基于激光三角法的藥型尺寸測量裝置的設計

◎董 偉

基于激光三角法的藥型尺寸測量裝置的設計

◎董 偉

(三門峽職業技術學院 機電工程學院，河南 三門峽 472000)

激光三角法較傳統的光學三角測量法可以得到更高的精度,其在位移測量及其他應用中已經有了一定的研究。針對以往手工測量藥型尺寸誤差大的情況，設計了一套基于激光三角法的藥型尺寸測量裝置。筆者詳細地介紹了該裝置的基本原理、各部件的設計過程以及測量過程，分析了影響測量精度的主要因素，通過實驗證明了系統的可靠性。目前，該裝置已應用于工業生產中。

光學測量；激光三角法；非接觸測量；誤差分析

管狀藥型是武器發射系統的重要組成部分，其長度等幾何參數直接關系到武器發射系統的性能。擠壓成型的藥型在切割等過程中會發生變形，使其外形尺寸發生改變，從而影響產品性能。由于藥型易燃易爆，人工測量藥型尺寸存在一定的危險性。因此，生產部門一直想采用一種非接觸的方法來檢測藥型的長度，以便根據檢測結果及時調整設備參數，提高良品率。

激光三角法是一種非常有用的非接觸測量方法[1]。隨著激光技術和檢測技術的發展，其廣泛應用于工業自動化和航空航天等領域。國外很多公司在這方面都有成熟的產品，如日本的基恩士公司，其產品優點是結構簡單、測量精度高、工作距離和測量范圍可調性強。

本設計根據測量精度的要求和藥型的尺寸標準，采用日本基恩士公司的IL-065型激光位移傳感器，利用三角位移測量原理實現對藥型的長度測量并傳輸至計算機進行數據處理。

1 激光三角測量原理

典型的激光三角測距光路如圖1所示。測量的基本思路是，將激光聚焦在被測物體的表面，然后在光電檢測元件的感光面上對光斑成像，通過光斑像的移動來反映測量點處的空間位移量[2]。

從圖1可看出，激光源發出的光經過會聚透鏡準直后投射到被測物體表面，其漫反射光經接收透鏡形成光斑成像在光電檢測器件上，被測物體表面的位移改變引起光敏元件上面成像光斑產生位移[3]。我們可以從控制電路獲知光斑位移的改變，從而測出物體表面位移的變化。

設參考平面上的D點為基準點，當物體表面相對基準面的位移為y時，設由接收透鏡收集到的光敏元件上形成的光斑產生的位移為x，通過運算可得y與x的關系式：

式中：a—參考平面與接收透鏡之間的距離；b―光電檢測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元件的感光面之間的夾角。

當被測物體表面在參考平面下方時，取+號，反之，取-號。

2 系統設計

2.1 結構組成

測量裝置由激光位移傳感器、計算機測控系統和支撐平臺組成。測量裝置如圖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，其測量范圍是160mm-450mm，并能消除干擾光對測量的影響，廣泛應用于高精度的判斷與測量。要使數據從放大器傳輸到電腦并顯示出來，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，通過設定好的通信指令，使得數據從放大器傳輸到電腦中。

2.3 計算機測控系統

計算機測控系統的功能主要包括圖像處理與軟件算法設計。激光三角測距系統所用到的檢測器件為CCD相機，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，進而影響CCD所采集到的圖像質量，因此需要對圖像進行去噪聲處理。軟件算法設計則是為了更加精確地計算出光斑的中心位置，提高系統的測量精度和穩定性[4]。在本系統中，我們采用非線性濾波中的中值濾波算法來對圖像進行預處理。在激光光強質心的定位算法中，我們常常將激光光強的最強點作為激光光斑的定位點，根據激光光強在CCD光敏面上的實際分布，我們選擇采用二次多項式插值法。

