CN104880155B - 远距离基准激光位移传感器测距方法 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示了一种远距离基准激光位移传感器，包括一激光发射器件及激光位移传感器，所述激光位移传感器包括光电阵列器件，所述光电阵列器件上开设有激光入射窗，所述激光发射器的发射端与所述光电阵列器件的激光入射窗相对，所述光电阵列器件于激光入射窗的一端设置有一光学暗腔，所述激光位移传感器与处理器电性连接，所述处理器包括一A/D信号转换处理器。本发明设备结构新颖，且适用于远程距离的检测，检测精度高达1‑2um，通过添加柱面透镜适用于不同的检测，检测范围广泛。滤光组件的添加适合于不同环境下的光照亮度。

Description

远距离基准激光位移传感器测距方法
技术领域
本发明涉及一种传感器，尤其涉及一种远距离基准激光位移传感器测距方法。
背景技术
激光位移传感器可精确非接触测量被测物体的位置、位移等变化，主要应用于检测物体的位移、厚度、振动、距离、直径等几何量的测量。按照测量原理，激光位移传感器原理分为激光三角测量法和激光回波分析法。而现有的激光传感器原理均是通过透镜或反射的原理来计算和测量位移，同时，传感器内部相对复杂。
现有的激光发射器与测量单元一般安装在一个壳体内，激光照射到被测物体后反射，反射的激光通过光学透镜系统在CCD或者CMO S等光电阵列器件上成像，然后通过图像处理分析得出传感器与被测物体之间的距离。但这种传感器最大量程不超过3.0m；只能测量传感器与被测点之间的距离，其它方向上的位移则必须安装至对应方向上；且光学透镜系统复杂且制造精度要求高，造价昂贵。
在建筑工程中，一般采用机械百分表、容栅或光栅位移传感器进行检测，但这些基准必须在被测点较近的位置(0.1～0.3m)。当远距离基准(基准点与被测点的距离较远)的位移测量一般采用基准梁(架)引测的形式。利用工字钢、槽钢等具有一定结构刚度的长杆件作为基准梁(架)，两点或多点固定于较远的基准上，通过这样的方式在被测点较近的位置提供一个稳定的基准。然后将位移传感器通过使用磁性表座或专用夹具等方式固定在基准梁(架)上，测针则顶在被测物体上来进行测量。架设工字钢、槽钢等在测试中显得笨重且费时，完全体现不出测试的便携与快速。
发明内容
鉴于上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提出一种远距离基准激光位移传感器及其测距方法。
本发明的目的，将通过以下技术方案得以实现：
一种远距离基准激光位移传感器，包括一激光发射器件及激光位移传感器，所述激光位移传感器包括光电阵列器件，所述光电阵列器件上开设有激光入射窗，所述激光发射器的发射端与所述光电阵列器件的激光入射窗相对，所述光电阵列器件于激光入射窗的一端设置有一光学暗腔，所述激光位移传感器与处理器电性连接，所述处理器包括一A/D信号转换处理器。
优选地，所述光电阵列器件的激光入射窗的一端设置有一滤光组件，所述滤光组件与光电阵列器件形成光学暗腔。
优选地，所述滤光组件前端设置有光学狭缝片。
优选地，所述滤光组件为滤光膜或滤光片。
优选地，所述滤光组件与光电阵列器件为粘结连接。
优选地，所述激光发射器件的发射端连接有一柱面透镜。
优选地，所述激光发射器件的激光波长为500nm-550nm。
优选地，所述光电阵列器件为线阵CCD。
优选地，所述滤光组件为太阳滤光膜。
优选地，包括如下步骤，
S1、将激光发射器件及激光位移传感器分别置于基准参考物及被测物体上；
S2、激光发射器件发出的激光，穿过滤光组件照射于激光位移传感器中的光电阵列器件上；
S3、光电阵列器件将输出相应像素点的电平信号传输至信号处理器进行信号的转换处理与电平信号电压值的储存；
S4、通过公式Vc＝Uav－(Uav－Umin)×k 确定界限像素点的参考电压值，其中，Vc为界限像素点的参考电压值；Uav为所有像素点的电压平均值；Umin为所有像素点电压中的最小值；k为界限选择常数；
S5、按照公式S＝nc×l计算距离，其中，S为激光照射界限像素点与第一像素点之间的距离，nc为界限像素点的顺序号，l为光电阵列器件感光点间距；所述激光照射界限像素点为第一个小于界限像素点参考电压值Vc所对应的像素点。
本发明突出效果为：设备结构新颖，且适用于远程距离的检测，检测精度高达1-2um，通过添加柱面透镜适用于不同的检测，检测范围广泛。滤光组件的添加适合于不同环境下的光照亮度。
以下便结合实施例附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详述，以使本发明技术方案更易于理解、掌握。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的另一测试结构示意图，此时在激光位移传感器发射端加装了柱面镜。
