu)勢。這種方法已經(jīng)在測量位移、表面形貌等檢測工作中取得了很好的效果，并且會擴展更廣闊的使用空間,發(fā)揮其優(yōu)勢,推動工業(yè)檢測技術(shù)的發(fā)展?！靽鴥?nèi)外研究現(xiàn)狀自上個世紀60年代激光測微儀的誕生，這種商品被大力的發(fā)展與生產(chǎn)，性能得到不斷的改善,應(yīng)用領(lǐng)域也被擴展的更加廣泛，成為一種重要的非接觸式檢測儀器。國內(nèi)外也有不少企業(yè)在做這方面的技術(shù)，一般分為直射式與斜射式兩種形式。直射式的產(chǎn)品有基恩士公司生產(chǎn)的LS系列和LK系列，德國Micro-Epsilon公司的optoNCDT系列，美國MT公司的MicroTRAK系列等多種型號；斜射式的激光位移傳感器以日本Keyence公司的LK系列最為突出。表1-1列出了目前市場上常見的幾種激光三角位移傳感器的技術(shù)指標(biāo)[6]。表1-1激光三角位移傳感器的技術(shù)指標(biāo)[8]國外發(fā)展現(xiàn)狀在歐洲以及美國等發(fā)達國家很早就致力于激光三角法測量平板厚度的基礎(chǔ)理論研究及測量儀器的研制，并且己經(jīng)為此投產(chǎn)，生產(chǎn)出了一系列相對比較完善光電檢測產(chǎn)品，尤其是在日本和德國，光電子技術(shù)的發(fā)展的速度非?？欤瑧?yīng)用也相對的更為廣泛一些，所以國外在厚度檢測這一方面的發(fā)展有著很迅猛的速度，擁有光源照明技術(shù)和光電檢測元件的種類非常齊全，光電檢測技術(shù)也很成熟。例如:日本的Mot1toshiAndo等人運用光三角方法印制線路板的線條檢測，用這種方法還可以檢驗出工件表面的劃痕和裂痕；英國劍橋大學(xué)的RoertJohnes等人將該方法用于渦輪葉片及飛機機翼斷面檢測，在10mm范圍內(nèi)精度可達2-5μm；西德早已報道把激光光學(xué)三角測量技術(shù)和裝置用于隨線控制，它既可測量鋼板的厚度，又可測量鋼水的高度；日本的安立一巖通公司推出的通用型激光厚度位移計ST-370型的1、2、3系列。國外各大公司在光電檢測技術(shù)中的突出表現(xiàn)代表了目前光電檢測技術(shù)的一個發(fā)展程度，同時也預(yù)示著光電檢測技術(shù)更廣闊的發(fā)展空間國內(nèi)研究現(xiàn)狀雖然國內(nèi)在光電檢測技術(shù)上的起步較晚，但是鑒于傳統(tǒng)的接觸式測量技術(shù)有著較大局限性，行內(nèi)的技術(shù)人員早已注重了對于新型測量方式—非接觸式測量技術(shù)的研究，使其技術(shù)在國內(nèi)迅速發(fā)展，并且取得了一些相對比較好的成果。例如：1987年8月由電子工業(yè)部第二十五研究所的陳為民、卞海洋等人研制成功的激光測厚儀采用激光雙三角測量原理，由激光器!視頻信號處理器、微機等組成；1991年,中國科技大學(xué)的金泰義、李勝利等人開發(fā)研制出了JW—1型CCD激光測微儀，它以半導(dǎo)體激光器為光源,通過CCD進行信號接收，接受的數(shù)據(jù)送入計算機進行處理。這種測微儀是光、機、電一體化的典型事例，是光電檢測方面研制的比較早的CCD激光測厚儀，采用光電藕合器件CCD實現(xiàn),整體系統(tǒng)的技術(shù)水平在當(dāng)時的國內(nèi)己經(jīng)體現(xiàn)了檢測技術(shù)的最高水平；長春光機所研制的基于光學(xué)三角測量原理的激光非接觸探頭結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕，測量精度高，速度快；安徽工業(yè)大學(xué)電信學(xué)院的章小兵在研究了板材在線測厚時就用的激光三角法并敘述了激光三角法測厚的原理[1]，對板材在線測厚系統(tǒng)進行了硬件設(shè)計和軟件設(shè)計并給出了系統(tǒng)測量指標(biāo)。與此同時，例如計算機視覺測試技術(shù)等新型技術(shù)都是在以激光三角法為理論基礎(chǔ)的研究上發(fā)展起來的?！