2.4 支撐平臺

藥型屬于易燃易爆產品，在測量過程中，需要考慮隔絕靜電和碰撞產生的電火花。因此，我們采用鋁制材料作為平臺的主體，并對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，因為電木板是由漂白木漿紙做成的酚醛層壓紙板，在和物體的摩擦過程中不會產生靜電。

圖1 激光三角測距光路

圖2 測量裝置

圖3 測量結果顯示

3 測量結果

3.1 測量過程

藥型采用后端面擋板定位并設其為起始點，擋板位置固定，在距擋板平面固定距離889.5mm（即藥型標準長度）處做一標記，此處為藥型前端面位置。當藥型前端面位置確定后，距前端面固定距離處安裝激光發射裝置，然后由傳感器射出的光束經聚焦，成為一極細的光點投射到藥型的前端面上，傳感器通過激光三角測量原理計算藥型前端面與激光裝置之間的距離，并將此距離設為零點偏移值，設容定誤差為±0.05mm。激光位移傳感器輸出的模擬信號經A/D轉換傳輸給計算機，經數據處理后即可確定藥型長度合格與否。

為了提高檢測效率，在顯示屏輸出測量結果的過程中，當測量數據為合格時，字體顯示為綠色；而測量結果超出允許的誤差范圍時，字體就會顯示為紅色，并發出語音報警提示。測量結果顯示如圖3所示。

3.2 實驗數據

使用本裝置，對同一根藥型長度進行了5次測量，并同人工測量值進行對比，下表為藥型長度測量結果。

此藥型的標準長度為889.55mm，從表中可以看出，人工測量的數據波動明顯高于激光三角測量，測量精度卻低于激光測量。相反，激光三角法測量的數據穩定性更好。

藥型長度測量結果表

4 測量系統的誤差分析

測量系統的工作過程非常復雜，各個環節都可能存在誤差影響，如對這些誤差不進行分析與處理，測量系統將會給出不準確或者錯誤的結果。在實際測量中影響測量精度的因素，主要表現在以下兩方面：CCD傳感器的誤差和系統誤差。

4.1 CCD傳感器引發的誤差

CCD感光單元靈敏度誤差是其在制造過程中材料雜質的不均勻性造成的[5]。一般來說CCD器件的感光單元靈敏度不均勻誤差小于10%，由實驗可知我們所用的CCD飽和曝光量Vsat=1.74v，則CCD感光單元靈敏度不均勻產生的電平誤差為:

根據實驗數據做出波形曲線，計算出其邊緣點的斜率k≥120mv/μm，當均勻光照時，光敏元感光靈敏度不均勻產生的誤差為：

4.2 系統誤差

被測藥型傾斜一定的角度時，測量的結果就會出現偏大或者偏小的情況，這就是測量裝置的系統誤差，對此，我們可以采用一定的算法來進行校正。本裝置對藥型在各個傾斜角度所測得的數據與真實值進行比對，從而確定不同的角度都有其所對應的確定的偏差，然后通過補償這個偏差來實現誤差的校正。從實驗可知，本裝置的主要誤差來源還是系統誤差，而隨機誤差對數據的影響可以忽略不計。

5 結論

利用激光三角法測量藥型長度總體效果良好，實現了無損檢測的目的，且易于人工操作。筆者從就CCD傳感器的誤差和系統誤差兩個方面分析了誤差對測量結果的影響，通過對誤差進行校正，經過長時間實驗表明，該系統的測量結果正確，測量效率高，滿足了設計要求。

[1]錢曉凡,呂曉旭,鐘麗云，等.提高激光三角法測量精度的新方法[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量系統誤差分析[J].光學與光電技術，2013，11(3):62-66.

[3]孫軍利.基于線陣CCD的激光三角測距傳感器數據處理算法的研究[D].上海：上海交通大學,2006.

[4]熊志勇，趙斌.基于梯形棱鏡的激光三角法內孔測距傳感器[J].光學學報,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，三門峽職業技術學院機電工程學院教師。

（責任編輯 卞建寧）