線結(jié)構(gòu)光傳感器測(cè)量特性的測(cè)試分析*

劉 藝,孫衍強(qiáng),石照耀,于 渤

(北京工業(yè)大學(xué) 北京市精密測(cè)控技術(shù)與儀器工程技術(shù)研究中心,北京 100124)

0 引 言

近年來(lái),光學(xué)測(cè)量技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)檢測(cè)領(lǐng)域中得到了快速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用,特別是線結(jié)構(gòu)光測(cè)量技術(shù),具有原理簡(jiǎn)單、測(cè)量速度快、測(cè)量精度高、可連續(xù)測(cè)量、可測(cè)量柔性物體等優(yōu)點(diǎn)[1,2],目前已被廣泛應(yīng)用于位移檢測(cè)、輪廓檢測(cè)、三維形貌掃描[3]等領(lǐng)域。

線結(jié)構(gòu)光傳感器作為光學(xué)測(cè)量?jī)x器中的常用元器件,由于其具有測(cè)量效率高、測(cè)量范圍廣、分辨率高[4]、操作簡(jiǎn)單[5]的優(yōu)勢(shì),多被用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量場(chǎng)合(比如,測(cè)量齒輪表面質(zhì)量[6,7]、公路平整度[8]、鑄鋼車輪尺寸[9]、激光拼焊焊縫[10]、軌道車輛、車體外形尺寸[11]等)。

然而受到各種內(nèi)外部因素的影響,線結(jié)構(gòu)光傳感器的測(cè)量特性表現(xiàn)存在差異,影響測(cè)量的精度,因此值得重視和研究。

李昱坤等人[12]提出了一種線結(jié)構(gòu)光傳感器靜態(tài)性能測(cè)試方法,并針對(duì)傳感器的靜態(tài)性能,即穩(wěn)定性、重復(fù)性、線性度進(jìn)行了測(cè)試,通過(guò)分析得到了線性度對(duì)測(cè)量精度影響較大的結(jié)論。GESTEL N V等人[13]對(duì)線結(jié)構(gòu)光傳感器進(jìn)行了性能評(píng)估測(cè)試,測(cè)試結(jié)果表明,傳感器開(kāi)機(jī)未經(jīng)預(yù)熱時(shí)存在測(cè)量誤差。FENG H Y等人[14]測(cè)試了傳感器不同掃描深度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響,結(jié)果顯示,隨機(jī)誤差隨掃描深度變化而不同。吳劍鋒等人[15]研究了環(huán)境溫度等因素對(duì)傳感器測(cè)量結(jié)果的影響,研究結(jié)果表明,當(dāng)測(cè)量環(huán)境存在500 ℃溫差時(shí),激光束會(huì)發(fā)生彎曲,從而引起測(cè)量誤差。SONG Li-mei等人[16]使用了線結(jié)構(gòu)光傳感器測(cè)量校準(zhǔn)球,得到了其點(diǎn)云數(shù)據(jù),將其與標(biāo)準(zhǔn)模型數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比,通過(guò)球面擬合了計(jì)算誤差,結(jié)果表明,線結(jié)構(gòu)光傳感器在測(cè)量物體的邊緣和頂點(diǎn)時(shí)需要進(jìn)行整體點(diǎn)云濾波處理。

目前,業(yè)界對(duì)線結(jié)構(gòu)光傳感器測(cè)量特性的研究較為分散,未從多層面對(duì)其進(jìn)行分析。筆者設(shè)計(jì)一種線結(jié)構(gòu)光傳感器測(cè)試平臺(tái),研究傳感器的內(nèi)部因素(內(nèi)部溫度、測(cè)量區(qū)域位置、曝光時(shí)間)和外部因素(測(cè)量物體性質(zhì)、環(huán)境光強(qiáng))對(duì)線結(jié)構(gòu)光傳感器測(cè)量特性的影響情況。

