CN109186501B - 高精度光电传感器角度检测系统的标定方法及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明旨在提供一种操作简单、成本低且适合大规模生产的高精度光电传感器角度检测系统、其标定方法及检测方法。本发明系统包括激光发射器（1）、产品机台（2）、PSD板卡（3），在产品机台上固定有待测产品，激光发射器对待测产品进行照射，PSD板卡位于待测产品反射的激光光路上，当外力使待测产品发生形变时，激光在待测产品上的入射角或反射角发生变化，待测产品反射的激光在PSD板卡上形成的光斑发生移动，PSD板卡对外输出的电压发生变化；对上述系统进行标定；标定后的系统进行角度检测的方法包括以下步骤：设待测产品发生Δθ的转动；检测PSD板卡的电压变化；待测产品发生转动的角度Δθ。本发明应用于检测领域。
Description
技术领域
本发明涉及检测领域，特别涉及一种高精度光电传感器角度检测系统，该系统的标定方法以及利用标定后的该系统对待测产品由于形变引起的角度变化通过利用光电传感器进行角度检测的方法。
背景技术
物体发生震动或受到外力而引起形变，会引起其表面发生角度变化。很多时候，通过检测这些角度变化来确定物体发生震动或受到外力作用的程度大小。目前，主要有采用便携式数字激光测震仪（PDV：Portable Digital Vibrometer）以及索尼堆栈式镜头（RS-CMOS）进行检测。PDV的检测方式是利用多普勒效应，利用接受到的震动物体对发射光速度的调制，通过算法推算出震动物体的速度，转化成相对位移，通过数学公式转换，从而把位移转换成角度的变化。而RS-CMOS的方式是利用相似三角形的原理，利用RS-CMOS位置感应器件，推导出震动物体相对位移，通过数学公式转换，从而把位移转换成角度的变化。但这两种方式均存在以下问题：都是成本太高，计算复杂，不适合量产。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种操作简单、成本低且适合大规模生产的高精度光电传感器角度检测系统。
本发明还提供了一种上述系统的标定方法，该方法简单，手段合理，可操作性强，符合检测要求。
本发明还提供了利用上述经过标定后的高精度光电传感器角度检测系统对待测产品发生微小的角度变化进行角度检测的方法，该方法简单，可用于大规模检测作业。
本发明所述高精度光电传感器角度检测系统所采用的技术方案是：所述系统包括激光发射器、产品机台、PSD板卡，在所述产品机台上固定有待测产品，所述激光发射器对待测产品进行照射，所述PSD板卡位于待测产品反射的激光光路上且初始状态时所述PSD板卡的板面垂直于待测产品反射的激光光路，当外力使待测产品发生形变时，激光在待测产品上的入射角或反射角发生变化，待测产品反射的激光在所述PSD板卡上形成的光斑发生移动，所述PSD板卡对外输出的电压发生变化，根据电压值变化得到待测产品的角度值变化。
上述方案可见，采用高精度光电传感器来获得由于待测产品发生形变而引起的微小角度变化其结构简单，且其过程简单，只需检测光电传感器输出电压值的变化，从而快速地获得角度的变化，实现快速检测，与现有技术相比，其结构大大地简化了，且成本低，能够实现大规模生产应用，且其能实现微小角度的精准测量，其测量精度范围为-5º～5º，分辨率为<=0.02 º，精度为 <1%。
上述系统的标定方法包括以下步骤：
a、设置驱动装置，该驱动装置设置在所述PSD板卡的一侧或所述产品机台的下侧，所述驱动装置驱动所述PSD板卡或位于所述产品机台上的产品运动，使待测产品反射的激光在所述PSD板卡上形成的光斑发生移动或相对运动；
