CN111722243A - 基于激光三角测量系统低温漂输出的温度补偿测距方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于激光三角测量系统低温漂输出的温度补偿测距方法，包括步骤：S1：建立一温度补偿激光三角测量系统；S2：利用所述温度补偿激光三角测量系统测量所述被测物体与光阑的距离，获得测量距离；S3：利用补偿公式对所述测量距离进行补偿，获得补偿距离。本发明的一种基于激光三角测量系统低温漂输出的温度补偿测距方法，不仅可解决产品高温与低温时的测量偏差问题，而且对长时间工作形成的温度累积的测量误差也有很明显的改善。

Description

基于激光三角测量系统低温漂输出的温度补偿测距方法
技术领域
本发明涉及激光三角测量领域，尤其涉及一种基于激光三角测量系统低温漂输出的温度补偿测距方法。
背景技术
现有的激光三角测量方案中，对于温度引起的误差，一种方法是从材料的角度，选用热膨胀系数较小的材料；另一种方法是从温度的角度，增加散热的结构，或采用降温电路，以降低系统内的上升温度。
但从材料的角度只能解决部分因温度引起的测量偏差问题，产品的测量精度并不能达到很高的要求；增加散热结构会增加结构设计的难度，而且热量不能完全散去，因内部温度的累积，长时间的测量结果与刚开始上电的测量结果偏差更大；降温电路很难全面的降低系统内的温度，增加电路设计的难度与成本。
发明内容
针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种基于激光三角测量系统低温漂输出的温度补偿测距方法，不仅可解决产品高温与低温时的测量偏差问题，而且对长时间工作形成的温度累积的测量误差也有很明显的改善。
为了实现上述目的，本发明提供一种基于激光三角测量系统低温漂输出的温度补偿测距方法，包括步骤：
S1：建立一温度补偿激光三角测量系统；所述温度补偿激光三角测量系统包括：位于一激光发射光路并依次排列的一激光发射器、一光阑和一被测物，以及位于一激光反射光路并依次排列的所述被测物、一凸镜和一光图像传感器，还包括至少一温度传感器，所述温度传感器设置于所述光图像传感器的感光窗口一侧；
S2：利用所述温度补偿激光三角测量系统测量所述被测物体与光阑的距离，获得测量距离；
S3：利用补偿公式对所述测量距离进行补偿，获得补偿距离。
优选地，所述温度补偿激光三角测量系统还包括一镜架，所述凸镜和所述光阑设置于所述镜架；所述镜架的线性膨胀系数小于30PPM；所述凸镜的温度系数小于5PPM；所述光阑的热膨胀系数小于10PPM。
优选地，所述温度传感器的分辨率为0.1℃，所述温度传感器的温度侦查范围为-50℃～100℃。
优选地，所述温度传感器支持IIC接口或串口通讯接口。
优选地，所述补偿公式为：
Figure BDA0002557537100000021
其中x表示所述补偿距离，A、B、C、D为常数，Z表示像素中心值，Δ表示光图像传感器在温度变化范围T内像素的变化。
优选地，所述补偿公式为：
Figure BDA0002557537100000022
其中，X1表示所述补偿距离，k表示温度斜率，f(T)表示温度，x0表示拟合后的初始距离；A、B、C表示拟合后得到的常数，x表示所述测量距离。
本发明由于采用了以上技术方案，使其具有以下有益效果：
1、从系统的角度考虑温度引起激光三角测量系统测量误差的影响，并从系统的角度改善温漂影响因子。
2、增加温度传感器，实时侦测产品内部的温度。
3、提出温度补偿算法，进一步减小温度引起的测量误差。
4、不仅解决的产品高温与低温时的测量偏差问题，而且对长时间工作形成的温度累积的测量误差也有很明显的改善。
附图说明
图1为本发明实施例的基于激光三角测量系统低温漂输出的温度补偿测距方法的流程图；
图2为本发明实施例的温度补偿激光三角测量系统的结构示意图；
图3为本发明实施例二的温度补偿激光三角测量系统中，温度斜率和被测物与光阑距离的关系图。
具体实施方式
下面根据附图1～图3，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述，使能更好地理解本发明的功能、特点。
请参阅图1和图2，本发明实施例一的一种基于激光三角测量系统低温漂输出的温度补偿测距方法，包括步骤：
S1：建立一温度补偿激光三角测量系统；温度补偿激光三角测量系统包括：位于一激光发射光路7并依次排列的一激光发射器1、一光阑2和一被测物3，以及位于一激光反射光路8并依次排列的被测物3、一凸镜4和一光图像传感器5，还包括至少一温度传感器，温度传感器设置于光图像传感器5的感光窗口51一侧；
本实施例中，温度补偿激光三角测量系统还包括一镜架6，凸镜4和光阑2设置于镜架6；镜架6的线性膨胀系数小于30PPM；凸镜4的温度系数小于5PPM；光阑2的热膨胀系数小于10PPM。
光阑2或凸镜4不限于固定在镜架6上，其他有利于减低温漂输出的独立结构都可以作为有利的方式。
其中，温度传感器的分辨率为0.1℃，温度传感器的温度侦查范围为-50℃～100℃。温度传感器支持IIC接口或串口通讯接口。
