激光三角法下藥型尺寸測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)范文

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《激光生物學(xué)報(bào)》2017年第3期

摘要：激光三角法較傳統(tǒng)的光學(xué)三角測(cè)量法可以得到更高的精度,其在位移測(cè)量及其他應(yīng)用中已經(jīng)有了一定的研究。針對(duì)以往手工測(cè)量藥型尺寸誤差大的情況，設(shè)計(jì)了一套基于激光三角法的藥型尺寸測(cè)量裝置。筆者詳細(xì)地介紹了該裝置的基本原理堯各部件的設(shè)計(jì)過程以及測(cè)量過程，分析了影響測(cè)量精度的主要因素，通過實(shí)驗(yàn)證明了系統(tǒng)的可靠性。目前，該裝置已應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。

關(guān)鍵詞：光學(xué)測(cè)量；激光三角法；非接觸測(cè)量；誤差分析

管狀藥型是武器發(fā)射系統(tǒng)的重要組成部分，其長度等幾何參數(shù)直接關(guān)系到武器發(fā)射系統(tǒng)的性能。擠壓成型的藥型在切割等過程中會(huì)發(fā)生變形,使其外型尺寸發(fā)生改變，從而影響產(chǎn)品性能。由于藥型易燃易爆，人工測(cè)量藥型尺寸存在一定的危險(xiǎn)性。因此，生產(chǎn)部門一直想采用一種非接觸的方法來檢測(cè)藥型的長度，以便根據(jù)檢測(cè)結(jié)果及時(shí)調(diào)整設(shè)備參數(shù)，提高良品率。激光三角法是一種非常有用的非接觸測(cè)量方法[1]。隨著激光技術(shù)和檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，其廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化和航空航天等領(lǐng)域。國外很多公司在這方面都有成熟的產(chǎn)品，如日本的基恩士公司，其產(chǎn)品優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單堯測(cè)量精度高堯工作距離和測(cè)量范圍可調(diào)性強(qiáng)。本設(shè)計(jì)根據(jù)測(cè)量精度的要求和藥型的尺寸標(biāo)準(zhǔn)，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(cè)量原理實(shí)現(xiàn)對(duì)藥型的長度測(cè)量并傳輸至計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

1激光三角測(cè)量原理

典型的激光三角測(cè)距光路如圖1所示。測(cè)量的基本思路是，將激光聚焦在被測(cè)物體的表面，然后在光電檢測(cè)元件的感光面上對(duì)光斑成像，通過光斑像的移動(dòng)來反映測(cè)量點(diǎn)處的空間位移量[2]。激光源發(fā)出的光經(jīng)過會(huì)聚透鏡準(zhǔn)直后投射到被測(cè)物體表面，其漫反射光經(jīng)接收透鏡形成光斑成像在光電檢測(cè)器件上，被測(cè)物體表面的位移改變引起光敏元件上面成像光斑產(chǎn)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(cè)出物體表面位移的變化。設(shè)參考平面上的D點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，當(dāng)物體表面相對(duì)基準(zhǔn)面的位移為y時(shí)，設(shè)由接收透鏡收集到的光敏元件上形成的光斑產(chǎn)生的位移為x。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1結(jié)構(gòu)組成測(cè)量裝置由激光位移傳感器堯計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)和支撐平臺(tái)組成。

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(cè)量范圍是160mm-450mm，并能消除干擾光對(duì)測(cè)量的影響，廣泛應(yīng)用于高精度的判斷與測(cè)量。要使數(shù)據(jù)從放大器傳輸?shù)诫娔X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(shè)定好的通信指令，使得數(shù)據(jù)從放大器傳輸?shù)诫娔X中。

2.3計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的功能主要包括圖像處理與軟件算法設(shè)計(jì)。激光三角測(cè)距系統(tǒng)所用到的檢測(cè)器件為CCD相機(jī)，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(jìn)而影響CCD所采集到的圖像質(zhì)量，因此需要對(duì)圖像進(jìn)行去噪聲處理。軟件算法設(shè)計(jì)則是為了更加精確地計(jì)算處光斑的中心位置，提高系統(tǒng)的測(cè)量精度和穩(wěn)定性[4]。在本系統(tǒng)中，我們采用非線性濾波中的中值濾波算法來對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理。在激光光強(qiáng)質(zhì)心的定位算法中，我們常常將激光光強(qiáng)的最強(qiáng)點(diǎn)作為激光光斑的定位點(diǎn)，根據(jù)激光光強(qiáng)在CCD光敏面上的實(shí)際分布，我們選擇采用二次多項(xiàng)式插值法。

2.4支撐平臺(tái)