煺雇ㄟ^大量的檢索查新國內(nèi)國外文獻資料，可以發(fā)現(xiàn)目前我國光電檢測儀器與工業(yè)發(fā)達的國家相比，我國的光電檢測的儀器產(chǎn)業(yè)還不夠成熟。我國主要報導(dǎo)的多，實際設(shè)計應(yīng)用的少。從減小測量誤差、提高測量有效速率方面與發(fā)達國家的產(chǎn)品設(shè)計還是存在一定的差距的。特別是本文涉及的以激光技術(shù)激光三角檢測技術(shù)、光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計和計算機技術(shù)相結(jié)合對平板進行絕對測厚的技術(shù)在國內(nèi)鮮少報道。第二章測量原理和方案論證§設(shè)計任務(wù)分析由于在生產(chǎn)線從加熱爐出來，經(jīng)軋輥機軋制的鋼板，溫度很高，一般在900℃左右，呈現(xiàn)紅色或暗紅色。為了更快更準(zhǔn)確的獲得鋼板尺寸數(shù)據(jù)，得到最佳的軋制過程及剪切效果，需要實時在線采集鋼板尺寸信息，并及時顯示出來，以便于操作工人及時調(diào)整軋機或者印制尺寸標(biāo)識。所以我們根據(jù)實際應(yīng)用需求，要求所設(shè)計的測量系統(tǒng)必須可以進行非接觸式的在線測量，為了簡化設(shè)計難度，在設(shè)計要求中假設(shè)是在鋼板冷卻后再進行測量。所需測試的鋼板的厚度為5±，精度要求為±1％。§測厚技術(shù)簡述測厚技術(shù)通常都是以非接觸式檢測方法為主，按照測量原理和使用的傳感器類型來分，大致可分為激光三角法、電容法、射線法、超聲法等。這里我們選用的是激光三角法測厚度，所以其他測量方法就不做過多的贅述。激光三角法利用探頭中的激光器發(fā)射出激光，入射到電荷藕合器件CCD或位置檢測器PSD作為接收器，通過在接收面上的像點經(jīng)過位移變化，再通過計算公式計算出被測面的位移。本系統(tǒng)就是采用這種雙激光三角法進行厚度測量,其原理示意圖如圖所示。圖雙激光三角法厚度測量原理示意圖激光三角法在測厚領(lǐng)域里已經(jīng)日趨發(fā)展成熟，通過光學(xué)系統(tǒng)、機械系統(tǒng)、電路系統(tǒng)三者有機的結(jié)合，已經(jīng)有一系列的測厚儀器問世；同時在近幾年中，應(yīng)用激光三角法，結(jié)合電荷耦合器件CCD，應(yīng)用兩個探頭同時進行厚度測量，使測厚技術(shù)己經(jīng)逐步向于動態(tài)、實時化測量，自動、程序化數(shù)據(jù)處理方向高速發(fā)展?！旒す馊欠y量原理根據(jù)前文所述的任務(wù)分析，我們選擇采用具有分辨力高、測量精度高、穩(wěn)定性好、非接觸測量、可實現(xiàn)在線檢測、測量儀器體積小等特點的激光三角法，來實現(xiàn)位移測量的。盡管常用的微位移檢測的方法有很多種,例如機械法、電學(xué)法、光學(xué)法等，但都無法與激光三角法匹敵,激光三角法是位移檢測方法的發(fā)展趨勢,具有廣闊的應(yīng)用前景。激光三角法測量的類型及區(qū)別(1)反射型與投射型激光三角法光路按檢測方式分為反射型與透射型本系統(tǒng)采用的就是反射型的激光三角法,通過激光在被測對象的表面發(fā)生反射,接收到被測信息。而對于一些特殊材料的被測工件如透明物質(zhì),由于其表面非常光滑，用反射型會對測量產(chǎn)生一定的影響,則可以采用透射式激光三角法,通過激光器發(fā)出的光線透過被測工件再投射在光敏面上而獲取測量信息。(2)單束光和片光按入射光束的形態(tài)來分,又可分為單束光和片光。顧名思義,若單束光入射的話,光斑小、光的強度高，但是廣度不夠,如果片光入射則需要采用激光透射光條與一個面陣探測器組成,通過光切法,也稱結(jié)構(gòu)光圖像法，能一次獲取一條掃描線上的數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)采用的是單束光入射測量。(3)直射型和斜射型若按入射光線與被測工件表面法線的關(guān)系來分,可分為直射式和斜射式。