b、设待测产品固定不动，光斑位于PSD板卡的中心，记录下VA 和VB 的值，通过调整驱动装置，直到VA = VB ，保证光斑位于PSD板卡的绝对中心，其中，VA 和VB分别代表光斑在PSD板卡上移动前后的输出电压值；
c、建立所述PSD板卡或所述产品机台上的产品的运动量与PSD板卡上形成的光斑的移动量转换成输出电压之间的关系，当所述PSD板卡固定不动而驱动装置驱动所述产品机台上的产品转动，进入步骤d；当所述产品机台上的产品固定不动而驱动装置驱动所述PSD板卡移动，进入步骤f；
d、待测产品固定不动，产品机台通过驱动装置驱动转动角度Δθ，反射光斑在PSD板卡上移动，记录PSD板卡VA和VB的数值变化，并将待测产品发生Δθ的转动前后的电压变化比值记为Δδ，其中Δδ=（VA-VB）/（VA+VB）；
e、记录所有待测产品平台发生转动带动待测产品产生的角度变化Δθ和反射光斑在PSD板卡上移动而形成的VA和VB的数值变化，从而可以得出线性区范围，得到PSD板卡上形成的光斑的移动量转换成输出电压之间的关系式为K=Δθ/Δδ；
f、待测产品固定不动，PSD板卡通过驱动装置驱动产生移动量ΔL，ΔL = L*tan(2θ)，其中L为待测产品到PSD板卡的距离，θ为激光发射器射出的激光在待测产品上的入射角，得到Δθ= 1/2 * arctan (ΔL/L),反射光斑在PSD板卡上移动，记录PSD板卡输出电压VA和VB的数值变化，并将PSD板卡发生移动前后的电压变化比值记为Δδ，其中Δδ=（VA-VB）/（VA+VB）；
g、记录所有PSD板卡滑动得到的ΔL以及Δθ，并记录PSD板卡输出电压VA和VB的数值变化，可以得出线性区范围，得到PSD板卡上形成的光斑的移动量转换成输出电压之间的关系式为K=Δθ/Δδ。
上述方案可见，通过上述标定方法，可清晰地获得PSD板卡上形成的光斑的移动量与输出电压之间的线性关系，能够快速地通过检测输出电压即可获得待测产品发生的角度变化量；此外，通过定义PSD板卡发生移动前后的电压变化比值记为Δδ，能够消除待测产品的纹理、待测产品的平整度、激光发射器的激光功率的一致性、周围环境光的影响以及和待测产品放置的公差等因素对PSD板卡上形成的光斑的移动量转换成输出电压之间的线性值K的影响，其该方法简单，手段合理，可操作性强，符合检测要求。
进一步地，所述驱动装置包括马达，所述马达通过马达驱动器与PLC控制器电信号连接，所述PSD板卡或所述产品机台设置在所述马达的输出轴上。
上述方案可见，利用驱动装置，并结合PLC控制器来对驱动装置与PSD板卡之间的协同作业，保证了检测精度，也大大地提升了检测和标定效率。
又进一步地，所述产品机台包括工作台、夹具和信号采集模块，所述信号采集模块配合在所述夹具下侧，所述信号采集模块与所述PLC控制器电信号连接。由此可见，利用信号采集模块对待测产品进行信号采集，并与PLC控制器通信，实现整体作业，大大地提高了作业效率。
再进一步地，所述PLC控制器外接24V电源；所述激光发射器和所述PSD板卡由5V电源供电。由此可见，利用马达驱动器及PLC控制器来控制马达的运动，实现高精度的控制，实现采用简单的结构即可实现精度的提高，相对地降低了成本，也保证了大规模生产得以实现。
利用上述经过标定的高精度光电传感器角度检测系统进行角度检测的方法包括以下步骤：
（A）设待测产品受外力作用发生Δθ的形变，则激光发射器发出的激光经过待测产品反射后的反射角变化为Δ2θ；
（B）检测所述PSD板卡的电压变化，并记录待测产品发生Δθ的角度变化前后所述PSD板卡的电压输出分别记为VA和VB；
