CN108981585A - 可精确测量曲面目标位移的激光位移传感器 - Google Patents

可精确测量曲面目标位移的激光位移传感器 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种可精确测量曲面目标位移的激光位移传感器，主要包括：激光二极管、发射镜组、接收镜组、光电器件、处理电路等。其特征是，所述的发射镜组并非产生一束激光束，而是能够产生多束对称而且均匀分布的平行激光束。所述的发射镜组由整形镜、准直镜、分束镜、聚焦镜组成，整形镜将激光二极管发出的发散光束整形为汇聚光束，准直镜将汇聚后的激光束变为准直激光束，分束镜将一束激光束分为多束对称而均匀分布的发射激光束，聚焦镜将多束发散的激光束变为平行的激光束。所述的光电器件不是线阵器件，而是面阵器件。该激光位移传感器可以有效抑制传感器横向移动与倾斜对位移测量精度的影响，满足曲面目标位移测量的要求。

Description

可精确测量曲面目标位移的激光位移传感器
技术领域
本发明涉及的是一种位移测量技术领域的传感器，具体是一种可精确测量曲面目标位移的激光位移传感器。
背景技术
目前，制造业作对各种在线检测手段也提出了越来越高的要求，除了高精度、非接触、数字化等测量性能要求之外，对于稳定性、通用性、互换性等维护性能的要求也是与日俱增，以期不断降低维护成本，已经成为公认的在线检测领域的未来趋势。其中，位移是一项重要的测量内容，被广泛应用在工业检测的各个领域中。在众多的位移传感器中，基于三角测距原理的激光位移传感器异军突起，它具有非接触绝对测量、速度快、精度高、抗干扰能力强、测量点小、适用范围广等一系列卓越的优点，并受到越来越广泛的关注。
但是目前世界上现有的激光位移传感器基本上都存在一个共同的问题：被测目标的测量点所在部位必须为平面，而且该平面必须与激光位移传感器的测量光束相垂直，这样才能保证位移测量的精度。但是，在实际应用中会出现大量的曲面形状的被测目标，或者是被测目标的测量点部位形状为曲面，而不是理想的垂直的平面。在这种情况下，如果被测目标与激光器位移传感器之间的位置出现稍许横向平移或者倾斜，位移测量结果将产生巨大的变化，从而产生显著的位移测量误差，严重降低位移传感器的测量精度，甚至根本无法满足测量要求。
关于曲面测量，目前有多种传感器可以实现，例如激光轮廓传感器、双目立体视觉传感器等。但是，这些传感器仅仅是测量三维目标的形状，并不是三维目标的位移。因此，这成为世界范围内激光位移传感器的共性难点问题。
发明内容
本发明的目的在于针对现有激光位移传感器存在的无法精确测量曲面目标位移的问题，提出一种可精确测量曲面目标位移的激光位移传感器方法。该激光位移传感器采用一个特殊的发射镜组，能够产生多束对称而且均匀分布的平行激光束，可在被测目标表面上产生多个对称而且均匀分布的激光光斑，并通过接收镜组成像到一个面阵光电器件上，通过数据处理计算得到被测目标的真实距离。这种新型的激光位移传感器可以有效抑制传感器横向移动与倾斜对位移测量精度的影响，而且与传统的激光位移传感器相比，整个***结构保持不变，***组成简单、实用性强。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明的激光位移传感器主要包括：激光二极管、发射镜组、接收镜组、光电器件、处理电路等。本发明的激光位移传感器的特征是，所述的发射镜组并非产生一束激光束，而是能够产生多束对称而且均匀分布的平行激光束。
该激光位移传感器的工作过程如下：由激光二极管发射的激光束通过发射镜组准直之后，产生多束对称而且均匀分布的平行激光束，可在被测目标表面上产生多个对称而且均匀分布的激光光斑，这些激光光斑通过接收镜组成像到一个面阵光电器件上，成像数据送入处理电路，通过数据处理计算得到被测目标的真实距离。
本发明的激光二极管是一种小型激光二极管件，优先选用半导体激光二极管，要求输出光强稳定，输出光束截面形状为单峰且持续稳定。同时，为了满足测控要求，该激光二极管不仅是可以持续发光的，而且是可以连续调制的，调制频率和脉冲宽度均为连续可调的。
本发明的发射镜组的特征是，所述的发射镜组不仅具有常规激光位移传感器发射镜组所具有的聚焦与准直功能之外，还可以产生多束对称而且均匀分布的平行激光束。所述的发射镜组由整形镜、准直镜、分束镜、聚焦镜组成，整形镜将激光二极管发出的发散光束整形为汇聚光束，准直镜将汇聚后的激光束变为准直激光束，分束镜将一束激光束分为多束对称而均匀分布的发射激光束，聚焦镜将多束发散的激光束变为平行的激光束。
本发明的接收镜组采用光学玻璃制成，且符合横聚焦成像调节，保证成像质量和测量精度。
本发明的光电器件的特征是，所述的光电器件不是线阵器件，而是面阵器件，其像素数目可根据测量精度来选用，其采样速度可根据传感器的测量速度要求来选用。
本发明提出用于上述激光位移传感器的数据处理方法。
