分立式激光位移傳感器設計*

韓星程， 王黎明， 王 飛

(中北大學 電子測試技術國家重點實驗室， 山西 太原 030051)

分立式激光位移傳感器設計*

韓星程， 王黎明， 王 飛

(中北大學 電子測試技術國家重點實驗室， 山西 太原 030051)

針對制式激光位移傳感器不能滿足復雜檢測環境下幾何尺寸檢測需求的問題，提出了分立式激光位移傳感器的設計方法。此方法可根據檢測要求，將激光源與光電探測器分立布置，依據激光三角測距等原理確定系統分立設置的參數，并通過數據采集與標定建模等手段實現激光位移測量的功能。最后通過一設計實例，驗證了該方法的可行性。

激光位移傳感器； 復雜檢測環境； 分立式； 三角測距原理

0 引 言

幾何尺寸測量在工業化生產和自動檢測等領域都有著非常重要的作用。激光位移傳感器作為一種非接觸式位移檢測儀器，因其高靈敏度、高精度以及快速與實時性等優點被廣泛地應用于各種幾何尺寸測量系統中[1]。但伴隨著科學技術與機械制造工藝的發展，儀器設備的小型化、精密化程度日益增加，且在工程實踐中被檢測目標常常處于其他工件內部，所處環境空間狹小不利于傳感器的放置與擺設。現有的標準激光位移傳感器，采用透鏡光學系統結構往往比較固定，導致于其大小外型不容易做過多改變來適應于各種檢測環境的需要。

針對上述工程需求，本文提出了一種分立式激光位移傳感器的設計方法，將傳感器激光源與光電探測器分立設置，并使用小孔代替傳統激光位移傳感器中的透鏡光學系統，根據檢測要求，系統設計其布置參數，并通過系統標定和數據處理，即可實現位移的高精度、非接觸測量。

1 激光三角測距模型建立

在非接觸式位移測量中激光三角測量法已經被廣泛的使用，其中按照光源的入射方式分為直射式與斜射式兩種，本設計使用小孔作為傳感器的成像光學系統，測量原理如圖1所示[2，3]。

圖1 三角測距法原理圖Fig 1 Triangulation principle

對于直射式系統激光器發出激光在待測物體表面形成光斑，光線在空間中散射被小孔接收，并在感光面上成像。當待測物體表面沿激光入射方向移動時，產生位移x，從而引起感光面上小孔所成的像的位移，記為x′。根據平面幾何相似三角形關系可得

(1)

其中,θ1,θ2分別為小孔所在平面的法線與入射光線及感光面的夾角，l,l′分別為小孔所在平面法線方向離測量基本面與感光面的距離。取“+”表示被測平面向測量基本面上方移動，取“-”則相反。

對于斜射式系統同樣可有平面幾何相似三角形關系得到

(2)

這兩種入射系統對于不同檢測環境各有優劣，標準式激光位移傳感器只能采用其中一種入射方法進行測量，但對于分立式傳感器系統就可以根據待測表面的粗糙程度、反射系數以及擺設方便等因素綜合考慮而在這兩種方式中靈活選用。

2 傳感器系統重要參數與主要器件的確定

采用光源與光電探測系統的分立式設計極大地增加了傳感器在使用中應對復雜檢測環境的靈活度，但因為透鏡成像系統需滿足一定的成像條件不利于分立式傳感器系統的設計，所以，本設計中采用了更加靈活的小孔成像系統作為探測系統的光能接收裝置，并針對分立式設計對基于小孔的激光位移傳感器系統重要參數和主要器件的選定方法做了進一步的研究。

2.1 系統參數確定方法

在基平面上確定一系列重要參數是三角法計算位移的基礎，在透鏡光學系統激光位移傳感器中，l,l′的選定是根據透鏡近軸成像系統的高斯公式確定；θ1,θ2的確定則是必須滿足Scheimpflug條件[4]而決定的。在小孔激光位移傳感器系統中，整個的參數選取方法會有很大的不同。

對于θ1,θ2的選定，θ1越小,能夠接收到的光信號越強，有利于檢測，但是當其變小時，檢測的范圍也會變小。所以，將θ1選定時要根據檢測環境、激光器功率以及檢測范圍綜合選定；因為使用小孔系統不需滿足Scheimpflug條件，所以，為了便于設備擺設和計算，可將θ2取值為90°。θ3的選定則要根據實際檢測需要進行選取。