1 線結(jié)構(gòu)光傳感器工作原理

線結(jié)構(gòu)光傳感器采用三角測(cè)量原理,如圖1所示。

圖1 三角測(cè)量原理

激光器發(fā)射激光束照射在被測(cè)物體表面A點(diǎn)處,反射光束經(jīng)由透鏡聚焦至光電探測(cè)器的B點(diǎn),此時(shí),入射光束與反射光束夾角為α,反射光束與光電探測(cè)器夾角為β。

激光器與被測(cè)物體表面距離變化y時(shí),光電探測(cè)器上的相對(duì)像移為x,其關(guān)系為:

(1)

式中:a—測(cè)量點(diǎn)成像物距;b—測(cè)量點(diǎn)成像像距。

由線結(jié)構(gòu)光傳感器的工作原理可知,影響其測(cè)量特性的因素主要有:

(1)內(nèi)部溫度。線結(jié)構(gòu)光傳感器采用半導(dǎo)體激光器,激光器的輸出特性隨傳感器內(nèi)部溫度的變化而不同;

(2)測(cè)量區(qū)域位置。受到透鏡、光電探測(cè)器等傳感器自身元件影響,測(cè)量區(qū)域內(nèi)不同位置的測(cè)量穩(wěn)定性存在差異;

(3)曝光時(shí)間。曝光時(shí)間決定了光電探測(cè)器及激光器的持續(xù)開(kāi)啟時(shí)間,影響到傳感器的接收光量;

(4)測(cè)量物體的性質(zhì)。不同測(cè)量物體的表面性質(zhì)會(huì)導(dǎo)致反射光角度和強(qiáng)度產(chǎn)生變化,影響測(cè)量結(jié)果;

(5)環(huán)境光強(qiáng)。不同強(qiáng)度的環(huán)境光會(huì)干擾傳感器處理反射激光束信息,影響測(cè)量結(jié)果。

2 測(cè)試平臺(tái)

線結(jié)構(gòu)光傳感器測(cè)試平臺(tái)如圖2所示。

圖2 線結(jié)構(gòu)光傳感器測(cè)試平臺(tái)1—阻尼隔振光學(xué)平臺(tái);2—激光干涉儀;3—導(dǎo)軌;4—?dú)飧』瑝K;5—反射鏡;6—傳感器測(cè)量物體;7—升降臺(tái);8—支架;9—組合微調(diào)平臺(tái);10—線結(jié)構(gòu)光傳感器

圖2中,放置測(cè)量物體的升降臺(tái)和激光干涉儀的反射鏡被一同安裝在氣浮滑塊上,并隨滑塊一同運(yùn)動(dòng);工控機(jī)通過(guò)控制器對(duì)線結(jié)構(gòu)光傳感器進(jìn)行設(shè)定及控制,傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)控制器傳輸至工控機(jī);激光干涉儀采集的數(shù)據(jù)同樣傳輸至工控機(jī)。

為避免氣浮導(dǎo)軌系統(tǒng)帶來(lái)的定位誤差,筆者使用激光干涉儀作為線結(jié)構(gòu)光傳感器測(cè)試平臺(tái)的長(zhǎng)度基準(zhǔn);組合微調(diào)平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)傳感器六自由度的位姿調(diào)整;升降臺(tái)可保證不同規(guī)格的測(cè)量物體處在傳感器測(cè)量范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)試。

3 測(cè)試對(duì)象

筆者選用兩款不同廠家的線結(jié)構(gòu)光傳感器作為測(cè)試對(duì)象,其主要性能指標(biāo)如表1所示。

表1 傳感器主要性能指標(biāo)

兩傳感器的有效測(cè)量區(qū)域如圖3所示。

圖3 傳感器的有效測(cè)量區(qū)域示意圖

4 影響因素測(cè)試分析

4.1 傳感器內(nèi)部溫度影響的測(cè)試及分析

在工作過(guò)程中,線結(jié)構(gòu)光傳感器中的半導(dǎo)體激光器的溫升會(huì)影響其輸出特性,進(jìn)而影響傳感器的測(cè)量特性。