對于直射式,就是光束垂直入射到被測物表面,采用漫反射光進行測量,當(dāng)物體縱向移動時,所測的始終是同一個被測點；斜射式的入射光束則與被測物表面形成一定的角度。斜射型：如下圖所示,入射光束與被測物面成一夾角,利用反射到探測器件CCD的像點位置變化測量物體的位置厚度,當(dāng)物體縱向移動時,所測的被測點會隨移動發(fā)生改變,當(dāng)測量平滑物體如玻璃、鏡面時要比直射型的測量精度高很多。斜射式入射光照射在物體的不同位置,當(dāng)被測物體移動時,光點的位移不能直接得到,要通過角度計算得出。斜射式分辨率很高,但測量范圍較小、體積較大、光斑較大，所以在此不符合本系統(tǒng)體積的要求。圖斜射型示意圖直射型：如下圖所示,激光器發(fā)出的入射光束垂直于成像透鏡光軸O,光敏面與成像物鏡O平行,被測點的位移與光電探測器上光斑的位移為線性關(guān)系,可用于測量相對或絕對位移,但其光敏面要求很大,而且被測點在成像面的像并不清晰,因此測量精確度不高。光斑較小,光強集中,體積較小,并且不會因被測面不水平而擴大光斑是直射型三角法的最大優(yōu)點。但由于直射型接收的是散射光,當(dāng)測量到較為平滑的被測面時,散射性能較差,使光電探測器件CCD接收到的散射光光強小,對測量產(chǎn)生影響,令測量過程受到阻礙,測量精度受到影響。圖直射型示意圖激光三角法測量的基本原理通過上述對激光三角法測量的類型及區(qū)別的論述，及我們設(shè)計任務(wù)需求的分析，綜合考慮我們選擇了單束光入射，光路檢測方式為反射型，光束垂直入射到被測物表面,采用漫反射光進行測量的直射型激光三角法對鋼板厚度進行測量。(1).傳統(tǒng)的激光三角法傳統(tǒng)的激光三角法基本原理如圖所示，采用直射型，光電探測器采用的是CCD，當(dāng)散射光通過成像透鏡時，如果將CCD以垂直于激光束入射的位置進行安裝耦合，則成像到CCD上的光點會由于沒有完全聚焦而出現(xiàn)彌散斑，測量并不完全。圖激光三角法的基本原理圖于是為了光點所成的像在接收器表面上每一點都清晰，則要求透鏡光軸與接收面之間必須形成一定的夾角，所以我們選用CCD接收器為傾斜式的方式，即完全聚焦的激光三角法測量,如圖所示。圖完全聚焦的激光三角法示意圖圖中PO為入射光源,光線經(jīng)準(zhǔn)直透鏡后垂直入射到物體表面，反射后經(jīng)過成像透鏡中心點M成像在CCD接收面上，入射光PO與反射光以的夾角為θ，反射光OA與CCD成像平面的夾角為φ，P點成像于CCD平面上的B點，O點成像于CCD平面上的A點，由圖中可知，P點與O點高度不同，所成的像投射到光敏面上的位置也是不同的，設(shè)O點所在平面為基準(zhǔn)面，A為CCD成像平面上的成像基準(zhǔn)點，則光線PO上的點與CCD平面上的投影點是一一對應(yīng)的。因此，只要知道光線PO上的任何一點在CCD成像面上的位置就可以求出該點的高度信息。由圖，可列出以下關(guān)系式PO×sinθAB×sin由公式可推出PO=OM×AB×式中：PO一一物點的高度信息;AB一一P點在CCD成像平面的成像點與成像基準(zhǔn)點A的偏移量OM一一O點成像PO物距;MA一一O點成像像距;激光束垂直投射到被測物面，所形成的漫反射光斑作為傳感信號，用透鏡成像將收集到的漫反射光會聚到像平面的光接收器上形成像點。當(dāng)被測物面移動時,入射光斑也會隨之移動，像點也會在光接收面上做相應(yīng)的移動，根據(jù)像移大小和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)可以確定被測物面的位移量，從而還可以獲取其它方面信息。本系統(tǒng)中，為使光接收器上的像點不存在盲點,光接收器的光敏面必須與成像光軸成一夾角φ。這樣既可以保證入射光斑與其像斑位移具有的關(guān)系精確，還可以使成像點最小，有利于提高測量精度。同時為了提高測量精度，φ和θ必須滿足沙姆(Seheimpflug)條件，即tanθ=d0di圖物一像位移軌跡圖圖中d0為基準(zhǔn)點的物距,di為基準(zhǔn)點的象距，O’為O經(jīng)成像透鏡的像點,A、B分別為a、b經(jīng)成像透鏡的像點,θ為光入射角,φ為成像角,l為成像透鏡,焦距為F。