對于物距l、像距l′的選定，與選用的光電探測器有著重要的關系。因為小孔系統光斑所成像的大小可以通過物距與像距選定來調節，所成像越小，測量精度越高；但像如果過小,其能量也會降低，導致感光面接收到的光信號很微弱,以至于系統的信噪比減小,甚至于直接導致感光面無法感知到光信號,使系統不能使用。所以,在對l與l′進行選定時,應在光電探測器敏感范圍內,根據小孔成像原理進行計算得出，光斑成像原理如圖2所示。

圖2 小孔系統光斑成像原理圖Fig 2 Principle diagram of pinhole system facular imaging

AB為被測物面上光斑，ab為感光面上光斑所成像，θ2=90°,根據相似三角形關系可得

(3)

根據所選激光器、感光元件基本參數確定|AB|,|ab|，帶入計算出l與l′的關系。再根據光電探測器的檢測能力范圍與偏角θ1確定基本面位置，就可計算出l,l′。

通過上述方法可得到激光三角測距的所需參數，再通過光電探測器的處理就可確定x′，將其帶入式(1)或式(2)就可求得待測平面位移x。

2.2 光源與光電探測器選擇原則

光源的選擇需按照測量場合的實際情況和測量要求來確定，在分立式測量系統中，偏角θ1和光電探測器的位置都會根據檢測環境的不同而變化，所以，在選擇作為光源的激光器時，也需按照測量環境的不同而變化。在θ1偏大或物距較大時，光電探測器接收到的光能量會變少，導致信噪比降低，影響測量結果，這種情況下需使用功率較大的激光器，且在需要調小感光面上光斑像尺寸以增大系統測量精度時，也需酌情使用大功率激光器，保障光斑像縮小后的能量強度或者在激光器出光口放置透鏡，使照射到檢測面上的光斑能量不變，而尺寸變小。

激光位移傳感器中光電探測器元件有多種選擇，如CCD，CMOS，PSD以及四象限光電探測器等。對于分立式傳感器系統，所選用的光電探測器則需根據不同的檢測環境，對測量范圍、感光面尺寸以及分辨率等方面綜合考量。選用探測器的測量范圍除能保障其在工作空間內可接收到光能信號外，也是確定傳感器系統測量基本面的重要參數，其感光面的尺寸則影響著測量的量程范圍，而分辨率的大小更是直接決定系統精度的因素。

3 數據采集與系統標定[5～7]

根據選用光電探測器的不同，傳感器系統的數據采集與系統標定方式也不盡相同。下面以較常被使用到的線陣CCD與PSD這兩種光電探測器為例，對分立式系統的數據采集與系統標定方法進行簡要說明。

線陣CCD是通過A/D轉換和采集其每個像素點的電壓信號來實現對成像于其上的光斑位移信息的獲取。通過搭建外圍控制和處理電路,實現對線陣CCD每個像素點的輸出電壓采集；再利用光能積分重心法等算法對電壓數據進行處理,將光斑的光能重心用一個像素點來表示，并將其作為光斑的位置信息推導出光斑的位移量；最后對每個位移量和與其對應的光斑所成像的光能重心點位置坐標進行數學建模，求出其擬合曲線方程作為傳感器系統的系統方程。

對于PSD通過處理板電路處理后，當光斑打到其上一個位置時都會對應輸出一個電壓值。通過對光斑在感光面上的位移與輸出電壓差之間的標定可以得出每變化一個單位電壓值光斑在感光面上移動的距離，從而根據光斑在位移點時的輸出電壓與其在基本面時的電壓差就能得出其在感光面上的移動距離，帶入三角測量公式就可求得實際位移值。通過A/D轉換與采集得到不同點時的電壓輸出與其實際位移值進行數學擬合，求出其擬合曲線方程即為傳感器系統的系統方程。

4 設計實例

為驗證分立式系統設計的可行性，針對一個量程為10 mm，精度要求為0.5 mm的位移測量需求,搭建了一種分立式激光位移傳感器系統,對待測目標的位移信息進行檢測和采集，并對數據結果進行了分析。

4.1 設計方法

在本設計中選用了感光面為1.3 mm×15 mm的PSD，使用垂直入射方法。對于l,l′的選定，因為PSD存在暗電流和外界雜散光的影響，PSD接收光功率的強弱直接決定了系統精度，如果接收光功率過低，會導致信噪比減小，系統測量精度降低，物光斑太小，被測物平面上的微小粗糙起伏將影響散射光場的分布，所以,選用的激光器功率和光斑面積不能太小[8]。但是由于PSD感光面本身的尺寸不大，如果在其上所成光斑像過大，則會嚴重影響系統測量精度，所以，需要利用小孔成像原理調節l，l′使得在PSD上所成像的尺寸可以保證測量需要。所用激光器光斑大小在(100±40)mm范圍內可保證光斑直徑為2 mm。將光斑利用小孔在感光面成像時直徑縮小為1 mm，利用上述原理和所用PSD本身的敏感范圍可得到小孔系統的物距與像距為l=38.61 mm，l′=22.58 mm。