筆者設(shè)置測(cè)試環(huán)境溫度為20±0.5 ℃,保持測(cè)試環(huán)境及傳感器的參數(shù)設(shè)置不變,將量塊工作面作為被測(cè)面,置于傳感器有效測(cè)量區(qū)域內(nèi)Z軸方向的基準(zhǔn)距離處,傳感器關(guān)機(jī),待傳感器內(nèi)部溫度降到室溫后重新開(kāi)機(jī),以1 s采集1次數(shù)據(jù)的速度記錄內(nèi)部溫度及測(cè)量結(jié)果的變化量。

傳感器A內(nèi)部溫度與測(cè)量結(jié)果隨時(shí)間變化曲線,如圖4所示。

圖4中,7條測(cè)量結(jié)果隨時(shí)間的變化曲線,分別代表傳感器A在X∈[-7.5 mm,7.5 mm]范圍內(nèi)的7個(gè)測(cè)量點(diǎn),覆蓋X方向的整個(gè)測(cè)量范圍。

圖4 傳感器A內(nèi)部溫度與測(cè)量結(jié)果隨時(shí)間變化曲線

圖5 區(qū)域①處X=0的測(cè)量結(jié)果隨時(shí)間變化曲線

區(qū)域①處X=0的測(cè)量結(jié)果隨時(shí)間變化曲線,如圖5所示。

傳感器B內(nèi)部溫度與測(cè)量結(jié)果隨時(shí)間變化曲線,如圖6所示。

圖6 傳感器B內(nèi)部溫度與測(cè)量結(jié)果隨時(shí)間變化曲線

圖6中,7條測(cè)量結(jié)果隨時(shí)間的變化曲線,分別代表傳感器B在X∈[-12.5 mm,12.5 mm]范圍內(nèi)的7個(gè)測(cè)量點(diǎn),覆蓋X方向的整個(gè)測(cè)量范圍。

區(qū)域②處X=0的測(cè)量結(jié)果隨時(shí)間變化曲線,如圖7所示。

圖7 區(qū)域②處X=0的測(cè)量結(jié)果隨時(shí)間變化曲線

根據(jù)測(cè)試結(jié)果可知:

(1)不同傳感器開(kāi)機(jī)后,內(nèi)部溫度變化存在差異,測(cè)量結(jié)果變化與內(nèi)部溫度變化呈正相關(guān)趨勢(shì)。傳感器內(nèi)部溫度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)需要約1 h,測(cè)量結(jié)果同樣達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),且變化量保持在3 μm內(nèi);

(2)傳感器A開(kāi)機(jī)15 min內(nèi)的測(cè)量結(jié)果變化近似線性,傳感器B開(kāi)機(jī)40 min內(nèi)的測(cè)量結(jié)果變化近似拋物線。可根據(jù)測(cè)量需求,對(duì)傳感器內(nèi)部溫升導(dǎo)致的測(cè)量結(jié)果變化誤差進(jìn)行補(bǔ)償,以提高傳感器的測(cè)量精度;

(3)從開(kāi)機(jī)至達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),傳感器A的測(cè)量結(jié)果變化量約為30 μm,傳感器B的測(cè)量結(jié)果變化量約為12 μm,如果進(jìn)行毫米級(jí)或更低精度要求的測(cè)量工作,傳感器開(kāi)機(jī)不經(jīng)預(yù)熱即可進(jìn)行測(cè)量;

(4)圖(5,7)中,傳感器內(nèi)部溫度處于上升階段時(shí),1 min內(nèi)傳感器測(cè)量結(jié)果變化量在3 μm內(nèi),與穩(wěn)態(tài)時(shí)的變化量一致。如需進(jìn)行短時(shí)間的快速測(cè)量工作,傳感器開(kāi)機(jī)不經(jīng)預(yù)熱即可開(kāi)始測(cè)量;在進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間位置測(cè)量或動(dòng)態(tài)測(cè)量工作時(shí),必須等傳感器內(nèi)部溫度穩(wěn)定后再開(kāi)始測(cè)量。

