基于激光三角法的藥型尺寸測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)

◎董 偉

基于激光三角法的藥型尺寸測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)

◎董 偉

(三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，河南 三門峽 472000)

激光三角法較傳統(tǒng)的光學(xué)三角測(cè)量法可以得到更高的精度,其在位移測(cè)量及其他應(yīng)用中已經(jīng)有了一定的研究。針對(duì)以往手工測(cè)量藥型尺寸誤差大的情況，設(shè)計(jì)了一套基于激光三角法的藥型尺寸測(cè)量裝置。筆者詳細(xì)地介紹了該裝置的基本原理、各部件的設(shè)計(jì)過(guò)程以及測(cè)量過(guò)程，分析了影響測(cè)量精度的主要因素，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了系統(tǒng)的可靠性。目前，該裝置已應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。

光學(xué)測(cè)量；激光三角法；非接觸測(cè)量；誤差分析

管狀藥型是武器發(fā)射系統(tǒng)的重要組成部分，其長(zhǎng)度等幾何參數(shù)直接關(guān)系到武器發(fā)射系統(tǒng)的性能。擠壓成型的藥型在切割等過(guò)程中會(huì)發(fā)生變形，使其外形尺寸發(fā)生改變，從而影響產(chǎn)品性能。由于藥型易燃易爆，人工測(cè)量藥型尺寸存在一定的危險(xiǎn)性。因此，生產(chǎn)部門一直想采用一種非接觸的方法來(lái)檢測(cè)藥型的長(zhǎng)度，以便根據(jù)檢測(cè)結(jié)果及時(shí)調(diào)整設(shè)備參數(shù)，提高良品率。

激光三角法是一種非常有用的非接觸測(cè)量方法[1]。隨著激光技術(shù)和檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，其廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化和航空航天等領(lǐng)域。國(guó)外很多公司在這方面都有成熟的產(chǎn)品，如日本的基恩士公司，其產(chǎn)品優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高、工作距離和測(cè)量范圍可調(diào)性強(qiáng)。

本設(shè)計(jì)根據(jù)測(cè)量精度的要求和藥型的尺寸標(biāo)準(zhǔn)，采用日本基恩士公司的IL-065型激光位移傳感器，利用三角位移測(cè)量原理實(shí)現(xiàn)對(duì)藥型的長(zhǎng)度測(cè)量并傳輸至計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

1 激光三角測(cè)量原理

典型的激光三角測(cè)距光路如圖1所示。測(cè)量的基本思路是，將激光聚焦在被測(cè)物體的表面，然后在光電檢測(cè)元件的感光面上對(duì)光斑成像，通過(guò)光斑像的移動(dòng)來(lái)反映測(cè)量點(diǎn)處的空間位移量[2]。

從圖1可看出，激光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)會(huì)聚透鏡準(zhǔn)直后投射到被測(cè)物體表面，其漫反射光經(jīng)接收透鏡形成光斑成像在光電檢測(cè)器件上，被測(cè)物體表面的位移改變引起光敏元件上面成像光斑產(chǎn)生位移[3]。我們可以從控制電路獲知光斑位移的改變，從而測(cè)出物體表面位移的變化。

設(shè)參考平面上的D點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，當(dāng)物體表面相對(duì)基準(zhǔn)面的位移為y時(shí)，設(shè)由接收透鏡收集到的光敏元件上形成的光斑產(chǎn)生的位移為x，通過(guò)運(yùn)算可得y與x的關(guān)系式：

式中：a—參考平面與接收透鏡之間的距離；b―光電檢測(cè)元件的感光面與接收透鏡之間的距離；α―接收透鏡的主光軸與入射光線之間的夾角；β―接收透鏡的主光軸與光電檢測(cè)元件的感光面之間的夾角。

當(dāng)被測(cè)物體表面在參考平面下方時(shí)，取+號(hào)，反之，取-號(hào)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)組成

測(cè)量裝置由激光位移傳感器、計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)和支撐平臺(tái)組成。測(cè)量裝置如圖2所示。

