線結構光傳感器測量特性的測試分析*

劉 藝,孫衍強,石照耀,于 渤

(北京工業大學 北京市精密測控技術與儀器工程技術研究中心,北京 100124)

0 引 言

近年來,光學測量技術在現代工業檢測領域中得到了快速的發展和廣泛的應用,特別是線結構光測量技術,具有原理簡單、測量速度快、測量精度高、可連續測量、可測量柔性物體等優點[1,2],目前已被廣泛應用于位移檢測、輪廓檢測、三維形貌掃描[3]等領域。

線結構光傳感器作為光學測量儀器中的常用元器件,由于其具有測量效率高、測量范圍廣、分辨率高[4]、操作簡單[5]的優勢,多被用于現場測量場合(比如,測量齒輪表面質量[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)。

然而受到各種內外部因素的影響,線結構光傳感器的測量特性表現存在差異,影響測量的精度,因此值得重視和研究。

李昱坤等人[12]提出了一種線結構光傳感器靜態性能測試方法,并針對傳感器的靜態性能,即穩定性、重復性、線性度進行了測試,通過分析得到了線性度對測量精度影響較大的結論。GESTEL N V等人[13]對線結構光傳感器進行了性能評估測試,測試結果表明,傳感器開機未經預熱時存在測量誤差。FENG H Y等人[14]測試了傳感器不同掃描深度對測量結果的影響,結果顯示,隨機誤差隨掃描深度變化而不同。吳劍鋒等人[15]研究了環境溫度等因素對傳感器測量結果的影響,研究結果表明,當測量環境存在500 ℃溫差時,激光束會發生彎曲,從而引起測量誤差。SONG Li-mei等人[16]使用了線結構光傳感器測量校準球,得到了其點云數據,將其與標準模型數據進行了對比,通過球面擬合了計算誤差,結果表明,線結構光傳感器在測量物體的邊緣和頂點時需要進行整體點云濾波處理。

目前,業界對線結構光傳感器測量特性的研究較為分散,未從多層面對其進行分析。筆者設計一種線結構光傳感器測試平臺,研究傳感器的內部因素(內部溫度、測量區域位置、曝光時間)和外部因素(測量物體性質、環境光強)對線結構光傳感器測量特性的影響情況。

1 線結構光傳感器工作原理

線結構光傳感器采用三角測量原理,如圖1所示。

圖1 三角測量原理

激光器發射激光束照射在被測物體表面A點處,反射光束經由透鏡聚焦至光電探測器的B點,此時,入射光束與反射光束夾角為α,反射光束與光電探測器夾角為β。

激光器與被測物體表面距離變化y時,光電探測器上的相對像移為x,其關系為:

(1)

式中:a—測量點成像物距;b—測量點成像像距。

由線結構光傳感器的工作原理可知,影響其測量特性的因素主要有:

(1)內部溫度。線結構光傳感器采用半導體激光器,激光器的輸出特性隨傳感器內部溫度的變化而不同;

(2)測量區域位置。受到透鏡、光電探測器等傳感器自身元件影響,測量區域內不同位置的測量穩定性存在差異;

(3)曝光時間。曝光時間決定了光電探測器及激光器的持續開啟時間,影響到傳感器的接收光量;

(4)測量物體的性質。不同測量物體的表面性質會導致反射光角度和強度產生變化,影響測量結果;

(5)環境光強。不同強度的環境光會干擾傳感器處理反射激光束信息,影響測量結果。

2 測試平臺

線結構光傳感器測試平臺如圖2所示。

圖2 線結構光傳感器測試平臺1—阻尼隔振光學平臺;2—激光干涉儀;3—導軌;4—氣浮滑塊;5—反射鏡;6—傳感器測量物體;7—升降臺;8—支架;9—組合微調平臺;10—線結構光傳感器

圖2中,放置測量物體的升降臺和激光干涉儀的反射鏡被一同安裝在氣浮滑塊上,并隨滑塊一同運動;工控機通過控制器對線結構光傳感器進行設定及控制,傳感器的測量數據通過控制器傳輸至工控機;激光干涉儀采集的數據同樣傳輸至工控機。

為避免氣浮導軌系統帶來的定位誤差,筆者使用激光干涉儀作為線結構光傳感器測試平臺的長度基準;組合微調平臺可實現傳感器六自由度的位姿調整;升降臺可保證不同規格的測量物體處在傳感器測量范圍內進行測試。