（C）将待测产品发生Δθ的转动前后的电压变化比值记为Δδ，其中Δδ=（VA-VB）/（VA+VB）；
（D）根据K=Δθ/Δδ，最后得到Δθ=K*Δδ。
上述方案可见，本发明方法过程简单，且只需检测高精度光电传感器（PSD）的电压变化，即可快速地得到待测产品发生角度转动的大小，检测快速，能够适用于大规模检测作业。
进一步地，所述步骤（b）中，所述PSD板卡的输出电压的计算过程如下：
记所述PSD板卡的光信号电流为IS，反馈电阻为RF，发光响应率为R，PSD有效面光功率为PO，则所述PSD板卡的电压输出为V=IS*RF=R*PO*RF，
由上述公式获得所述PSD板卡在待测产品发生Δθ的转动前后电压输出的变化。由此可见，高精度光电传感器的电压检测简单，高效快速，能够有效提高整体的检测作业效率。
附图说明
图1是本发明的标定方法建立的标定系统的简易结构示意图；
图2是所述PSD板卡的电压检测原理示意图。
具体实施方式
如图1至图2所示，本发明所述高精度光电传感器角度检测系统包括激光发射器1、产品机台2、PSD板卡3，在所述产品机台2上固定有待测产品，所述激光发射器1对待测产品进行照射，所述PSD板卡3位于待测产品反射的激光光路上且初始状态时所述PSD板卡3的板面垂直于待测产品反射的激光光路，当外力使待测产品发生形变时，激光在待测产品上的入射角或反射角发生变化，待测产品反射的激光在所述PSD板卡3上形成的光斑发生移动，所述PSD板卡3对外输出的电压发生变化，根据电压值变化得到待测产品的角度值变化。
对上述系统进行标定，其过程如下：
a、设置驱动装置，该驱动装置设置在所述PSD板卡3的一侧或所述产品机台2的下侧，所述驱动装置驱动所述PSD板卡3或位于所述产品机台2上的产品运动，使待测产品反射的激光在所述PSD板卡3上形成的光斑发生移动或相对运动。上述驱动装置包括马达4，所述马达4通过马达驱动器5与PLC控制器6电信号连接，所述PSD板卡3或所述产品机台2设置在所述马达4的输出轴上。所述PLC控制器6外接24V电源。所述激光发射器1和所述PSD板卡3由5V电源供电。所述产品机台2包括工作台、夹具21和信号采集模块22，所述信号采集模块22配合在所述夹具21下侧，所述信号采集模块22与所述PLC控制器6电信号连接。
b、设待测产品固定不动，光斑位于PSD板卡的中心，记录下VA 和VB 的值，通过调整驱动装置，直到VA = VB，保证光斑位于PSD板卡的绝对中心，其中，VA 和VB分别代表光斑在PSD板卡上移动前后的输出电压值。
c、建立所述PSD板卡3或所述产品机台2上的产品的运动量与PSD板卡（3）上形成的光斑的移动量转换成输出电压之间的关系，当所述PSD板卡3固定不动而驱动装置驱动所述产品机台2上的产品转动，进入步骤d；当所述产品机台2上的产品固定不动而驱动装置驱动所述PSD板卡3移动，进入步骤f。
d、待测产品固定不动，产品机台通过驱动装置驱动转动角度Δθ，反射光斑在PSD板卡上移动，记录PSD板卡VA和VB的数值变化，并将待测产品发生Δθ的转动前后的电压变化比值记为Δδ，其中Δδ=（VA-VB）/（VA+VB），在这里，将将待测产品发生Δθ的转动前后的电压变化作除法处理，能够消除不同的转换能量，进而确保在这一过程中不会对K值产生影响。
e、记录所有待测产品平台发生转动带动待测产品产生的角度变化Δθ和反射光斑在PSD板卡上移动而形成的VA和VB的数值变化，从而可以得出线性区范围，得到PSD板卡3上形成的光斑的移动量转换成输出电压之间的关系式为K=Δθ/Δδ。