當(dāng)激光光束照射到a點時，由圖可知:a由相似三角形△ao1l△Ao’1l得：令則由式，可化簡為同理可推得,當(dāng)物面由O至b時綜合上面可得,式中,符號“+”對應(yīng)于圖由o移至b,符號“─”對應(yīng)物面由o移至a。式中,符號“+”對應(yīng)于圖由o移至a,符號“─”對應(yīng)物面由o移至b。由Z-I關(guān)系公式可得Z-I關(guān)系曲線，圖所示。從圖中可以看出I該曲線為非線性曲線，只有當(dāng)物面在O點附近較小范圍移動時，上述曲線可近似按線性關(guān)系處理。圖Z-I非線性關(guān)系曲線§ScheimpflugCondition(沙姆條件)被測物表面,鏡頭平面和影像的平面在一個共同點上相交的光學(xué)狀態(tài)稱沙姆條件,即在直射型激光掃描測量中,當(dāng)入射光斑沿激光束方向位移時,其成像點在像平面內(nèi)沿直線軌跡移動,則激光束軸線!成像透鏡主面及CCD像平面三者交于一點,滿足高斯條件,這是激光三角測量傳感器實現(xiàn)精密測量的前提條件?！鞙y量模型及方案論證本課題采用直射式三角法，測量模型的的基本組成有激光器、聚焦物鏡、成像物鏡及光敏陣列線陣。CCD其測量原理為激光器發(fā)出光的軸線與聚焦物鏡的主平面兩者同處一個平面上，并與CCD垂直。當(dāng)激光器發(fā)出一束平行光，經(jīng)由聚焦物鏡聚焦在待測物的表面，產(chǎn)生的散射光通過成像透鏡成像在CCD光敏面上。CCD將像信號轉(zhuǎn)換為電信號測出其像點的位置。當(dāng)被測物體沿著法線方向移動時，其表面上光斑會隨著聚焦物鏡的位置變化而發(fā)生改變，相應(yīng)地，像點在光敏器件CCD上的位置也要發(fā)生變化，精確地測量像點在CCD上的位移x，就可以得到被測物體的位移量。由于是絕對測量，所以采用激光上下表面雙三角法，準(zhǔn)確的測量運動物體的厚度。如下圖所示，圖中a為散射光接收角，θ是成像角，d0為參考點處的物距，di為像距，d為上下兩參考面之間的距離，x是物位移，x’為像位移。圖激光三角法測厚原理圖[2]由上圖可得光學(xué)關(guān)系式：式中β一一成像透鏡的放大倍數(shù)上、下物面相對的移動距離為x1和x2，兩CCD上的像點移動至x’11和x’21，像點移動距離?x1=x則因此，由于上下探頭完全對稱,同理可得其中在探頭參數(shù)確定后,C1與C2為定值,當(dāng)上下探測頭測得像點位移量?X1,?X2后,按公式、式計算便可得到物件的位移量第三章光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計§總體結(jié)構(gòu)布局系統(tǒng)的組成系統(tǒng)由以下幾大部分組成：激光發(fā)射器，光三角位移檢測系統(tǒng)，計算機數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，工作臺。圖測量系統(tǒng)方框圖1.激光測頭部分由激光發(fā)射器組成的光源系統(tǒng)、聚焦光源的準(zhǔn)直系統(tǒng)、接收光信號的激光成像系統(tǒng)構(gòu)成，由于本設(shè)計測量為絕對厚度，所以我們采用兩個激光探測頭。2.光三角位移檢測系統(tǒng)本文采用激光三角法原理設(shè)計的測厚系統(tǒng),用線陣CCD作為光電接收器件，通過物面的位移由此檢測出在感光面上成像點的位移,通過計算得出厚度。3.計算機、實時數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)計算機數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是將接收到的光信息轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)輸入計算機，通過計算機的內(nèi)部編程結(jié)構(gòu)計算出所求厚度,并顯示出測量結(jié)果、存貯及打印。4.工作臺對所測物件進行固定，并使其可按照一定規(guī)律、方向、有速度的平穩(wěn)運動。