图3是本发明适用于测试三维空间距离结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明揭示了一种远距离基准激光位移传感器，包括一激光发射器件及激光位移传感器，所述激光位移传感器包括光电阵列器件，所述光电阵列器件上开设有激光入射窗，所述激光发射器的发射端与所述光电阵列器件的激光入射窗相对，所述光电阵列器件于激光入射窗的一端设置有滤光组件，所述激光位移传感器与处理器电性连接，所述处理器包括一A/D信号转换处理器。所述光电阵列器件为线阵CCD。
所述光电阵列器件的激光入射窗的一端设置有一滤光组件，所述滤光组件与光电阵列器件形成光学暗腔。光学暗腔的存在不仅可以使光电阵列器件正常工作，还可以延长光电阵列器件的使用寿命。
所述滤光组件为滤光膜或滤光片，所述滤光组件与光电阵列器件为粘结连接。因为滤光片或滤光膜不仅具有隔绝大多数外界杂光的作用，还可以阻隔大部分准直激光束的辐射能量，避免光电阵列器件中的感光单元或感光点被高密度能量的激光烧毁。滤光片或滤光膜不仅可以全波段阻隔杂光，还可以通过不同的镀膜，让特定波长的光进入光电阵列器件，从而提高信噪比。为了达到最佳的滤光效果，所述滤光组件为太阳滤光膜。其原理是由于在使用滤光片或滤光膜的情况下，大部分外界杂光均被过滤，滤光片或滤光膜与线阵CCD之间形成了一个光学暗腔，线阵CCD的信号输出正常。在不使用滤光片或滤光膜的情况下，线阵CCD的所有像素点均为饱和状态，无法正常工作。
为了适应该位移传感器可以在室外强烈日光下正常工作，所述激光发射器件的激光波长为500nm- 550nm。例如滤光片或滤光膜使用可以阻隔红外线、红色光谱及紫外线、蓝色光谱的镀膜或材料，仅让500nm- 550nm波长的绿色光透入，同时选用500nm- 550nm波长的激光器发射准直激光束。
所述滤光组件前端可选择性的进行安装光学狭缝片。安装光学狭缝片同样可以隔绝大部分杂光，但是光路方向与狭缝片垂直的入射杂光可以完全不受阻隔。虽然狭缝片对于阻隔外界杂光的效果不如使用滤光片或滤光膜的效果理想，但是它可以选择让特定光路的光线通过。这种方向选择性作为一种补充的手段，可以用较低的成本改善激光位移传感器在室外情况下的使用效果。除此之外，在较多传感器一起工作时，尤其是多个准直激光束互相干扰的情况下，加装光学狭缝片就可以对入射的准直激光束进行选择，消除相互间的干扰。
为了扩大测试的范围，如图2所示，所述激光发射器件3的发射端连接有一柱面透镜11，使得激光发射器发出可以发射扇形准直激光束12，这样在需要测试多个物体间的位移量时，使用同一个激光发射器件3即可。
结合图3所示，若激光发射器件3发射一束准直十字激光束13，只需要将两个激光位移传感器5交叉90°安装，则可以测出两个轴向的位移；若在其侧面再增加一个激光位移传感器5或在激光发射器件3 上增加测距功能，则可以测出被测物体的三维空间位移量。
包括如下步骤，
S1、将激光发射器件3及激光位移传感器5分别置于基准参考物1 及被测物体2上；
S2、激光发射器件3发出的一束准直激光束4，穿过滤光片或滤光膜7，照射于激光电阵列器件6上；同时，信号处理器8根据光电阵列器件6上亮度不同的感光单元或感光点来计算准直激光束4照射的位置；
S3、光电阵列器件将输出相应像素点的电平信号传输至信号处理器进行信号的转换处理与电平信号电压值的储存；
S4、通过公式Vc＝Uav－(Uav－Umin)×k 确定界限像素点的参考电压值，其中，Vc为界限像素点的参考电压值；Uav为所有像素点的电压平均值；Umin为所有像素点电压中的最小值；k为界限选择常数。
S5、按照公式S＝nc×l计算距离，其中，S为激光照射界限像素点与第一像素点之间的距离，nc为界限像素点的顺序号，l为激光照射界限的像素点之间的距离；激光照射界限像素点为第一个小于界限像素点参考电压值Vc所对应的像素点。
具体计算方法进一步阐述为：设被准直激光束4照射的较亮感光单元是第n个感光单元，n乘以相邻感光点的之间的距离l即是被照射感光点与第1个感光点的之间的距离S，信号处理器8按照设定的周期输出测量值S，并通过显示屏9显示出来，或者同时发送给计算机或P LC等其它设备10。
若基准参考物1固定不动，则激光发射器件3和准直激光束4亦不会发生偏移。此时被测物体2在被测方向上产生相对位移，则激光位移传感器5也会在被测方向上产生相应位移，同时准直激光束4照射在光电阵列器件6上的位置也发生相应的偏移。如此计算其两次测量值之差S1- S2，就可以得到基准参考物1与被测物体2在被测方向上的位移值。本传感器也可以通过内部置零的方式，将置零时测得的测量值设为零，则以后输出或显示的测量值直接就是相对于置零时的位移量。
由于激光照射部分的像素点范围较宽，所以需要选定合适的方法来计算分析，从而找到精确的激光照射界限及界限所对应的像素点 (以下简称界限像素点)。