3 測試對象

筆者選用兩款不同廠家的線結構光傳感器作為測試對象,其主要性能指標如表1所示。

表1 傳感器主要性能指標

兩傳感器的有效測量區域如圖3所示。

圖3 傳感器的有效測量區域示意圖

4 影響因素測試分析

4.1 傳感器內部溫度影響的測試及分析

在工作過程中,線結構光傳感器中的半導體激光器的溫升會影響其輸出特性,進而影響傳感器的測量特性。

筆者設置測試環境溫度為20±0.5 ℃,保持測試環境及傳感器的參數設置不變,將量塊工作面作為被測面,置于傳感器有效測量區域內Z軸方向的基準距離處,傳感器關機,待傳感器內部溫度降到室溫后重新開機,以1 s采集1次數據的速度記錄內部溫度及測量結果的變化量。

傳感器A內部溫度與測量結果隨時間變化曲線,如圖4所示。

圖4中,7條測量結果隨時間的變化曲線,分別代表傳感器A在X∈[-7.5 mm,7.5 mm]范圍內的7個測量點,覆蓋X方向的整個測量范圍。

圖4 傳感器A內部溫度與測量結果隨時間變化曲線

圖5 區域①處X=0的測量結果隨時間變化曲線

區域①處X=0的測量結果隨時間變化曲線,如圖5所示。

傳感器B內部溫度與測量結果隨時間變化曲線,如圖6所示。

圖6 傳感器B內部溫度與測量結果隨時間變化曲線

圖6中,7條測量結果隨時間的變化曲線,分別代表傳感器B在X∈[-12.5 mm,12.5 mm]范圍內的7個測量點,覆蓋X方向的整個測量范圍。

區域②處X=0的測量結果隨時間變化曲線,如圖7所示。

圖7 區域②處X=0的測量結果隨時間變化曲線

根據測試結果可知:

(1)不同傳感器開機后,內部溫度變化存在差異,測量結果變化與內部溫度變化呈正相關趨勢。傳感器內部溫度達到穩定狀態需要約1 h,測量結果同樣達到穩定狀態,且變化量保持在3 μm內;

(2)傳感器A開機15 min內的測量結果變化近似線性,傳感器B開機40 min內的測量結果變化近似拋物線。可根據測量需求,對傳感器內部溫升導致的測量結果變化誤差進行補償,以提高傳感器的測量精度;

(3)從開機至達到穩定狀態,傳感器A的測量結果變化量約為30 μm,傳感器B的測量結果變化量約為12 μm,如果進行毫米級或更低精度要求的測量工作,傳感器開機不經預熱即可進行測量;

(4)圖(5,7)中,傳感器內部溫度處于上升階段時,1 min內傳感器測量結果變化量在3 μm內,與穩態時的變化量一致。如需進行短時間的快速測量工作,傳感器開機不經預熱即可開始測量;在進行長時間位置測量或動態測量工作時,必須等傳感器內部溫度穩定后再開始測量。

4.2 傳感器測量區域位置的影響

線結構光傳感器的有效測量區域是一個整體范圍,但由于傳感器的本身特性,測量區域內不同位置的穩定性存在差異,并對測量精度產生影響。

筆者保持傳感器參數設置及測試環境不變,且傳感器充分預熱,將量塊工作面作為被測面置于傳感器的測量區域內,等步長(該研究為1 mm)由遠端視場向近端視場移動,并記錄每個位置的測量值;把激光干涉儀作為長度基準進行同步測量,并記錄其結果。

計算每個位置的寬度X方向上每一個“激光點”測量數據的標準偏差,以此衡量傳感器測量區域內不同位置的穩定性。

測量區域位置影響的測試結果,如圖8所示。

圖8 測量區域位置影響的測試結果

根據測試結果可知:

(1)線結構光傳感器測量區域內不同位置的測量穩定性存在差異,X方向上中間區域穩定性優于兩端;

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

(3)針對不同的測量需求可選擇與之相應的最佳測量位置。以傳感器B為例,如果測量要求不高(標準差大于3.5 μm),可在全測量范圍內進行測量;如需高精度測量,則需要根據不同測量要求選擇閾值,圖8(b)中區域②即為標準差閾值小于1 μm的測量區域。

4.3 傳感器曝光時間的影響

曝光時間決定了光源和光電探測器持續開啟時間,會影響傳感器的感光量。曝光時間過短,會導致測量結果丟失數據點;曝光時間過長,有助于線結構光傳感器偵測黑暗中或遠處測量物體上的光線,但會導致過度吸收環境干擾光。

筆者保持測試環境不變,且傳感器充分預熱,將量塊工作面作為被測面置于Z軸方向的基準距離處,分別在正常曝光、過曝光、欠曝光這3種參數設置下進行測量。

曝光時間影響的測試結果如圖9所示。

圖9 曝光時間影響的測試結果

根據測試結果可知:

