高精度激光三角位移测量系统误差分析

激光三角测量方法因其具有结构简单、非接触、信号处理便捷等特点而得到广泛应用。针对工程应用中提出的高精度、大工作距离的测量要求,从激光三角位移传感器结构、光斑定位不确定度和定标方法等方面进行分析,分别讨论了各个因素对于测量精度的影响,并提出了优化方案。经实验验证,该激光三角位移测量系统在110mm的工作距离下测量误差小于1.2μm,优于在同等工作条件下的商用激光三角位移传感器。     

基于最小二乘法多项式拟合三角测量模型研究

激光三角法具有非接触测量、测量范围大、相对测量精度高、结构简单、环境适应性强等多种优点, 得到了广泛应用。但是三角测量的理论公式具有非线性特征, 而且光学结构参数(a、b、θ)等在现实工程中具有不可测性。研究了三角测量中数学模型的建立方法, 选用多项式展开方法建立数学模型。通过应用最小二乘法拟合多项式的方法求解模型系数, 提出了根据最大相对拟合残差要求、结合相关系数用于控制拟合多项式阶数的评价方法, 并通过实际光学系统验证了该方法的可行性, 达到了0.01%的相对误差。最小二乘法拟合多项式的方法对于激光三角位移传感器的标定和系统误差消除具有实际的指导意义。     

大量程激光位移传感器的成像系统设计

为了解决目前国内自主研发的激光位移传感器基准工作距离短和测量范围小的问题,设计了一种适用于远距离测量的大量程激光位移传感器成像光学系统。基于激光三角测量原理,结合具体使用要求计算了大量程激光位移传感器的性能指标和成像光学系统的设计参数。选择5片式透镜结构作为系统的初始结构,利用光学设计软件对大量程激光位移传感器成像光学系统进行了仿真,完成了系统优化和性能分析,实现了基准工作距离为1 000 mm、量程为±500 mm、分辨率为0.4 mm的大量程激光位移传感器成像系统设计。结果表明,在测量范围±500 mm内,系统均可以满足成像质量要求。该激光位移传感器成像系统具有工作距离远、测量量程大、结构简单的特点,可满足1 000 mm远距离处大量程范围的测量使用要求。     

半导体激光管位移传感器的模型建立及仿真分析

从激光应用系统稳态条件出发,建立了半导体激光管位移传感器系统的数学模型,其仿真结果与有关文献的实验结论相吻合,详细阐述了通过检测ＬＤ注入调制三角波相邻两周期对应点处信号的位相差而完成位移测量的原理。由理论分析提出了提高最大允许位移速度上限和减小测量非线性误差的措施,其结论对激光自混合干涉技术的应用具有重要指导意义     

用于曲面精密检测的新型光纤三角传感器研究

基于光纤传感技术和三角测量方法，提出了一种用于曲面检测的新型光纤三角传感器。根据所设计的轮辐式接收光纤结构，可以在测量曲面与传感头间位移时，首先获取被测点处微面元的倾斜信息，以便对传感器测量值进行实时误差修正，从而解决了被测表面倾斜对坐标测量带来的影响。该传感器还能有效地消除环境光干扰、光源波动、表面反射率变化等对测量带来的影响。建立了传感器测量的数学模型。理论分析和初步的实验结果证明了系统的有效性和实用性。该传感器系统不稳定性好于0.3%，横向分辨率好于8μm，高度分辨率好于0.1μm。     

基于小孔光学系统与面阵ＣＣＤ 的激光位移传感器系统设计

 为了降低激光位移传感器的生产成本,提出一套新型激光位移传感器系统的设计方法。该设计基于三角测距原理,使用ＣＣＤ 单板机作为光电探测器,换用小孔光学系统替代透镜,并针对小孔光学系统的特点对传感器系统重要参数的确定方法进行了研究,编写图像处理算法提取目标图像中的位移信息,从而达到非接触式位移测量目的。搭建了一套该新型激光位移传感器系统进行位移测量实验,结果表明此系统可以达到量程为５０ ｍｍ、精度为１ ｍｍ 的测量需求。     