系統角度參數可以根據檢測環境需要、檢測光強需要以及檢測范圍綜合考慮確定。本文設計中根據待測面反射度、激光器功率及系統檢測范圍等因素，將θ1確定為30°；θ2在小孔系統中確定為90°；設計采用直射式系統，θ3不必考慮。

分立式系統中以上數據都是可以根據實際需求調整的，為了保證在復雜環境下檢測平臺的搭建需要，可以依照前文中所述的分立式激光位移傳感器設計理論對小孔及光電探測器的位置、激光器選用功率等進行靈活調節。

4.2 實驗結果分析

在對PSD進行標定后，得到光斑在感光面上每移動2.93 mm輸出電壓1 V。通過A/D轉換采集得到PSD輸出電壓值，帶入公式計算出位移值x數據如表1所示。

表1 位移量與PSD輸出電壓值數據表Tab 1 Displacement amount and PSD output voltage values

對上表數據利用最小二乘法進行擬合得到該傳感器系統的系統方程為

y=7.682 7x+4.724 9,

(4)

式中x為電壓值，y為偏移位移值，擬合曲線如圖3所示。

圖3 擬合曲線圖Fig 3 Fitting curve

實驗結果表明：除去少數粗大誤差點,該激光位移傳感器系統可對量程為10 mm,精度要求為0.5 mm的檢測工作提供準確的位移信息。當對精度有更高要求時，還要注意以下三個方面:1)選用光斑能量和大小合適的激光器，因為成像于感光面上光斑的大小和強度對PSD測量精度有著很大程度的影響，感光面上成像光斑越小，測量精度越高。根據式(3)可知，通過增大物距l′可減小光斑像的尺寸，但如果成像光斑過小，其能量也會變小，進而導致PSD無法有效獲取位移信息，所以,需要選用光功率合適的激光器提供光能信號。2)選用分辨率更高的光電探測器元件，用以獲取光斑像的微小位移信息。3)提高系統的機械精度，減小系統器件、光路的擺設誤差。

5 結 論

本文在傳統三角測距激光位移傳感器的基礎上，提出了分立式非標準激光位移傳感器的設計方法，并通過實例設計，介紹了設計方法，驗證了本方法的可行性。分立式激光位移傳感器系統構造靈活，能夠針對不同的檢測環境快速實現，可應用于特殊環境幾何尺寸檢測的工程領域。

[1] Sirohi Rajpal S.Optical methods of measurement[M].NewYork:CRC Press,1999:56-70.

[2] 黃 睿.激光位移傳感器及輸出特性的研究[D].北京:北京交通大學,2010.

[3] 穆向陽,李 琳,湯 楠.激光位敏探測器在三角測量中的應用研究[J].西安石油大學學報,2004,19(5):43-46.

[4] 金國潘，李景鎮.激光測量學[M].北京:科學出版社,1998.

[5] 王世峰.激光位移傳感器數據采集技術[J].微計算機信息,2008,24(4):137-139.

[6] Nobuyuki Hasebe.Position linearity and resolution of large position sensitive silicon detector with a highly uniform thickness[J].Jpn J Appl Phys,1992,31(4):1191-1193.

[7] 靳 碩,楊宏海.激光位移傳感器高速數據采集與處理系統設計[J].宇航計測技術,2010,30(6):1-5.

[8] 李曠野.基于PSD的高精度位移傳感器的研究[D].長春:長春理工大學,2010.

Design of discrete laser displacement sensor*

HAN Xing-cheng， WANG Li-ming， WANG Fei

(Science and Technology on Electronic Test & Measurement Laboratory,North University of China,Taiyuan 030051,China)

Aiming at problem that format laser displacement sensor can not satisfy geometry size detection requirements in complex test environment，propose a design method of discrete laser displacement sensor.This method can discretely decorate the laser source and the photoelectric detector according to detection requirements,and set the parameters of the division set in the system on the basis of laser rangefinder principles,then realize function of laser displacement measurement through methods of data acquisition and calibration modeling.Finally,it verifies feasibility of the method through a design example.

laser displacement sensor; complex detection environment; discrete style; triangulation principle

10.13873/J.1000—9787(2014)12—0104—03

2014—05—05

山西省自然科學基金資助項目(2013011017—8)

TP 212

A

1000—9787(2014)12—0104—03

韓星程(1989-)，男，山西文水人，碩士研究生，主要從事信息通信、信號處理的研究。