激光三角法测量物体位移光电检测课程设计.docx

《光电检测课程设计》题目名称 激光三角法测位移学生姓名 毛启盛专 业 测控技术与仪器学 号 120211319指导教师 王凌云光电工程学院2021年12月摘要本课程设计基于激光三角法原理对物体较小范围内的移动进行测量在长度、距离及 三位形貌等的测试中有普遍应用通过激光三角法两个方案直射式和斜射式的特点，结合 实验条件，选择最适合的方案进行测量本次测量最大的特点确实是非接触式测距，实际 中对非接触式测距一样很难明白物体到成像透镜的距离，可由成像透镜焦距和激光光线和 物体散射光线组成的三角形的边长计算出该距离通过定标，得出透镜上成像距离与物体 像移动距离间的对应关系，用此标尺作为计算移动位移的标准移动物体搜集光斑图像， 用 matlab 软件对图像处置进行处置，计算像的移动距离，再依照几何关系推导出物体的 实际移动距离在最后计算出该方案的标准不确信度，并对方案产生的误差进行分析，提 出改良意见设计方案光路简单，方便快捷，受环境阻碍小而且测量精准度较高关键词：激光三角法；测距；定标；CCD；误差分析目录引 言 01. 设计任务 02. 激光三角法测距大体原理 03. 方案论证和选择 13.1 激光三角法测距现状 13.2 测量方案 13.3 方案比较与选择 33.4 器件选择 54. 方案验证步骤及数据记录 54.1 方案验证步骤 54.2 测量数据记录 54.2.1 测量取得成像透镜焦距 54.2.2 定标 64.2.3 移动物体测量位移 75. 测量数据处置 75.1 各个距离测量值计算 75.2 定标计算 85.3 光斑位移量计算 9夹角和物体实际移动位移计算 106. 误差分析及方案评判 116.1 相对误差和绝对误差计算 116.2 误差分析 116.3 设计方案评判 127. 课题分析评判 128. 课设总结 13参考文献 13附录 1 实验器件清单 14附录 2 实验光路图 16附录 3 图像处置程序 17附录 4 光斑图像处置后灰度图 18附录 5 物体移动光斑图 19引言激光具有方向性好、单色性好、亮度高等特点，因此利用它们作为测距的发射源有 很多优势，比如测量速度快、精度高、测距远等。

随着半导体激光器的显现，激光测距正 向小型、快速、低功耗、低本钱和人眼平安方向进展目前激光测距技术要紧有脉冲测 距、相位测距、激光干与法测距、激光三角法测距等脉冲激光测距的要紧特点是单次测量时刻短、测距远、无需合作目标、隐蔽和平安 性好但测量精度相对低，一样为米级精度相位激光测距，其特点是测量精度高，能够 达到毫米级别，但要求利用持续激光器，单次测量时刻较长，测量较远距离时，需要在目 标处放置合作目标关于小型或便利式激光测距设备而言，由于受到激光器功率的限制， 相位激光测距的测距一样不大，一样为百米之内干与法激光测距，其特点是测量精度较 高（达到微米级）但其测量精度容易受大气起伏的阻碍，而且要求基座采纳笨重的仪器 设备激光三角法测距，其特点是简便、精度高、适合测量微小位移但其测量精度受光 学系统和 CCD 成像系统分辨率的限制，系统对接收机械件的要求也较高，同时不能用非匹 配表面物体和透明物体作为被测目标1. 设计任务（1）把握激光三角法的测量原理；（2）把握 CCD 的工作原理与数据处置；（3）设计测量光路；（4）完成测量光路的搭建及物体位移的测量；（5）分析测量精度；2. 激光三角法测距大体原理在被测物体表面上方，用一束激光以必然角度照射，激光在物体表面发生散射或反 射，在另一角度用成像系统对激光散射或反射的光进行汇聚成像，当被测物体位置发生转 变时，被测物体上的激光照射所产生的光斑的位置转变，光散射或反射的角度也会发生转 变，用光学系统对光线进行汇聚，光斑在成像系统 CCD 上会发生位移，从而在运算机屏幕 上也可观看到光斑的相应移动。

通过 matlab 软件对搜集的图像进行处置能够取得两个光 斑间的距离，再通过最初定标取得的比例尺，换算出在它 CCD 表面上的移动距离由于激 光出射光线和反射（散射）光线组成一个三角形，对光斑位移的计算，几何三角和激光器 运用其中，因此称此方式为激光三角法测距依照入射激光光束和被测物体表面法线的角度关系，一样分为直射式和斜射式两种方 式3.1 激光三角法测距现状激光三角法测距之初，所选择的激光器体积大，受环境干扰情形严峻，因此测量精度 大大下降，并未取得普遍应用最近几年来随着半导体技术和运算机技术的进展有了突飞 猛进的功效，半导体激光器的显现使得测量光路加倍简单，而且受环境干扰性小，运算机 对图像的处置使计算距离加倍精准、快速，因此激光三角法测试技术在测量物体位移方面 取得普遍应用激光三角法测量常采纳直射式和斜射式两种结构，因此有直射式和斜射式两种结构3.2 测量方案方案 1：直射式测量xbaCLXBn激 光 器u会聚透镜光电探测接收透镜如图 3.1 所示，激光器发出的光线，经集聚透镜聚焦后垂直入射到被测物体表面上，物体移动或其表面转变，致使入射点沿入射光轴的移动入射点处的散射光经接收透镜入射到光电探测器（PSD或CCD）上，散射光经接收透镜汇聚后在PSD或CCD上成像，移动物体前后搜集的两幅图像通过软件处置求出其间距，依照推导得出的公式可求得物体实际移动距离。

