激光三角法测量物体位移20页.doc

课程设计Ⅱ（论文）说明书题 目： 激光三角法测量物体位移 学 院: 电子工程与自动化学院 专 业： 光信息科学与技术 学生姓名： 学 号： 指导教师： 2014年1月5日摘 要本文介绍了单点式光学三角法测量物体位移的两种结构一直射式与斜射式，对两种结构的测量原理进行了分析并对其各自的特点进行了阐述以半导体激光器作为光源， CCD 作为光电探测器件，采用直射式结构设计了一种光电位移传感器为了提高测量精度，简化计算过程，该课题通过设定一个基准点与实际测量点进行比较得出像点的位移图像,在用软件处理后计算出实际位移后面对实验误差进行分析和方案进行评价关键字：三角法测距；CCD图像传感器；激光；光斑引 言 激光三角法位移测量的原理是，用一束激光以某一角度聚焦在被测物体表面，然后从另一角度对物体表面上的激光光斑进行成像，物体表面激光照射点的位置高度不同，所接受散射或反射光线的角度也不同，用CCD光电探测器测出光斑像的位置，就可以计算出主光线的角度，从而计算出物体表面激光照射点的位置高度。

当物体沿激光线方向发生移动时，测量结果就将发生改变，从而实现用激光测量物体的位移过去，由于成本和体积等问题的限制，其应用未能普及随着近年来电子技术的飞速发展，特别是半导体激光器和CCD等图象探测用电子芯片的发展，激光三角侧距器在性能改进的同时，体积不断缩小，成本不断降低，正逐步从研究走向实际应用，从实验室走向实际用于测量从传感器至目标之间直线距离的激光三角测量传感器已经使用了十多年了，由于数字电子器件和大功率数字信号处理器（DSP）的结合使得激光不再对目标颜色、纹理和周围环境以及环境光线和温度变化那么敏感了，激光三角测量技术方法已经得到了发展目 录引 言 11 课程设计目的： 32 设计内容 33 设计要求 34 方案论证和选择 44.1 直射式激光三角法原理 44.2斜射式激光三角法原理 54.3 直射三角法改进一 64.4 直射式改进方法二 75 仪器及元件的选择 86 偏振图像采集 86.1.1实验光路图 86.1.2 测量物体位移步骤： 96.2 定标： 96.3 测量焦距 107 实验结果与分析 107.1.1 定标数据 107.1.2焦距f的测定数据及处理 117.2 b的测量数据及处理 117.3 物体位移数据： 118 实验评价 138.1 误差分析： 138.2 方案评价 149. 课设总结 1410. 参考文献 15附件一：实验仪器 15附件二：实验采集图像 16附件三：实验程序 18附件四：实验光路图 201 课程设计目的：(1) 学习并掌握激光三角法测距的基本原理和方法；（2）锻炼学生的自主学习和动手能力；（3）扎实基础，提升能力。

2 设计内容（1） 完成测量光路；（2） 完成测量光路的搭建及物体位移的测量；（3） 分析测量精度；3 设计要求（1） 掌握激光三角法的测量原理；（2） 掌握 CCD 的工作原理与数据处理；（3） 掌握精度计算方法；4 方案论证和选择4.1 直射式激光三角法原理直射式三角法测量物体位移的基本原理如图 1 所示，半导体激光器（ LD ）发出的光束经会聚透镜垂直投射并聚焦到被测物体表面上形成一个光斑，由于物体表面有一定程度的粗糙，这个光斑在物体表面上发生漫反射，其中一部分散射光经过接收透镜成像于 CCD 上，如果被测物体发生微小的位移或者表面高低发生变化，那么物体表面上的光点将沿着激光束的向产生微小的移动，从而光电探测器件 CCD 上的像点也会相应随之移动，通过后续处理电路及计算公式就可求出物体产生的位移 若像点在 CCD 上移动的距离为 N, 被测物体表面移动的距离为M,由三角形相似： 整理后有：式中，l 为激光束光轴的交点到接受透镜前主面的距离；l′为接收透镜后主面到成像面中心点的距离；α 为激光束光轴与接收透镜光轴之间的夹角 图1为直射式三角法测量物体位4.2斜射式激光三角法原理斜射式三角法测量物体位移基本原理如图 2 ，半导体激光器 LD 发出的光束经衰减片和被测物体表面的法线成一定角度入射到被测物体表面上，接收透镜接收光图 2 斜入射式三角测量原理图点在被测物体表面的散射光，像点在 CCD 上移动距离为 N ，则被测物体表面沿法线方向的移动距离为M,有：整理后有： （2-4）式中，α 为激光束光轴和被测物体表面法线的夹角；β为接收透镜光轴和被测面法线的夹角。