f、待测产品固定不动，PSD板卡通过驱动装置驱动产生移动量ΔL，ΔL = L*tan(2θ)，其中L为待测产品到PSD板卡的距离，θ为激光发射器射出的激光在待测产品上的入射角，得到Δθ= 1/2 * arctan (ΔL/L),反射光斑在PSD板卡上移动，记录PSD板卡输出电压VA和VB的数值变化，并将PSD板卡发生移动前后的电压变化比值记为Δδ，其中Δδ=（VA-VB）/（VA+VB）。
g、记录所有PSD板卡滑动得到的ΔL以及Δθ，并记录PSD板卡输出电压VA和VB的数值变化，可以得出线性区范围，得到PSD板卡3上形成的光斑的移动量转换成输出电压之间的关系式为K=Δθ/Δδ。
上述标定方法中，PSD板卡滑动标定K值的方法相比夹具平台转动标定K值的方法可以减少马达，同时也能反应待测样品表面的纹理，平整度和材质对光斑能量的影响所产生的光电转换的影响。待测样品表面的纹理、平整度等会对K值产生影响，但对样品发生的振动角度不会产生影响。
经过标定后的上述系统进行角度检测的过程如下：
（A）设待测产品受外力作用发生Δθ的形变，则激光发射器1发出的激光经过待测产品反射后的反射角变化为Δ2θ；
（B）检测所述PSD板卡3的电压变化，并记录待测产品发生Δθ的角度变化前后所述PSD板卡3的电压输出分别记为VA和VB；
（C）将待测产品发生Δθ的转动前后的电压变化比值记为Δδ，其中Δδ=（VA-VB）/（VA+VB）；
（D）根据K=Δθ/Δδ，最后得到Δθ=K*Δδ。
上述过程中，VA和VB的计算过程如下：记所述PSD板卡3的光信号电流为IS，反馈电阻为RF，发光响应率为R，PSD有效面光功率为PO，则所述PSD板卡3的电压输出为V=IS*RF=R*PO*RF，由上述公式获得所述PSD板卡3在待测产品发生Δθ的转动前后电压输出的变化。从而得到待测产品发生角度的变化大小。
本发明能实现微小角度的精准测量，其测量精度范围为（-5º～5º），分辨率为<=0.02 º，精度为1%。另外，本发明可以对不同的震动角度和震动频率进行动态检测范围，UUT在转动角度范围为（-4º～4º），频率为(1Hz～5KHz)。
本年发明是一种能够对待测产品表面存在众多不一致性进行检测的系统，以及该系统的标定方法，和利用该系统进行微小角度检测的方法，其成本低，适合大规模作业。
本发明应用于检测领域。
Claims (6)
1.一种高精度光电传感器角度检测系统的标定方法,其特征在于：所述系统包括激光发射器（1）、产品机台（2）、PSD板卡（3），在所述产品机台（2）上固定有待测产品，所述激光发射器（1）对待测产品进行照射，所述PSD板卡（3）位于待测产品反射的激光光路上且初始状态时所述PSD板卡（3）的板面垂直于待测产品反射的激光光路，当外力使待测产品发生形变时，激光在待测产品上的入射角或反射角发生变化，待测产品反射的激光在所述PSD板卡（3）上形成的光斑发生移动，所述PSD板卡（3）对外输出的电压发生变化，根据电压值变化得到待测产品的角度值变化；
该方法包括以下步骤：
a、设置驱动装置，该驱动装置设置在所述PSD板卡（3）的一侧或所述产品机台（2）的下侧，所述驱动装置驱动所述PSD板卡（3）或位于所述产品机台（2）上的产品运动，使待测产品反射的激光在所述PSD板卡（3）上形成的光斑发生移动或相对运动；
b、设待测产品固定不动，光斑位于PSD板卡的中心，记录下VA 和VB 的值，通过调整驱动装置，直到VA = VB ，保证光斑位于PSD板卡的绝对中心，其中，VA 和VB分别代表光斑在PSD板卡上移动前后的输出电压值；