這種系統(tǒng)主要是由基座、滑臺、導(dǎo)向、傳動、定位與夾緊結(jié)構(gòu)等組成的。總體結(jié)構(gòu)布局基于激光三角法原理設(shè)計的測厚系統(tǒng),是通過上述的激光探頭系統(tǒng)發(fā)出光源,照射在被測物體上,通過光三角位移系統(tǒng)作為信息載體,接收并反饋出所需信息,并經(jīng)過計算機控制系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)確定,對工件進行測量,則被測工件的絕對厚度可以確定了。根據(jù)系統(tǒng)組成,總體結(jié)構(gòu)布局如下圖圖總體結(jié)構(gòu)布局§光源目前,激光作為一種新型能源[6],具有單色性好,光亮度極高,方向性強等優(yōu)點,它在測量,加工等多種領(lǐng)域都有很廣泛的應(yīng)用。在眾多的激光器中,氦氖氣體激光器和半導(dǎo)體激光器應(yīng)用尤為廣泛。其中氦氖氣體激光器具有連續(xù)輸出激光的能力、結(jié)構(gòu)簡單,但體積較大,而半導(dǎo)體激光器具有體積較小、效率較高、驅(qū)動功率小等優(yōu)點,尤其適用于測距。于是為了本設(shè)計要求，本文選取了半導(dǎo)體激光器。半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激光,由于空間相干性好,投射點也相應(yīng)的變得很小,輻射能量就越小,分辨率就越高,能量密度也隨之增大。文中選用的是波長為688nm半導(dǎo)體激光器。在實驗中發(fā)現(xiàn),由于選用的激光器發(fā)出的激光光強較大,使投射到光電探測器CCD上像點的光斑也隨之增大,影響測量系統(tǒng)的分辨率。解決的方法是在聚焦透鏡后面放置一塊偏振片,通過調(diào)節(jié)偏振片,改變其旋轉(zhuǎn)方向,對激光器所發(fā)出的線偏振光進行過濾,使光束中心光強較強的光束通過過濾,濾除邊緣較弱的光,使光束細化,則CCD上像點的光斑減小,提高儀器的測量精度。§聚焦系統(tǒng)及成像系統(tǒng)在光路設(shè)計中,聚焦系統(tǒng)和成像系統(tǒng)是本設(shè)計中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。整個系統(tǒng)的可靠性在很大程度上取決于聚焦系統(tǒng)和成像系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。聚焦透鏡激光器光源發(fā)出的光盡管光束較細,發(fā)散角較小,但仍存在一定的直徑,在CCD的光敏面上形成的是一個小光斑,測量精度會由于覆蓋光敏面上的光敏元離散而受到影響。另外,當(dāng)物體表面隨法線方向進行移動,位移發(fā)生變化時,像點在CCD的光敏面上也作出相應(yīng)的位置移動,如果像點過大,而CCD光敏面量程一定會影響測量效果,則應(yīng)盡量縮小投射在CCD光敏面上的像點直徑,減小孔徑,使像差較小。在本系統(tǒng)中,聚焦透鏡的設(shè)計不是本文研究的主要重點,則設(shè)計中我們采取了結(jié)構(gòu)相對簡單、準(zhǔn)直效果較好的單透鏡聚焦系統(tǒng)。成像透鏡本系統(tǒng)的成像透鏡是根據(jù)測量系統(tǒng)的分辨率、測量范圍、工作距離等要求光電轉(zhuǎn)換器件CCD本身特性進行設(shè)計的。系統(tǒng)測量范圍很大時,要求散射光在CCD面上的成像點不能過大。如果測量范圍很大,當(dāng)被測物體移動到測量范圍邊緣時,光強會隨移動而逐漸衰減,所以要根據(jù)實際情況調(diào)節(jié)放大倍率刀的大小。第四章誤差與精度分析§誤差分析基于激光三角法的厚度絕對測量試驗系統(tǒng)是一個由機械、光學(xué)、電子和計算機組成的一個有機的整體,因此在測量實驗中所得到的結(jié)果中所包含的誤差也是由多種誤差因素引起的。在這些誤差中,有些通過具體計算就可以得到,而有些則需要通過實驗標(biāo)定的方法來進行估算,并且在某些情況下只能求出誤差的變動范圍,這就是誤差極限值。這里主要介紹光學(xué)系統(tǒng)的誤差分析[4]。