2.2 激光位移傳感器

筆者采用的激光位移傳感器是基恩士公司IL系列，它主要由RS-232C型放大器控制單元和DL-RS1A型傳感單元兩部分，其測(cè)量范圍是160mm-450mm，并能消除干擾光對(duì)測(cè)量的影響，廣泛應(yīng)用于高精度的判斷與測(cè)量。要使數(shù)據(jù)從放大器傳輸?shù)诫娔X并顯示出來(lái)，只需要將放大器與通信模塊相連，再使通信模塊與電腦連接，通過(guò)設(shè)定好的通信指令，使得數(shù)據(jù)從放大器傳輸?shù)诫娔X中。

2.3 計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的功能主要包括圖像處理與軟件算法設(shè)計(jì)。激光三角測(cè)距系統(tǒng)所用到的檢測(cè)器件為CCD相機(jī)，由于CCD器件本身存在暗電流噪聲和光子噪聲等噪聲源的影響，進(jìn)而影響CCD所采集到的圖像質(zhì)量，因此需要對(duì)圖像進(jìn)行去噪聲處理。軟件算法設(shè)計(jì)則是為了更加精確地計(jì)算出光斑的中心位置，提高系統(tǒng)的測(cè)量精度和穩(wěn)定性[4]。在本系統(tǒng)中，我們采用非線性濾波中的中值濾波算法來(lái)對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理。在激光光強(qiáng)質(zhì)心的定位算法中，我們常常將激光光強(qiáng)的最強(qiáng)點(diǎn)作為激光光斑的定位點(diǎn)，根據(jù)激光光強(qiáng)在CCD光敏面上的實(shí)際分布，我們選擇采用二次多項(xiàng)式插值法。

2.4 支撐平臺(tái)

藥型屬于易燃易爆產(chǎn)品，在測(cè)量過(guò)程中，需要考慮隔絕靜電和碰撞產(chǎn)生的電火花。因此，我們采用鋁制材料作為平臺(tái)的主體，并對(duì)金屬部件做接地處理，支撐藥型所用的V型架用電木板加工制作，因?yàn)殡娔景迨怯善啄緷{紙做成的酚醛層壓紙板，在和物體的摩擦過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生靜電。

圖1 激光三角測(cè)距光路

圖2 測(cè)量裝置

圖3 測(cè)量結(jié)果顯示

3 測(cè)量結(jié)果

3.1 測(cè)量過(guò)程

藥型采用后端面擋板定位并設(shè)其為起始點(diǎn)，擋板位置固定，在距擋板平面固定距離889.5mm（即藥型標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度）處做一標(biāo)記，此處為藥型前端面位置。當(dāng)藥型前端面位置確定后，距前端面固定距離處安裝激光發(fā)射裝置，然后由傳感器射出的光束經(jīng)聚焦，成為一極細(xì)的光點(diǎn)投射到藥型的前端面上，傳感器通過(guò)激光三角測(cè)量原理計(jì)算藥型前端面與激光裝置之間的距離，并將此距離設(shè)為零點(diǎn)偏移值，設(shè)容定誤差為±0.05mm。激光位移傳感器輸出的模擬信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換傳輸給計(jì)算機(jī)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后即可確定藥型長(zhǎng)度合格與否。

為了提高檢測(cè)效率，在顯示屏輸出測(cè)量結(jié)果的過(guò)程中，當(dāng)測(cè)量數(shù)據(jù)為合格時(shí)，字體顯示為綠色；而測(cè)量結(jié)果超出允許的誤差范圍時(shí)，字體就會(huì)顯示為紅色，并發(fā)出語(yǔ)音報(bào)警提示。測(cè)量結(jié)果顯示如圖3所示。

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

使用本裝置，對(duì)同一根藥型長(zhǎng)度進(jìn)行了5次測(cè)量，并同人工測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比，下表為藥型長(zhǎng)度測(cè)量結(jié)果。

此藥型的標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度為889.55mm，從表中可以看出，人工測(cè)量的數(shù)據(jù)波動(dòng)明顯高于激光三角測(cè)量，測(cè)量精度卻低于激光測(cè)量。相反，激光三角法測(cè)量的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性更好。