表面散射光对激光三角法位移测量的影响

三角测量法是一种位移测量方法, 其测量精度不但受到传感器本身因素如光源、探测器、机械结构特性等因素的影响, 还受到被测表面特性如色泽、材料、粗糙度、倾斜度以及外界环境的影响。国内外的一些学者提出了许多提高传感器测量精度的方法, 但这些研究都是针对某一特性表面进行的, 没有涉及到对不同表面的测量时存在的问题。利用随机行走理论对物体表面的散射场进行了分析, 给出了不同粗糙度表面下弱散射光强与散射角及入射角的关系。由于设计制造的传感器量程范围内接收散射光的角度在15°至25°内变化, 因此取20°作为散射角角度, 理论计算模拟的三种不同粗糙面散射光强变化最大能达到300%左右。该结果对于优化激光三角传感器的设计和提高测量精度有一定的意义。     

提高激光传感器用于现场校准装置精度的研究

阐述了激光传感器在位移传感器现场校准装置中的应用,对激光传感器的测量原理及校准方法进行了分析。结合现场校准的特殊性,分析现场校准过程中的误差来源,提高现场校准的精度。应用2m比长仪对激光传感器进行溯源,研究激光传感器在大长度测量应用中提高精度的方法,采用曲线拟合的方法对测量结果进行补偿。最后应用空气弹簧隔振平台的高度监控系统对溯源后的激光传感器进行验证。实验结果表明,应用激光传感器的位移传感器现场校准装置,其精度可以达到0.1%。     

基于强度补偿式光纤传感器测金属线胀系数

分析了强度补偿式光纤位移传感器的补偿机理.通过测量定标,应用最小二乘法确定了该传感器的特性曲线和拟合方程.使用强度补偿式光纤传感器测量了黄铜和铝杆的线胀系数.实验结果表明:强度补偿式光纤位移传感器采用比值运算法给出测量结果,其灵敏度高,稳定性好,用其测量微小位移,可消除一些传统测量方法中待测参量较多而引入过多测量误差的问题,实现非接触测量,且克服反射式非补偿位移传感器因光源光强波动、光纤传输介质损耗及环境光干扰所带来的测量误差.     

一种具有线性光学放大的激光三角法检测系统光路设计

从改进斜入射斜接收式激光三角法的光路系统角度出发,提出了一种对液面反射光线采用线性光学放大的光路设计,将液面微小位移变化线性放大为光电检测器上的光点位移变化来提高液位检测分辨率。对曲面镜的线性放大原理进行了理论推导,介绍了线性放大曲面镜曲线函数表达式的数值计算方法以及计算机程序流程。仿真实验结果表明,该线性放大曲面镜可以实现线性放大功能,能够有效地提高激光三角液位检测系统的液位检测分辨率,同时可保证检测系统具有较小的非线性误差。该光路设计方法也可应用于具有位置线性放大的光学位置指示系统中。     

激光三角法测量中被测物表面特性对测量精度影响的分析

激光三角法测量是现代测量技术中重要的测量方法,但其测量精度受自身系统、环境以及被测物表面特征等因素的影响。针对被测表面的特性是激光三角法产生测量中产生测量误差的主要因素,根据特定颜色所造成误差的重复特性提出了数据标定的改进方法;针对表面粗糙度,通过在光路适当位置安装偏振片有效消除了镜面反射,采用双光路设计有效改善了被测物倾斜带来的误差。最后通过实验验证了改进方法的有效性。     

直升机旋翼挥舞、摆振的激光动态测试系统

提出一种直升机旋翼挥舞、摆振角的动态测试系统。在直升机桨毂安装与旋翼同步旋转的三叉件 ,每个三叉件悬臂上装有光学三角位移传感器和线阵 CCD位移传感器 ,实现了动态测量直升机旋翼桨叶的挥舞和摆振角。为保证系统在恶劣条件下正常工作 ,系统采用了加装干涉滤光片、L D调制技术和自动增益控制电路等一系列技术措施。最后给出了实验结果。由位移 -角度转换和传感器自身的非线性引起的误差用若干静态标定点为节点插值的方法修正。得到较高精度的测试曲线     