光學(xué)系統(tǒng)誤差分析在本測量系統(tǒng)中,光學(xué)系統(tǒng)的誤差主要是指采用的激光器、光學(xué)透鏡產(chǎn)生的,從測量原理上看,光源方面我們需要采用一種體積小、驅(qū)動功率小、使用方便的光源發(fā)生器,同時還需要光源的空間相干性好,這樣才可以使投射到測量物體上的光斑小,光斑越小分辨率就越高,但是如果光斑非常小,輻射能量就不會很大,導(dǎo)致接收靈敏度就要降低。所以,為了在通過光學(xué)系統(tǒng)聚焦后產(chǎn)生較高的能量密度,系統(tǒng)采用了半導(dǎo)體激光器作為光源,這樣才能使探頭小型化。但是半導(dǎo)體激光器本身也會產(chǎn)生誤差[7]。(l)激光束輸出功率的不穩(wěn)定及噪聲影響。激光的功率不穩(wěn)定將造成光強分布不穩(wěn)定及激光線寬;噪聲影響有很多因素,直接影響測量精度。(2)激光投影質(zhì)量的影響。由于被測物體的表面特性、測量環(huán)境等因素的影響,激光投影質(zhì)量也會產(chǎn)生誤差。在光學(xué)元件方面,被測物體方向與成像系統(tǒng)光軸存在一定的夾角,雖然在實際裝調(diào)過程中調(diào)節(jié),但并不能達到理想角度,所以會產(chǎn)生各種象差(彗差、像散、畸變等軸外像差)使實際成像點偏離理想成像點而產(chǎn)生誤差。隨機誤差分析基于激光三角法厚度絕對測量的實驗系統(tǒng)的隨機誤差可以主要歸納為以下幾個方面:(l)測量裝置方面的因素:測量裝置采用的CCD探測器在采集信號及電信號處理時會造成隨機噪聲,在重復(fù)測量過程中,會產(chǎn)生離散化采樣誤差、每次測量時量塊的裝夾位置也不一致。(2)測量環(huán)境方面的因素:測量主機所在的平臺會有外界所帶來的輕微的低頻震動;儀器所在的實驗室氣流和溫度會有波動,以及空氣中塵埃的漂浮等。(3)操作人員方面的因素:盡管儀器自動采集與處理數(shù)據(jù),但測量標(biāo)準(zhǔn)樣件是由操作人員裝夾并調(diào)整操作的,會使被采集的圖像分辨質(zhì)量差、造成較大的離散化采樣誤差;以及工作人員可以被當(dāng)做熱源引起氣流的擾動。隨機誤差是一種隨機變量,它具有隨機變量固有的統(tǒng)計分布規(guī)律。設(shè)被測量值的真值為x0,各次測量值為xi,若xi中不含有系統(tǒng)誤差,則根據(jù)對隨機誤差δi的定義有：δi=xi-x0對于一組測量數(shù)據(jù),往往用標(biāo)準(zhǔn)差來表述這組數(shù)據(jù)的分散性。如果這組數(shù)據(jù)是來自于某測量總體的一個樣本,則該組數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差是對總體標(biāo)準(zhǔn)差的一個估計,稱其為樣本標(biāo)準(zhǔn)差。其中該公式中的Vi=Xi?X0定義為殘余物差即殘差?！炀确治霰鞠到y(tǒng)采用的是精度很高的傳感器,但理論上,儀器的內(nèi)部還會存在測量誤差。這里同樣主要介紹光學(xué)系統(tǒng)方面[3]。1.測量系統(tǒng)方面(1)光學(xué)系統(tǒng)的像差會使物體上任一點發(fā)出的光束通過光學(xué)系統(tǒng)后,不能匯聚在同一點,而是形成一個彌散斑并不能表現(xiàn)出原物的形狀。相應(yīng)的改進方法是在接受透鏡的設(shè)計中要考慮像差的因素。(2)光信號的輸入與電信號的輸出之間呈非線性,相應(yīng)的改進方法是采取較優(yōu)的標(biāo)定方法,之后得到具體的物體位移值。2.被測物體方面(l)被測表面的粗糙會對測量精度產(chǎn)生影響,相應(yīng)的改進方法是多選取幾塊標(biāo)準(zhǔn)量塊進行多次測量,對于有時被測表面產(chǎn)生的陰影和死區(qū),采取兩個激光探頭發(fā)出的激光從相對的兩個方向同時對被測物進行掃面,使用單光源、雙檢測器,最后通過計算融合數(shù)據(jù)。(2)由于被測物不總是標(biāo)準(zhǔn)量塊,表面會有孔或者縫,使得傳感器不能很好的接收反射光。