S2：利用温度补偿激光三角测量系统测量被测物3体与光阑2的距离，获得测量距离；
S3：利用补偿公式对测量距离进行补偿，获得补偿距离。
其中，补偿公式为：
Figure BDA0002557537100000041
其中x表示补偿距离，A、B、C、D为常数，Z表示像素中心值，Δ表示光图像传感器5在温度变化范围T内像素的变化。
针对补偿公式说明如下：
凸镜4中心距离光阑2中心距离为d，被测物3距离凸镜4中心距离为f2,光图像传感器5距离凸镜4中心距离为f1,光图像传感器5单个像素的大小为A，镜架6的热膨胀系数为B，则理论光图像传感器5在温度变化范围T内像素的变化△存在以下关系，如公式(3)所示：
Figure BDA0002557537100000042
公式(3)中若镜架6材料选定，则热膨胀系数B为常数，光图像传感器5的像素大小A也为常数，光图像传感器5至凸镜4中心的距离f1也假定不变，则公式(3)可以优化为：
Figure BDA0002557537100000043
公式(4)中，T为温度变化范围，m为常数，得到两个有用的结论：
结论一：同一位置下，像素变化与温度变化成正比；
结论二：不同位置下，像素变化与待测距离成反比；
进一步优化公式(4)，得到公式(5)：
Figure BDA0002557537100000044
像素中心与距离的拟合过程，根据被测物3至光阑的不同距离x，对应的像素中心值为z，利用公式(6)得到像素中心与距离对应关系的函数，其中A、B、C、D为常数。
Figure BDA0002557537100000045
将公式(5)温漂的变化量代入公式(6)进行计算，得到补偿后的的距离或位移信息，如公式(1)所示。
Figure BDA0002557537100000046
本发明实施例二的一种基于激光三角测量系统低温漂输出的温度补偿测距方法，其步骤与实施例一基本相同，其区别在于：补偿公式为：
Figure BDA0002557537100000051
其中，X1表示补偿距离，k表示温度斜率，f(T)表示温度，x0表示拟合后的初始距离；A、B、C表示拟合后得到的常数，x表示测量距离。
针对补偿公式说明如下：
根据高低温测试的结果，发现距离随温度变化呈线性规律，有公式(7)：
x＝k*f(T)+x0 (7)；
k为温度斜率，f(T)为温度，x为测量距离，x0拟合后的初始距离
进一步实验不同距离时的温度斜率，发现温度斜率与距离呈现非线性关系，如图3所示，经过多项式拟合得到公式(8)，其中A、B、C为拟合得到的常数，
k＝Ax2+Bx+C (8)；
结公式(7)与公式(8)，得到补偿公式(9)，k的值由公式(8)求出，X1为补偿后的数据。
X1＝-k*f(T)+x0 (9)。
本发明实施例的一种基于激光三角测量系统低温漂输出的温度补偿测距方法，在不改变核心硬件电路基础上，极大的提高了产品的稳定性，进一步保证了产品的一致性。
引入温度变量，并对该变量所引起的误差进行算法处理，改善了上电温漂与长期温漂的测量误差。
以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于激光三角测量系统低温漂输出的温度补偿测距方法，包括步骤：
S1：建立一温度补偿激光三角测量系统；所述温度补偿激光三角测量系统包括：位于一激光发射光路并依次排列的一激光发射器、一光阑和一被测物，以及位于一激光反射光路并依次排列的所述被测物、一凸镜和一光图像传感器，还包括至少一温度传感器，所述温度传感器设置于所述光图像传感器的感光窗口一侧；
S2：利用所述温度补偿激光三角测量系统测量所述被测物体与光阑的距离，获得测量距离；
S3：利用补偿公式对所述测量距离进行补偿，获得补偿距离。
2.根据权利要求1所述的基于激光三角测量系统低温漂输出的温度补偿测距方法，其特征在于，所述温度补偿激光三角测量系统还包括一镜架，所述凸镜和所述光阑设置于所述镜架；所述镜架的线性膨胀系数小于30PPM；所述凸镜的温度系数小于5PPM；所述光阑的热膨胀系数小于10PPM。
3.根据权利要求2所述的基于激光三角测量系统低温漂输出的温度补偿测距方法，其特征在于，所述温度传感器的分辨率为0.1℃，所述温度传感器的温度侦查范围为-50℃～100℃。
4.根据权利要求3所述的基于激光三角测量系统低温漂输出的温度补偿测距方法，其特征在于，所述温度传感器支持IIC接口或串口通讯接口。
5.根据权利要求4所述的基于激光三角测量系统低温漂输出的温度补偿测距方法，其特征在于，所述补偿公式为：
Figure FDA0002557537090000011
其中x表示所述补偿距离，A、B、C、D为常数，Z表示像素中心值，Δ表示光图像传感器在温度变化范围T内像素的变化。
6.根据权利要求4所述的基于激光三角测量系统低温漂输出的温度补偿测距方法，其特征在于，所述补偿公式为：
Figure FDA0002557537090000021
其中，X1表示所述补偿距离，k表示温度斜率，f(T)表示温度，x0表示拟合后的初始距离；A、B、C表示拟合后得到的常数，x表示所述测量距离。
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