(1)在正常曝光情況下,傳感器A和B的測量輪廓清晰,獲得可靠的測量結果;

(2)在過曝光情況下,傳感器A吸收過多環境背景光,而傳感器B的測量輪廓在X=0附近數據點劇烈波動,影響測量結果;

(3)在欠曝光情況下,傳感器A和B的測量輪廓丟失大量有效數據點,測量結果不可靠;

(4)在實際測量前,需要根據回光情況將傳感器的曝光時間調整到合適參數,傳感器的感光量在50%左右時可滿足測量需求。

4.4 測量物體性質的影響

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

圖10 不同材料測試樣條

筆者保持測試環境不變,且對傳感器充分預熱,將5種測試樣條分別置于傳感器的有效測量區域內,調整傳感器的參數設置,以得到測量的輪廓。

測量物體性質影響的測試結果中,傳感器A測量物體性質影響的測試結果,如圖11所示。

圖11 傳感器A測量物體性質影響的測試結果

傳感器B測量物體性質影響的測試結果,如圖12所示。

圖12 傳感器B測量物體性質影響的測試結果

根據測試結果可知:

(1)圖11(a～c)和圖12(a～c)中,在合適的參數設置下,采用線結構光傳感器測量鋼、銅、鋁此類金屬材料物體,可以得到穩定清晰的輪廓,測量結果可靠;

(2)采用線結構光傳感器測量黑色塑料物體,同樣能得到可靠結果,但由于白色塑料物體的強透光性,光電探測器不能接收到足夠的反射光量,無法得到白色塑料物體的清晰輪廓。因此,線結構光傳感器不適用于強透光性物體的測量;

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

4.5 環境光強的影響

筆者保持傳感器參數設置及測試環境不變,且對傳感器進行充分預熱,將量塊工作面作為被測面,置于傳感器Z軸方向的基準距離處。

筆者分別在正常環境光下、光照強度1萬勒克斯環境光下、光照強度5萬勒克斯環境光下,對線結構光傳感器進行測試,照度計檢測結果如圖13所示。

圖13 照度計檢測結果

首先,筆者將傳感器置于正常環境光下進行測量,得到測量結果;之后,模擬強光環境,調整光源強度,將強光分別對準線結構光傳感器的激光接收透鏡、激光發射口、被測面進行測試。

環境光強影響的測試過程如圖14所示。

圖14 環境光強影響的測試過程

不同環境光強下,傳感器對量塊的測量結果標準差對比中,傳感器A環境光強影響的測試結果,如圖15所示。

圖15 傳感器A環境光強影響的測試結果

傳感器B環境光強影響的測試結果,如圖16所示。

圖16 傳感器B環境光強影響的測試結果

根據測試結果可知:

對比不同環境光強下傳感器測量結果的標準差,線結構光傳感器在強光環境下和正常環境光下測量結果的穩定性一致;正常環境光下的光照強度低于150勒克斯,該次測試模擬的強光環境最高光照強度為5萬勒克斯,已經大幅超過傳感器測量時環境光可能達到的強度。

因此,不同環境光強對測量精度的影響可忽略,線結構光傳感器可在一定的強光環境下進行穩定測量。

5 結束語

為了揭示線結構光傳感器在各種因素影響下的測量特性,筆者設計了一種測試平臺,研究了傳感器的內部因素(內部溫度、測量區域位置、曝光時間)和外部因素(測量物體的性質、環境光強)對傳感器測量特性的影響;通過分析獲得了不同因素對線結構光傳感器測量特性的影響情況。

研究結論如下:

(1)線結構光傳感器開機后測量結果變化與內部溫度變化呈正相關趨勢,從開機至達到穩定狀態期間測量結果變化呈一定規律,可通過誤差補償提高測量精度;

(2)線結構光傳感器有效測量區域內X方向中部區域的穩定性優于邊緣區域,應根據測量需求選擇最佳測量位置;

(3)曝光時間決定了測量結果的可靠性,需要根據不同的測量物體表面回光強度來調整合適的傳感器曝光時間;

(4)線結構光傳感器測量鋼、銅、鋁等金屬材料物體以及黑色塑料物體時,測量輪廓結果穩定可靠,但是不能穩定測量強透光性物體;

(5)不同環境光強對測量精度的影響可忽略,線結構光傳感器可在一定的強光環境下進行穩定測量。

下一步,筆者將使用線結構光傳感器對物體表面進行多角度測量,研究激光散射等因素對傳感器測量特性的影響情況。