4.2 傳感器測(cè)量區(qū)域位置的影響

線結(jié)構(gòu)光傳感器的有效測(cè)量區(qū)域是一個(gè)整體范圍,但由于傳感器的本身特性,測(cè)量區(qū)域內(nèi)不同位置的穩(wěn)定性存在差異,并對(duì)測(cè)量精度產(chǎn)生影響。

筆者保持傳感器參數(shù)設(shè)置及測(cè)試環(huán)境不變,且傳感器充分預(yù)熱,將量塊工作面作為被測(cè)面置于傳感器的測(cè)量區(qū)域內(nèi),等步長(zhǎng)(該研究為1 mm)由遠(yuǎn)端視場(chǎng)向近端視場(chǎng)移動(dòng),并記錄每個(gè)位置的測(cè)量值;把激光干涉儀作為長(zhǎng)度基準(zhǔn)進(jìn)行同步測(cè)量,并記錄其結(jié)果。

計(jì)算每個(gè)位置的寬度X方向上每一個(gè)“激光點(diǎn)”測(cè)量數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差,以此衡量傳感器測(cè)量區(qū)域內(nèi)不同位置的穩(wěn)定性。

測(cè)量區(qū)域位置影響的測(cè)試結(jié)果,如圖8所示。

圖8 測(cè)量區(qū)域位置影響的測(cè)試結(jié)果

根據(jù)測(cè)試結(jié)果可知:

(1)線結(jié)構(gòu)光傳感器測(cè)量區(qū)域內(nèi)不同位置的測(cè)量穩(wěn)定性存在差異,X方向上中間區(qū)域穩(wěn)定性優(yōu)于兩端;

(2)不同傳感器的測(cè)量穩(wěn)定區(qū)域也有所不同。傳感器A在Z軸方向基準(zhǔn)距離附近區(qū)域的測(cè)量穩(wěn)定性優(yōu)于邊緣區(qū)域,如圖8(a)中區(qū)域①所示;傳感器B在Z軸方向基準(zhǔn)距離處至近端視場(chǎng)間的中部區(qū)域穩(wěn)定性較好,如圖8(b)中區(qū)域②所示;

(3)針對(duì)不同的測(cè)量需求可選擇與之相應(yīng)的最佳測(cè)量位置。以傳感器B為例,如果測(cè)量要求不高(標(biāo)準(zhǔn)差大于3.5 μm),可在全測(cè)量范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)量;如需高精度測(cè)量,則需要根據(jù)不同測(cè)量要求選擇閾值,圖8(b)中區(qū)域②即為標(biāo)準(zhǔn)差閾值小于1 μm的測(cè)量區(qū)域。

4.3 傳感器曝光時(shí)間的影響

曝光時(shí)間決定了光源和光電探測(cè)器持續(xù)開(kāi)啟時(shí)間,會(huì)影響傳感器的感光量。曝光時(shí)間過(guò)短,會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果丟失數(shù)據(jù)點(diǎn);曝光時(shí)間過(guò)長(zhǎng),有助于線結(jié)構(gòu)光傳感器偵測(cè)黑暗中或遠(yuǎn)處測(cè)量物體上的光線,但會(huì)導(dǎo)致過(guò)度吸收環(huán)境干擾光。

筆者保持測(cè)試環(huán)境不變,且傳感器充分預(yù)熱,將量塊工作面作為被測(cè)面置于Z軸方向的基準(zhǔn)距離處,分別在正常曝光、過(guò)曝光、欠曝光這3種參數(shù)設(shè)置下進(jìn)行測(cè)量。

曝光時(shí)間影響的測(cè)試結(jié)果如圖9所示。

圖9 曝光時(shí)間影響的測(cè)試結(jié)果

根據(jù)測(cè)試結(jié)果可知:

(1)在正常曝光情況下,傳感器A和B的測(cè)量輪廓清晰,獲得可靠的測(cè)量結(jié)果;