在上述的三角法测量原理钟,要计算被测面的位移量,还有相应的距离,测量数据多,影响系统的测量精确度,在实际应用中,可以使用另一种表述方式,下面我们来讨论下该方式.4.3 直射三角法改进一z = btanβ tanβ= f/xˊ被测距离为 z = bf/xˊ式中，b为激光器光轴与接收透镜光轴之间的距离；f为接收透镜焦距；xˊ为接收光点到透镜光轴的距离其中，b和f均已知，只要测出xˊ的值，就可以求出距离z只要高准确度地标定b和fˊ值，就可以保证一定的测试不确定度如图3所示：bCCDf图3 直射式改进一但是，此方案中图像只有一个光斑，没有作为基准的参考点，不利于观察和测量，所以提出了直射式改进二方案4.4 直射式改进方法二z = btanβ tanβ= f/被测距离为 z = bf/()式中，b为激光器光轴与接收透镜光轴之间的距离；fˊ为接收透镜焦距；xˊ为接收光点到透镜光轴的距离在直射式改进方案一中，从物体侧加入一束激光，使初始的两束光重合入射到CCD上，在图像中成同一个光斑然后移动物体发生位移即可测量` 激光器激光zCCDfb图4.3 直射式改进二方案选择：综上所述，三种方案各有优缺点，可根据测量条件的不同采用不同的方法，考虑到斜射法中入射光光点照射在物体表面不同的点上，无法知道被测物体表面某点的位移情况；并且光斑较大，体积也大；需要测量的量较多，增加误差。

又由直射式可以获得体积小且光强集中的光斑，受被测物体表面的光斑受到被测物体表面特性影响小 ，同时因为有一个参考光斑，这样更便于观察被测点的位移情况，所以初步选择直射式改进二的三角测距原理来搭建光路 5 仪器及元件的选择所 选 器件有：手电筒 ，半导体激光器 、被测物、 带刻度的三角板 、 衰减片 、 透镜、卷尺、 计算机、支架 光具座 等 1 ）光源的选择： 半导体激光器，它具有超小型，重量轻，效率高和发射激光的高的连续性和可见性等优点 ；（ 2 ）被测物的选择：选择反射效果较好的物体；（ 3 ） 三角板 ： 用于定标；（ 4 ） 衰减片 ： 衰减激光光束，使其在被测物体表面形成较小的光斑；（ 5 ）透镜： 对光线进行会聚 ；( 6 ) CCD 成像器件：用 于 图像采集；（ 7 ） 卷尺 ： 测量距离；（ 8 ）计算机：主要用于 对采集图像 图像用 MATLAB 编程进行数据处理6 偏振图像采集6.1.1实验光路图激光器白屏CCD分束镜a反射镜分束镜b121,2 激光发出后，经过分束镜a分成1光束和2光束；1光束经过白屏后散射，被CCD接收到，2光束经过反射镜反射到分束镜b,再反射到CCD上，调整使两束光在CCD上重合。

6.1.2 测量物体位移步骤： 1. 按照光路图摆设好光路；2. 调节CCD和透镜，使在电脑上成像清晰；3. 打开激光器，调节分束镜和反射镜，使第二个束激光入射到CCD，让两个激光点重合；保存此时的图像；4. 调整白屏，使其移动5mm,保存此时的图像；5. 重复步骤4，记录多组数据；6. 测量b,f等相关数据；7. 拆分光路，整理好仪器，为定标做准备6.2 定标：按照 图6.2 搭建光路，调节各支架旋钮使直尺刻度、透镜中心，CCD 接收屏中心在同一条水平线上，保持透镜和直尺之间的距离足够远，打开计算机图像采集软件，用手电筒将光打到直尺刻度线上，使从电脑上观察到的图像较亮，缓慢移动透镜和直尺支架，使直尺刻度经过透镜所成的像经CCD 采集后在屏幕上显示的图像最清晰，采集定标图像并记下此时直尺的位置CCD直尺透镜ιˊι图6.2 定标测量图6.3 测量焦距（1） 按照图6.2搭建光路，调节透镜与CCD以及物体的位置，直到看到成像最清晰为止；（2） 多次测量物距与像距，记录数据；（3） 根据物像关系求出透镜焦距，并求出平均值作为实际透镜焦距7 实验结果与分析7.1.1 定标数据刻度/cm0.51.01.52.02.5像素坐标129265396530665坐标间隔136131134135--由表得出像素坐标间隔平均值：△d=134△=0.5/△d=0.0037由于图像经CCD被放大，放大倍率：=10.48/61.70=0.1699所以每个像素对应的长度：==0.00063cm/像素。

采集的图像如图7.1所示： 图7.1(a)为直尺的灰度图像 图7.1（b）为直尺对应的二值图 7.1.2焦距f的测定数据及处理表7.1.2 焦距f的数据组别 12345/cm75.4067.8063.1062.1661.90/cm10.1910.3010.4710.5110.45f/cm8.988.948.988.998.93计算平均值得透镜焦距：f=8.96cm 当=10.48cm时，由 （7 -2）得 =61.70cm 7.2 b的测量数据及处理b/cm15.5515.6315.7816.1016.05平均值=15.827.3 物体位移数据：1.运用Matlab软件对采集到的图像进行处理，算出相应的所在像素坐标（见附件二）；2.根据运行结果求出两光斑中心像素坐标，两坐标相减得两光斑中心间的像素；3.利用公式 。