(1)滤波处理：去除背景噪声以及干扰信号。选取一个阈值，将所有灰度值低于该阈值的像素点的灰度置为零。该阈值可以通过统计所有像素点的灰度分布直方图，取两峰之间谷底所对应的灰度值来设定。
(2)分割处理：将每个激光光斑的成像区域分割开来。可以利用滤波处理后形成的灰度为零点进行分割。
(3)光斑定位：技术每个光斑成像的质心坐标，可采用常规二维灰度分布质心计算方法计算。
(4)融合定位：取所有光斑成像质心坐标的平均值作为最终定位结果；
(5)位移计算：利用被测目标移动前后的融合定位坐标计算对应的位移测量值，被测目标位移的测量值为两点的距离。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为本发明的激光位移传感器组成示意图；
图2为本发明的多激光束布局示意图；
图3为本发明的发射镜组组成示意图；
图4为本发明的滤波处理方法示意图；
图5为本发明的分割处理方法示意图；
图6为本发明的融合定位方法示意图；
图7为本发明的位移计算方法示意图；
图8为本发明的对称光路布局示意图
图中，1为激光二极管，2为发射镜组，3为接收镜组，4为光电器件，5为处理电路，6为被测目标，7为整形镜，8为准直镜，9为分束镜，10为聚焦镜。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本发明的激光位移传感器主要包括：激光二极管1、发射镜组 2、接收镜组3、光电器件4、处理电路5等。本发明的激光位移传感器的特征是，所述的发射镜组2并非仅仅产生一束激光束，而是能够产生多束对称而且均匀分布的平行激光束。
该激光位移传感器的工作过程如下：由激光二极管1发射的激光束通过发射镜组2准直之后，产生多束对称而且均匀分布的平行激光束，可在被测目标6表面上产生多个对称而且均匀分布的激光光斑，这些激光光斑通过接收镜组3成像到一个面阵光电器件4上，成像数据送入处理电路5，通过数据处理计算得到被测目标6的真实距离。
本发明的激光二极管1是一种小型激光二极管件，优先选用半导体激光二极管，要求输出光强稳定，例如输出功率根据要求可选数5mW±0.5mW；输出光束截面形状为单峰且持续稳定，例如符合M2＝0的高斯分布。同时，为了满足测控要求，该激光二极管1不仅是可以持续发光的，而且是可以连续调制的，调制频率和脉冲宽度均为连续可调的，例如要求激光二极管3的可调制频率为100kHz。
本发明的发射镜组2的特征是，所述的发射镜组2不仅具有常规激光位移传感器发射镜组所具有的聚焦与准直功能之外，还可以产生多束对称而且均匀分布的平行激光束，例如可以产生4束、6束、8束平行光束，光束的分布可以呈环形、矩阵等，如图2所示。
本发明的发射镜组2的特征是，所述的发射镜组2由整形镜7、准直镜8、分束镜9、聚焦镜10组成，如图3所示。整形镜7将激光二极管1发出的发散光束整形为汇聚光束，准直镜8将汇聚后的激光束变为准直激光束，分束镜9将一束激光束分为多束对称而均匀分布的发射激光束，聚焦镜10将多束发散的激光束变为平行的激光束。
本发明的接收镜组3采用光学玻璃制成，且符合横聚焦成像调节，保证成像质量和测量精度。
本发明的光电器件4的特征是，所述的光电器件4不是线阵器件，而是面阵器件，例如面阵CMOS、面阵CCD等。所述光电器件4的像素数目可根据测量精度来选用，其采样速度可根据传感器的测量速度要求来选用。
本发明提出用于上述激光位移传感器的数据处理方法。
(1)滤波处理：去除背景噪声以及干扰信号。选取一个阈值，将所有灰度值低于该阈值的像素点的灰度置为零。该阈值可以通过统计所有像素点的灰度分布直方图，取两峰之间谷底所对应的灰度值来设定，例如图4所示的G0。
(2)分割处理：将每个激光光斑的成像区域分割开来。可以利用滤波处理后形成的灰度为零点进行分割，如图5所示。
(3)光斑定位：计算每个光斑成像的质心坐标，可采用常规二维灰度分布质心计算方法计算。
(4)融合定位：取所有光斑成像质心坐标的平均值作为最终定位结果。如图6所示，假设4个光斑的质心坐标分布为C1(x1,y1)、C2(x2,y2)、C3(x3,y3)、 C4(x4,y4)，则融合后的定位坐标C(x,y)为：
x＝(x1+x2+x3+x4)/4
y＝(y1+y2+y3+y4)/4
(5)位移计算：利用被测目标移动前后的融合定位坐标计算对应的位移测量值。如图7所示，假设被测目标移动前后的融合定位坐标分别为C(x,y)和C ′(x′,y′)，则被测目标位移的测量值为两点的距离：
D＝SQRT[(x-x′)^2+(y-y′)^2]
本发明的有益效果是，与现有的激光位移传感器相比，本发明采用一个特殊的发射镜组，能够产生多束对称而且均匀分布的平行激光束，可在被测目标表面上产生多个对称而且均匀分布的激光光斑，并通过接收镜组成像到一个面阵光电器件上，通过数据处理计算得到被测目标的真实距离。这种新型的激光位移传感器可以有效抑制传感器横向移动与倾斜对曲面目标位移测量精度的影响，而且与传统的激光位移传感器相比，整个***结构保持不变，***组成简单、实用性强。