c、建立所述PSD板卡（3）或所述产品机台（2）上的产品的运动量与PSD板卡（3）上形成的光斑的移动量转换成输出电压之间的关系，当所述PSD板卡（3）固定不动而驱动装置驱动所述产品机台（2）上的产品转动，进入步骤d；当所述产品机台（2）上的产品固定不动而驱动装置驱动所述PSD板卡（3）移动，进入步骤f；
d、待测产品固定不动，产品机台通过驱动装置驱动转动角度Δθ，反射光斑在PSD板卡上移动，记录PSD板卡VA和VB的数值变化，并将待测产品发生Δθ的转动前后的电压变化比值记为Δδ，其中Δδ=（VA-VB）/（VA+VB）；
e、记录所有待测产品平台发生转动带动待测产品产生的角度变化Δθ和反射光斑在PSD板卡上移动而形成的VA和VB的数值变化，从而可以得出线性区范围，得到PSD板卡（3）上形成的光斑的移动量转换成输出电压之间的关系式为K=Δθ/Δδ；
f、待测产品固定不动，PSD板卡通过驱动装置驱动产生移动量ΔL，ΔL = L*tan (2θ)，其中L为待测产品到PSD板卡的距离，θ为激光发射器射出的激光在待测产品上的入射角，得到Δθ= 1/2 * arctan (ΔL/L),反射光斑在PSD板卡上移动，记录PSD板卡输出电压VA和VB的数值变化，并将PSD板卡发生移动前后的电压变化比值记为Δδ，其中Δδ=（VA-VB）/（VA+VB）；
g、记录所有PSD板卡滑动得到的ΔL以及Δθ，并记录PSD板卡输出电压VA和VB的数值变化，可以得出线性区范围，得到PSD板卡（3）上形成的光斑的移动量转换成输出电压之间的关系式为K=Δθ/Δδ；
所述驱动装置包括马达（4），所述马达（4）通过马达驱动器（5）与PLC控制器（6）电信号连接，所述PSD板卡（3）或所述产品机台（2）设置在所述马达（4）的输出轴上。
2.根据权利要求1所述的高精度光电传感器角度检测系统的标定方法,其特征在于：所述产品机台（2）包括工作台、夹具（21）和信号采集模块（22），所述信号采集模块（22）配合在所述夹具（21）下侧，所述信号采集模块（22）与所述PLC控制器（6）电信号连接。
3.根据权利要求1所述的高精度光电传感器角度检测系统的标定方法,其特征在于：所述PLC控制器（6）外接24V电源。
4.根据权利要求1所述的高精度光电传感器角度检测系统的标定方法,其特征在于：所述激光发射器（1）和所述PSD板卡（3）由5V电源供电。
5.一种利用经过权利要求1所述的高精度光电传感器角度检测系统的标定方法标定后的高精度光电传感器角度检测系统进行角度检测的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
（A）设待测产品受外力作用发生Δθ的形变，则激光发射器（1）发出的激光经过待测产品反射后的反射角变化为Δ2θ；
（B）检测所述PSD板卡（3）的电压变化，并记录待测产品发生Δθ的角度变化前后所述PSD板卡（3）的电压输出分别记为VA和VB；
（C）将待测产品发生Δθ的转动前后的电压变化比值记为Δδ，其中Δδ=（VA-VB）/（VA+VB）；
（D）根据K=Δθ/Δδ，最后得到Δθ=K*Δδ。
6. 根据权利要求5所述的高精度光电传感器角度检测系统进行角度检测的方法，其特征在于，步骤（B）中，所述PSD板卡（3）的输出电压的计算过程如下：
记所述PSD板卡（3）的光信号电流为IS，反馈电阻为RF，发光响应率为R，PSD有效面光功率为PO，则所述PSD板卡（3）的电压输出为
V=IS*RF=R*PO*RF，
由上述公式获得所述PSD板卡（3）在待测产品发生Δθ的转动前后电压输出的变化。
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