各参量如图 3.1 所示,应知足以下cos a =联a2 — n2), sin a =n/a,acos3-1)cos P = cosl80o -0 -(90— a)］三 cos(90 a -0 ) = cos(90 0 )cosa -sin(90 o - 0 )sina = sin 0 cos a - cos 0 sin a3-2)由相似三角形可得：3-3)b(a 2 - n 2)CCD 表面移动位移与物体实际移动距离之间的关系，由以上（3-1）式至（3-3）式综合可解得：ax'方案 2：斜射式测量x 二一3-4)激光器发出的光线和被测面法线成必然角度入射到被测面上，一样地，物体移动或其 表面转变，将致使入射点沿入射光轴的移动入射点处的散射光经接收透镜入射到光电探 测器上斜射法中通过使入射光方向与测量物表面法线成必然的夾角，幸免了直射式中要 求的入射光方向物体表面垂直的要求由于直射式测量法散射后的光线只有很少一部份被CCD 接收到，因此不能测量反射性专门好的物体表面斜射法不用限制物体表面反射率 只要物体表面平整即可各参量如图 3.2 所示，应知足以下：角度知足关系sin(O +0 -a) = sin(0 +0 )cosa -cos(0 +0 )sina (3.5)121 2 12由相似三角形有X，b( 3-6)nJ(a2 - n 2)cos abX，c n n P/ —( 3-7)(b2 - N 2)O 111 VA — 1 _(b2 - N 2)sin(0 +0 -a) = — (3-8)1 2 m测量位移与入射角间知足xcos 0 二 (3-9)1mCCD 表面移动位移与物体实际移动距离之间的关系，能够由 ( 3-5)式至( 3-9)式综合解ax' cos02f 一得：3-10)x =bsin(0 +0 )-x'cos(0 +0 )1 2 1 23.3 方案比较与选择由于直射式测量法散射后的光线只有很少一部份被 CCD 接收到，因此不能测量反射性 专门好的物体表面。

斜射法那么不用限制物体表面反射率，只要物体表面平整即可通过 对照两种方案的特点和实验中测量物体的特性，斜射式在搭建光路时对角度受限制性小， 无需使激光入射角为零，而且在 CCD 接收光斑时对物体表面要求较低斜射式测量方式精 准度高，实验中测量的距离较短，因此在本次实验设计当选择斜射式激光三角法测距而 且考虑到测量的误差，实际测量中，又把斜射式进行了改良，使得误差在理论上有所减 少0 角设为 0 度缘故有：2(1) 测量目标的移动使得光斑移动，即成像前后在CCD上的光线形成一个夹角由于CCD 的接收面积有限，在实验中不能接收任意角度的光线而为了测量的精准度 需要测量多组数据，因此测量目标移动相对照较大，光线夹角也较大，CCD就不 能很理想的接收各个位移的光斑，给本次测量带来不可实现的困难如此就使得 图 3.2 的方案无法实现或实现的成效不行2) 该改良方案维持被测目标、成像透镜和 CCD 在同一水平线上， CCD 扫描轨迹没 有改变，即成像的光斑不变形光斑也是相对的准确，它们在必然程度下都是处 于相同条件搜集取得，当用 MATLAB 进行图像处置时比较方即靠得住这种方 式有效幸免了 CCD斜拍时产生的图像扭曲造成的误差，提高测量精度。

3) 该改良方案中激光出射的光线的法线上依次放置光屏、接收透镜和光电探测器CCD,因此该方案中只有一个角度值，故实际只需要测量两个边长，通过余弦定理 求出公式中的sin 0和cos &，与传统的斜射式相较，减少了两个边长的测量，而由 11于测量量的减少，从理论上大大提高了测量的精准度4) 该改良方案大大提高物体位移的距离，也确实是说能够测量很多点的位移，测量 方式灵活，可操作性强提高了激光三角法在实践测量中的应用，而且实验时所 用到得仪器简单且数量少，光路简单，容易明白得激光三角法的大体工作原理， 从而简化了物体位移的最终计算公式那么最后所求的物体位移公式为：ax' cos 0ib sin 0 一 x' cos 0i i(3-11)3.4器件选择从设计出的实验光路图可得，所需仪器有半导体激光器、成像透镜、CCD、衰减器、 刻度尺、白屏、卷尺、细绳(无弹性)、手电筒、运算机、光学实验平台4.方案验证步骤及数据记录4.1方案验证步骤(1) 测量取得成像透镜的焦距，用于间接确信像距和物距，通过与测量值对照，减少误 差；(2) 确信成像进程中的比例尺——定标；(3) 依照图3.3搭建完整光路图，等间距移动物体，通过光具座上的坐标尺等距离移动 被测目标，搜集移动到各个位置处的光斑图像；(4) 测量如图3.3中三角形各边长度A、B、a、b，用于计算光轴和法线之间的夹角；(5) 记录数据，并将搜集到的各部份数据进行相应处置，最终由(式3-11)计算出物体 实际移动距离并画出位移曲线图。

4.2测量数据记录4.2.1测量取得成像透镜焦距在实际应用中，如非接触式测量时，成像透镜到物体的距离无法直接测量出，或明白 但精准度不高，阻碍到系统的测量准确度，因此需要间接得出该段距离能够通过测量成 像透镜的焦距f计算出该段距离关于直射式激光三角法测距计算方式如以下图4.1：如上图所示，有如下关系图 4.1 间接测量透镜焦距原理图tan B = f，.： x'5-1)被测距离为其中z为成像透镜到物体表面距离，b为成像透镜到CCD距离，x，为CCD上的位移 当测量方式为斜射式时将CCD、成像透镜、目标三者沿光学实验平台某一行或列放置，使三者尽可能在一条直线上，移动物体至某一名置，调整透镜使成像最清楚，别离测量现在 透镜到表 1 测量透镜焦距数据记录。