A vision measurement model of laser displacement sensor and its calibration method

Laser displacement sensors (LDSs) use a triangulation measurement model in general. However, the non-linearity of the triangulation measurement model influences the measurement accuracy of the LDS, and the geometric parameters calibration process of the components of the LDS is tedious. In this paper, we present a vision measurement model of the LDS based on the perspective projection principle. Furthermore, a corresponding calibration method is proposed. A planar target with featured lines is moved by a 2D moving platform to some preset known positions. At each position, the world coordinates of calibration points are obtained by the cross ratio invariance principle and the linear array camera of the LDS is used for collecting target images. The simulations verify the effectiveness of the proposed model and the feasibility of the calibration method. The experimental results indicate that the calibration method achieves a calibration accuracy of 0.026 mm. Compared with the traditional measurement model, the vision measurement model of the LDS is more comprehensive and avoids a linear approximation procedure, and the corresponding calibration method is easily complemented.     

基于无衍射光的表面粗糙度三角测量及其灰色评定方法

 激光三角法是表面形貌非接触测量中的一种常用方法,在几何测量领域应用广泛。传统的激光三角法采用高斯光束作为指示光源,在机械扫描机构的配合下,通过对被测表面逐点扫描完成表面形貌的测量。采用新型的无衍射光替代传统激光光源,解决了普通高斯光束存在的“焦深”问题,简化了机械结构。并采用基于灰色系统理论的灰色滤波进行表面形貌的分离与评定,克服了原有方法对测量数据样本量和统计特性的依赖,并通过实验表明该系统能够准确地完成表面形貌的三维测量,所提出的灰色评定方法能够比较有效地进行表面形貌的分离与评定。     

A method for measuring the thickness of transparent oil film on water surface using laser trigonometry

We present a method for measurement of thickness of transparent oil film on water surface based on laser trigonometry. With an oblique incident mode of single-point laser triangulation ranging system, laser light is incident on the upper and lower surfaces of the oil film being measured and an ellipse light spot is formed on the upper and lower surfaces of the oil film. The two light spots are imaged on an image plane CCD by an imaging lens and the image spot is formed and stored in a computer. The thickness of oil film being measured can be obtained by displacement of the image spot and the configuration parameter of the imaging system. The experiment is conducted using edible peanut oil and diesel oil. The research results show that the method presented in this paper is feasible and applicable to dynamic on-line measurement of oil film thickness of oil spill on sea surface.     

激光跟踪虚拟坐标测量系统与自标定方法的实验研究

激光跟踪虚拟坐标测量系统满足了工业领域大型工件和空间形位测量所提出的要求。这些要求包括 :高精度、无导轨测量、动态实时跟踪测量、全姿态测量等。在实验室建立了基于角度 距离法的激光跟踪测量系统和基于纯距离法的多站跟踪测量系统 ,分别在三坐标测量机、光学平台光栅位移系统下进行了实际跟踪测量和精度比对实验。并运用虚拟坐标自标定算法在虚拟坐标系下确定了初始点位置、目标点坐标及各点间距离。最后 ,对两种方法的特点进行了分析比较     

一种基于激光调制的高精度位移测量方法

激光准直技术在位移测量及相关应用中具有重要作用，其核心器件是位置敏感探测器，环境杂散光、电源波动、光电信号处理电路噪声等是影响测量精度的主要因素。针对以上问题，提出一种基于激光调制的高精度位移测量方法。将激光器由直流驱动的连续输出模式改为交流驱动的调制模式输出，优化设计光电探测器微弱光电信号的调理与采集系统，通过编写Labview软件对信号进行频谱分析、带通滤波、均值处理等，对激光连续输出和激光调制输出2种情况分别进行了实验测试与分析，并对比了位移测量的稳定性。实验结果表明:其测量值波动范围从7 μm减少到了2.6 μm，验证了基于激光调制方法的有效性，可以通过滤波更加有效地消除噪声，测量精度提高至3 μm以内。