Claims (4)

1.一种可精确测量曲面目标位移的激光位移传感器，主要包括：激光二极管、发射镜组、接收镜组、光电器件、处理电路等；本发明的激光位移传感器的特征是，所述的发射镜组并非产生一束激光束，而是能够产生多束对称而且均匀分布的平行激光束。
2.根据权利要求1所述的激光位移传感器，其特征是，所述的发射镜组由整形镜、准直镜、分束镜、聚焦镜组成，整形镜将激光二极管发出的发散光束整形为汇聚光束，准直镜将汇聚后的激光束变为准直激光束，分束镜将一束激光束分为多束对称而均匀分布的发射激光束，聚焦镜将多束发散的激光束变为平行的激光束。
3.根据权利要求1所述的激光位移传感器，其特征是，所述的光电器件不是线阵器件，而是面阵器件。
4.一种用于上述激光位移传感器的数据处理方法：
（1）滤波处理：去除背景噪声以及干扰信号；选取一个阈值，将所有灰度值低于该阈值的像素点的灰度置为零；该阈值可以通过统计所有像素点的灰度分布直方图，取两峰之间谷底所对应的灰度值来设定；
（2）分割处理：将每个激光光斑的成像区域分割开来，可以利用滤波处理后形成的灰度为零点进行分割；
（3）光斑定位：技术每个光斑成像的质心坐标，可采用常规二维灰度分布质心计算方法计算；
（4）融合定位：取所有光斑成像质心坐标的平均值作为最终定位结果；
（5）位移计算：利用被测目标移动前后的融合定位坐标计算对应的位移测量值，被测目标位移的测量值为两点的距离。
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