先确定用来判断界限像素点的参考电压值(Vc)，再分别对每个像素点的电压值与Vc进行比较，最终确定界限像素点。确定界限像素点有以下几种方法：
1、最小值法：所有有效像素点输出的电平信号中，电压最低的像素点，也就是被激光照射最强的像素点作为界限像素点：
Vc＝Umin＝Min(Ui)式中
Vc为判断界限像素点的参考电压值；
Umin为所有像素点电压中的最小值；
Ui为第i个像素点的电压值；
i为有效像素点的个数。
2、最小△值法：从第2个有效像素点开始，第i个像素点与第i- 1个像素点的电平信号中，电压差值最小的像素点，也就是输出电平脉冲信号包络线上下降最陡处所对应的像素点作为界限像素点：
△Vc＝Min(Ui-Ui-1)式中
△Vc为界限像素点与其前一个像素点的电压差值；
Ui为第i个像素点的电压值；
Ui-1为第i-1个像素点的电压值；
i为有效像素点的个数。
3、动态阀值法：第一个小于所有像素点电平信号的电压平均值 (Uav)与最小值(Umin)之间合适的值所对应的像素点作为界限像素点，其表达式为：
Vc＝Uav-(Uav-Umin)×k
式中Vc为判断界限像素点的参考电压值；
Uav为所有像素点的电压平均值；
Umin为所有像素点电压中的最小值；
k为界限选择常数；
其具体取值受线阵CCD性能、测量信号的信噪比等因素影响，一般可用对比实验的方法确定。
滤光片或滤光膜的主要参数是准直激光束波长下的透光率以及其它光谱范围下的透光率。受实际使用环境、准直激光束的功率、测点与基准点之间的距离、光电阵列器件的感光度以及测量速度等因素的影响，具体选用哪种参数的滤光片或滤光膜可以通过对比试验确定。
算法验证：
实验中采用线阵CCD作为光电阵列器件，信号处理器输出线阵C CD工作所需的时序信号，根据信号处理器的时序信号，线阵CCD逐个输出相应像素点的电平信号，信号处理器对电平信号进行A/D转换，并将每个像素点的电平信号电压值(Ui) 存储下来进行计算和对比分析。电平信号的电压值与其对应像素点所照射到的光强度成反比。
本实验中所用线阵CCD共7500个有效像素点，像素间距9.325μm ，理论有效量程69.9375mm。
每个试验点采集50个计算分析结果作为样本进行交叉对比。
实验过程中传感器距离激光发射器10m左右且安装稳固，避免其它误差影响实验结果。
动态阀值中常数k为0.8。
本发明尚有多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种远距离基准激光位移传感器测距方法，其特征在于：所述远距离基准激光位移传感器，包括一激光发射器件及激光位移传感器，所述激光位移传感器包括光电阵列器件，所述光电阵列器件上开设有激光入射窗，所述激光发射器的发射端与所述光电阵列器件的激光入射窗相对，所述光电阵列器件于激光入射窗的一端设置有一光学暗腔，所述激光位移传感器与处理器电性连接，所述处理器包括一A/D信号转换处理器，所述光电阵列器件的激光入射窗的一端设置有一滤光组件，所述滤光组件与光电阵列器件形成光学暗腔；
所述滤光组件前端设置有光学狭缝片；所述激光发射器件的激光波长为500nm-550nm；所述测距方法包括如下步骤，
S1、将激光发射器件及激光位移传感器分别置于基准参考物及被测物体上；
S2、激光发射器件发出的激光，穿过滤光组件照射于激光位移传感器中的光电阵列器件上；
S3、光电阵列器件将相应像素点的电平信号传输至信号处理器进行信号的转换处理与电平信号电压值的储存；
S4、通过公式Vc=Uav－(Uav －Umin) ×k 确定界限像素点的参考电压值，其中，Vc为界限像素点参考电压值；Uav为所有像素点的电压平均值；Umin为所有像素点电压中的最小值；k为界限选择常数；
S5、按照公式S=nc×l计算距离，其中，S为激光照射界限像素点与第一像素点之间的距离，nc为界限像素点的顺序号，l为光电阵列器件感光点间距；所述激光照射界限像素点为第一个小于界限像素点参考电压值Vc所对应的像素点。
2.根据权利要求1所述的一种远距离基准激光位移传感器测距方法，其特征在于：所述滤光组件为滤光膜或滤光片。
3.根据权利要求2所述的一种远距离基准激光位移传感器测距方法，其特征在于：所述滤光组件与光电阵列器件为粘结连接。
4.根据权利要求1所述的一种远距离基准激光位移传感器测距方法，其特征在于：所述激光发射器件的发射端连接有一柱面透镜。
5.根据权利要求1所述的一种远距离基准激光位移传感器测距方法，其特征在于：所述光电阵列器件为线阵CCD。
6.根据权利要求2所述的一种远距离基准激光位移传感器测距方法，其特征在于：所述滤光组件为太阳滤光膜。
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