藥型屬于易燃易爆產(chǎn)品，在測(cè)量過程中，需要考慮隔絕靜電和碰撞產(chǎn)生的電火花。因此，我們采用鋁制材料作為平臺(tái)的主體，并對(duì)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?yàn)殡娔景迨怯善啄緲堊龀傻姆尤訅杭埌澹诤臀矬w的摩擦過程中不會(huì)產(chǎn)生靜電。

3測(cè)量結(jié)果

3.1測(cè)量過程

藥型采用后端面擋板定位并設(shè)其為起始點(diǎn)，擋板位置固定，在距擋板平面固定距離889.5mm淵即藥型標(biāo)準(zhǔn)長度冤處做一標(biāo)記，此處為藥型前端面位置。當(dāng)藥型前端面位置確定后，距前端面固定距離處安裝激光發(fā)射裝置，然后由傳感器射出的光束經(jīng)聚焦，成為一極細(xì)的光點(diǎn)投射到藥型的前端面上，傳感器通過激光三角測(cè)量原理計(jì)算藥型前端面與激光裝置之間的距離，并將此距離設(shè)為零點(diǎn)偏移值，設(shè)容定誤差為依0.05mm。激光位移傳感器輸出的模擬信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換傳輸給計(jì)算機(jī)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后即可確定藥型長度合格與否。為了提高檢測(cè)效率，在顯示屏輸出測(cè)量結(jié)果的過程中，當(dāng)測(cè)量數(shù)據(jù)為合格時(shí)，字體顯示為綠色；而測(cè)量結(jié)果超出允許的誤差范圍時(shí)，字體就會(huì)顯示為紅色，并發(fā)出語音報(bào)警提示。測(cè)量結(jié)果顯示如圖3所示。

3.2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

使用本裝置，對(duì)同一根藥型長度進(jìn)行了5次測(cè)量，并同人工測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比。此藥型的標(biāo)準(zhǔn)長度為889.55mm，從表中可以看出，人工測(cè)量的數(shù)據(jù)波動(dòng)明顯高于激光三角測(cè)量，測(cè)量精度卻低于激光測(cè)量。相反，激光三角法測(cè)量的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性更好。

4測(cè)量系統(tǒng)的誤差分析

測(cè)量系統(tǒng)的工作過程非常復(fù)雜，各個(gè)環(huán)節(jié)都可能存在誤差影響，如對(duì)這些誤差不進(jìn)行分析與處理，測(cè)量系統(tǒng)將會(huì)給出不準(zhǔn)確或者錯(cuò)誤的結(jié)果。在實(shí)際測(cè)量中影響測(cè)量精度的因素，主要表現(xiàn)在以下兩方面：CCD傳感器的誤差和系統(tǒng)誤差。

4.1CCD傳感器引發(fā)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(zhì)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(shí)驗(yàn)可知我們所用的CCD飽和曝光量Vsat=1.74v。

4.2系統(tǒng)誤差

被測(cè)藥型傾斜一定的角度時(shí)，測(cè)量的結(jié)果就會(huì)出現(xiàn)偏大或者偏小的情況，這就是測(cè)量裝置的系統(tǒng)誤差，對(duì)此，我們可以采用一定的算法來進(jìn)行校正。本裝置對(duì)藥型在各個(gè)傾斜角度所測(cè)得的數(shù)據(jù)與真實(shí)值進(jìn)行比對(duì)，從而確定不同的角度都有其所對(duì)應(yīng)的確定的偏差，然后通過補(bǔ)償這個(gè)偏差來實(shí)現(xiàn)誤差的校正。從實(shí)驗(yàn)可知，本裝置的主要誤差來源還是系統(tǒng)誤差，而隨機(jī)誤差對(duì)數(shù)據(jù)的影響可以忽略不計(jì)。

5結(jié)論

利用激光三角法測(cè)量藥型長度總體效果良好，實(shí)現(xiàn)了無損檢測(cè)的目的，且易于工人操作。筆者從就CCD傳感器的誤差和系統(tǒng)誤差兩個(gè)方面分析了誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，通過對(duì)誤差進(jìn)行校正，經(jīng)過長時(shí)間實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果正確，測(cè)量效率高，滿足了設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]錢曉凡,呂曉旭,鐘麗云，等.提高激光三角法測(cè)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(cè)量系統(tǒng)誤差分析[J].光學(xué)與光電技術(shù)，2013，11(3):62-66.

[3]孫軍利.基于線陣CCD的激光三角測(cè)距傳感器數(shù)據(jù)處理算法的研究[D].上海：上海交通大學(xué),2006.

[4]熊志勇，趙斌.基于梯形棱鏡的激光三角法內(nèi)孔測(cè)距傳感器[J].光學(xué)學(xué)報(bào),2011，31（12）:95-100.

作者：董偉 單位：三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)：