(2)在過(guò)曝光情況下,傳感器A吸收過(guò)多環(huán)境背景光,而傳感器B的測(cè)量輪廓在X=0附近數(shù)據(jù)點(diǎn)劇烈波動(dòng),影響測(cè)量結(jié)果;

(3)在欠曝光情況下,傳感器A和B的測(cè)量輪廓丟失大量有效數(shù)據(jù)點(diǎn),測(cè)量結(jié)果不可靠;

(4)在實(shí)際測(cè)量前,需要根據(jù)回光情況將傳感器的曝光時(shí)間調(diào)整到合適參數(shù),傳感器的感光量在50%左右時(shí)可滿足測(cè)量需求。

4.4 測(cè)量物體性質(zhì)的影響

筆者為了測(cè)試,加工制造了鋼、銅、鋁、黑色塑料、白色塑料這5種不同材料的測(cè)試樣條,如圖10所示。

圖10 不同材料測(cè)試樣條

筆者保持測(cè)試環(huán)境不變,且對(duì)傳感器充分預(yù)熱,將5種測(cè)試樣條分別置于傳感器的有效測(cè)量區(qū)域內(nèi),調(diào)整傳感器的參數(shù)設(shè)置,以得到測(cè)量的輪廓。

測(cè)量物體性質(zhì)影響的測(cè)試結(jié)果中,傳感器A測(cè)量物體性質(zhì)影響的測(cè)試結(jié)果,如圖11所示。

圖11 傳感器A測(cè)量物體性質(zhì)影響的測(cè)試結(jié)果

傳感器B測(cè)量物體性質(zhì)影響的測(cè)試結(jié)果,如圖12所示。

圖12 傳感器B測(cè)量物體性質(zhì)影響的測(cè)試結(jié)果

根據(jù)測(cè)試結(jié)果可知:

(1)圖11(a～c)和圖12(a～c)中,在合適的參數(shù)設(shè)置下,采用線結(jié)構(gòu)光傳感器測(cè)量鋼、銅、鋁此類金屬材料物體,可以得到穩(wěn)定清晰的輪廓,測(cè)量結(jié)果可靠;

(2)采用線結(jié)構(gòu)光傳感器測(cè)量黑色塑料物體,同樣能得到可靠結(jié)果,但由于白色塑料物體的強(qiáng)透光性,光電探測(cè)器不能接收到足夠的反射光量,無(wú)法得到白色塑料物體的清晰輪廓。因此,線結(jié)構(gòu)光傳感器不適用于強(qiáng)透光性物體的測(cè)量;

(3)測(cè)量強(qiáng)透光性的物體時(shí),需要使用其他測(cè)量方法,或在不影響表面形狀的前提下,在測(cè)量物體表面覆蓋不透光材料。

4.5 環(huán)境光強(qiáng)的影響

筆者保持傳感器參數(shù)設(shè)置及測(cè)試環(huán)境不變,且對(duì)傳感器進(jìn)行充分預(yù)熱,將量塊工作面作為被測(cè)面,置于傳感器Z軸方向的基準(zhǔn)距離處。

筆者分別在正常環(huán)境光下、光照強(qiáng)度1萬(wàn)勒克斯環(huán)境光下、光照強(qiáng)度5萬(wàn)勒克斯環(huán)境光下,對(duì)線結(jié)構(gòu)光傳感器進(jìn)行測(cè)試,照度計(jì)檢測(cè)結(jié)果如圖13所示。

圖13 照度計(jì)檢測(cè)結(jié)果

首先,筆者將傳感器置于正常環(huán)境光下進(jìn)行測(cè)量,得到測(cè)量結(jié)果;之后,模擬強(qiáng)光環(huán)境,調(diào)整光源強(qiáng)度,將強(qiáng)光分別對(duì)準(zhǔn)線結(jié)構(gòu)光傳感器的激光接收透鏡、激光發(fā)射口、被測(cè)面進(jìn)行測(cè)試。