藥型長(zhǎng)度測(cè)量結(jié)果表

4 測(cè)量系統(tǒng)的誤差分析

測(cè)量系統(tǒng)的工作過(guò)程非常復(fù)雜，各個(gè)環(huán)節(jié)都可能存在誤差影響，如對(duì)這些誤差不進(jìn)行分析與處理，測(cè)量系統(tǒng)將會(huì)給出不準(zhǔn)確或者錯(cuò)誤的結(jié)果。在實(shí)際測(cè)量中影響測(cè)量精度的因素，主要表現(xiàn)在以下兩方面：CCD傳感器的誤差和系統(tǒng)誤差。

4.1 CCD傳感器引發(fā)的誤差

CCD感光單元靈敏度誤差是其在制造過(guò)程中材料雜質(zhì)的不均勻性造成的[5]。一般來(lái)說(shuō)CCD器件的感光單元靈敏度不均勻誤差小于10%，由實(shí)驗(yàn)可知我們所用的CCD飽和曝光量Vsat=1.74v，則CCD感光單元靈敏度不均勻產(chǎn)生的電平誤差為:

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做出波形曲線，計(jì)算出其邊緣點(diǎn)的斜率k≥120mv/μm，當(dāng)均勻光照時(shí)，光敏元感光靈敏度不均勻產(chǎn)生的誤差為：

4.2 系統(tǒng)誤差

被測(cè)藥型傾斜一定的角度時(shí)，測(cè)量的結(jié)果就會(huì)出現(xiàn)偏大或者偏小的情況，這就是測(cè)量裝置的系統(tǒng)誤差，對(duì)此，我們可以采用一定的算法來(lái)進(jìn)行校正。本裝置對(duì)藥型在各個(gè)傾斜角度所測(cè)得的數(shù)據(jù)與真實(shí)值進(jìn)行比對(duì)，從而確定不同的角度都有其所對(duì)應(yīng)的確定的偏差，然后通過(guò)補(bǔ)償這個(gè)偏差來(lái)實(shí)現(xiàn)誤差的校正。從實(shí)驗(yàn)可知，本裝置的主要誤差來(lái)源還是系統(tǒng)誤差，而隨機(jī)誤差對(duì)數(shù)據(jù)的影響可以忽略不計(jì)。

5 結(jié)論

利用激光三角法測(cè)量藥型長(zhǎng)度總體效果良好，實(shí)現(xiàn)了無(wú)損檢測(cè)的目的，且易于人工操作。筆者從就CCD傳感器的誤差和系統(tǒng)誤差兩個(gè)方面分析了誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，通過(guò)對(duì)誤差進(jìn)行校正，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果正確，測(cè)量效率高，滿足了設(shè)計(jì)要求。

[1]錢曉凡,呂曉旭,鐘麗云，等.提高激光三角法測(cè)量精度的新方法[J].激光雜志,2000，21(3):54-55.

[2]何凱，陳星，王建新，等.高精度激光三角位移測(cè)量系統(tǒng)誤差分析[J].光學(xué)與光電技術(shù)，2013，11(3):62-66.

[3]孫軍利.基于線陣CCD的激光三角測(cè)距傳感器數(shù)據(jù)處理算法的研究[D].上海：上海交通大學(xué),2006.

[4]熊志勇，趙斌.基于梯形棱鏡的激光三角法內(nèi)孔測(cè)距傳感器[J].光學(xué)學(xué)報(bào),2011，31（12）:95-100.

Designof the Flux Measuring ApparatusBased on Laser Trigonometry

DONGWei
(Sanmenxia Polytechnic,Sanmenxia472000,China)

Laser triangulation measurement method can achieve higher precision compared with the traditional optical triangulation method，which has made some research It has a certain research in displacement measurement and other application.In order to solve the problem of large size error of manual measurement,a new type of measuring device based on laser triangulation was designed.The basic principle，measurement process and optimization of Parameter design of gauge head structure were analyzed,influence factors on precision in practice applications are discussed.The reliability of the system is proved by experiments.At present,thedevicehasbeen used in industrial production.

Optical measurement；Laser triangulation；Non-contact measurement；Error analysis

TN247

B

1671-9123（2017）03-0140-03

2017-03-01

董偉（1989-），男，陜西大荔人，三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院教師。

（責(zé)任編輯 卞建寧）