環(huán)境光強(qiáng)影響的測(cè)試過(guò)程如圖14所示。

圖14 環(huán)境光強(qiáng)影響的測(cè)試過(guò)程

不同環(huán)境光強(qiáng)下,傳感器對(duì)量塊的測(cè)量結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)比中,傳感器A環(huán)境光強(qiáng)影響的測(cè)試結(jié)果,如圖15所示。

圖15 傳感器A環(huán)境光強(qiáng)影響的測(cè)試結(jié)果

傳感器B環(huán)境光強(qiáng)影響的測(cè)試結(jié)果,如圖16所示。

圖16 傳感器B環(huán)境光強(qiáng)影響的測(cè)試結(jié)果

根據(jù)測(cè)試結(jié)果可知:

對(duì)比不同環(huán)境光強(qiáng)下傳感器測(cè)量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差,線結(jié)構(gòu)光傳感器在強(qiáng)光環(huán)境下和正常環(huán)境光下測(cè)量結(jié)果的穩(wěn)定性一致;正常環(huán)境光下的光照強(qiáng)度低于150勒克斯,該次測(cè)試模擬的強(qiáng)光環(huán)境最高光照強(qiáng)度為5萬(wàn)勒克斯,已經(jīng)大幅超過(guò)傳感器測(cè)量時(shí)環(huán)境光可能達(dá)到的強(qiáng)度。

因此,不同環(huán)境光強(qiáng)對(duì)測(cè)量精度的影響可忽略,線結(jié)構(gòu)光傳感器可在一定的強(qiáng)光環(huán)境下進(jìn)行穩(wěn)定測(cè)量。

5 結(jié)束語(yǔ)

為了揭示線結(jié)構(gòu)光傳感器在各種因素影響下的測(cè)量特性,筆者設(shè)計(jì)了一種測(cè)試平臺(tái),研究了傳感器的內(nèi)部因素(內(nèi)部溫度、測(cè)量區(qū)域位置、曝光時(shí)間)和外部因素(測(cè)量物體的性質(zhì)、環(huán)境光強(qiáng))對(duì)傳感器測(cè)量特性的影響;通過(guò)分析獲得了不同因素對(duì)線結(jié)構(gòu)光傳感器測(cè)量特性的影響情況。

研究結(jié)論如下:

(1)線結(jié)構(gòu)光傳感器開(kāi)機(jī)后測(cè)量結(jié)果變化與內(nèi)部溫度變化呈正相關(guān)趨勢(shì),從開(kāi)機(jī)至達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)期間測(cè)量結(jié)果變化呈一定規(guī)律,可通過(guò)誤差補(bǔ)償提高測(cè)量精度;

(2)線結(jié)構(gòu)光傳感器有效測(cè)量區(qū)域內(nèi)X方向中部區(qū)域的穩(wěn)定性優(yōu)于邊緣區(qū)域,應(yīng)根據(jù)測(cè)量需求選擇最佳測(cè)量位置;

(3)曝光時(shí)間決定了測(cè)量結(jié)果的可靠性,需要根據(jù)不同的測(cè)量物體表面回光強(qiáng)度來(lái)調(diào)整合適的傳感器曝光時(shí)間;

(4)線結(jié)構(gòu)光傳感器測(cè)量鋼、銅、鋁等金屬材料物體以及黑色塑料物體時(shí),測(cè)量輪廓結(jié)果穩(wěn)定可靠,但是不能穩(wěn)定測(cè)量強(qiáng)透光性物體;

(5)不同環(huán)境光強(qiáng)對(duì)測(cè)量精度的影響可忽略,線結(jié)構(gòu)光傳感器可在一定的強(qiáng)光環(huán)境下進(jìn)行穩(wěn)定測(cè)量。

下一步,筆者將使用線結(jié)構(gòu)光傳感器對(duì)物體表面進(jìn)行多角度測(cè)量,研究激光散射等因素對(duì)傳感器測(cè)量特性的影響情況。