激光三角法测量物体位移

1、精选文档 课程设计（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 同学姓名： 覃荣梅 学 号： 1000830303 指导老师： 王新强 2014 年 1月 5 日精选文档摘 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广泛应用。通过激光三角法两个方案直射式和斜射式的特点，结合试验条件，选择最合适的方案进行测量。本次测量最大的特点就是非接触式测距，实际中对非接触式测距一般很难知道物体到成像透镜的距离，可由成像透镜焦距以及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

2、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。移动物体采集光斑图像，用matlab软件对图像处理进行处理，计算像的移动距离，再依据几何关系推导出物体的实际移动距离。在最终计算出该方案的标准不确定度，并对方案产生的误差进行分析，提出改进意见。设计方案光路简洁，便利快捷，受环境影响小而且测量精确度较高。 关键词：激光三角法；测距；定标；CCD；误差分析目 录引 言11. 设计任务12. 激光三角法测距基本原理13.方案论证和选择23.1 激光三角法测距现状23.2 测量方案23.3 方案比较与选择43.4 器件选择64. 方案验证步骤及数据记录64.1 方案验证步骤64

3、.2 测量数据记录64.2.1 测量获得成像透镜焦距64.2.2 定标74.2.3 移动物体测量位移75. 测量数据处理85.1 各个距离测量值计算85.2 定标计算95.3 光斑位移量计算105.4夹角和物体实际移动位移计算106. 误差分析及方案评价116.1 相对误差和确定误差计算116.2 误差分析126.3 设计方案评价127. 课题分析评价138. 课设总结13参考文献14附录1 试验器件清单15附录2 试验光路图16附录3 图像处理程序17附录4 光斑图像处理后灰度图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放射源有很多

4、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消灭，激光测距正向小型、快速、低功耗、低成本和人眼平安方向进展。目前激光测距技术主要有脉冲测距、相位测距、激光干涉法测距、激光三角法测距等。 脉冲激光测距的主要特点是单次测量时间短、测距远、无需合作目标、隐蔽和平安性好。但测量精度相对低，一般为米级精度。相位激光测距，其特点是测量精度高，能够达到毫米级别，但要求使用连续激光器，单次测量时间较长，测量较远距离时，需要在目标处放置合作目标。对于小型或便捷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般不大，通常为百米以内。干涉法激光测距，其特点是测量精度较高（达到微米级）

5、。但其测量精度简洁受大气起伏的影响，而且要求基座接受笨重的仪器设备。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成像系统辨别率的限制，系统对接收机器件的要求也较高，同时不能用非匹配表面物体和透亮物体作为被测目标。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理；（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. 激光三角法测距基本原理在被测物体表面上方，用一束激光以肯定角度照射，激光在物体表面发生散射或者反射，在另一角度用成像系统对激光散射或者反射的光进行汇聚成像，当被测物体位置发生

6、变化时，被测物体上的激光照射所产生的光斑的位置变化，光散射或者反射的角度也会发生变化，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，从而在计算机屏幕上也可观看到光斑的相应移动。通过matlab软件对采集的图像进行处理可以得到两个光斑间的距离，再通过最初定标得到的比例尺，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）光线构成一个三角形，对光斑位移的计算，几何三角和激光器运用其中，所以称此方法为激光三角法测距。 依据入射激光光束和被测物体表面法线的角度关系，一般分为直射式和斜射式两种方式。3.方案论证和选择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

7、体积大，受环境干扰状况严峻，因此测量精度大大下降，并未得到广泛应用。近年来随着半导体技术以及计算机技术的进展有了突飞猛进的成果，半导体激光器的消灭使得测量光路更加简洁，并且受环境干扰性小，计算机对图像的处理使计算距离更加精确、快速，因此激光三角法测试技术在测量物体位移方面得到广泛应用。激光三角法测量常接受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nx光电探测器会聚透镜激光器abx接收透镜 图3.1激光三角法直射式测位移原理图 如图3.1 所示，激光器发出的光线，经会聚透镜聚焦后垂直入射到被测物体表面上，物体移动或者其表面变化，导致入射点沿入射光轴的

8、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，移动物体前后采集的两幅图像经过软件处理求出其间距，依据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,应满足以下： ，sin=n/a， （3-1） （3-2） 由相像三角形可得： （3-3） 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： （3-4）夹角nmab激光器会聚透镜方案2：斜射式测量CCD 接收透镜 图3.2 激光三角法斜射式测位移原理图激光器发出的光线和被测面法线成肯定角度入射到被测面上，同样地，物体移动或其

9、表面变化，将导致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肯定的夾角，避开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分被CCD接收到，因此不能测量反射性很好的物体表面。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，应满足以下：角度满足关系 （3-5）由相像三角形有 （3-6） （3-7） （3-8）测量位移与入射角间满足 （3-9）CCD表面移动位移与物体实际移动距离之间的关系，可以由（3-5）式至（3-9）式综合解得： （3-10）3.3 方案比较与

10、选择 由于直射式测量法散射后的光线只有很少一部分被CCD接收到，因此不能测量反射性很好的物体表面。斜射法则不用限制物体表面反射率，只要物体表面平整即可。通过对比两种方案的特点以及试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，并且在CCD接收光斑时对物体表面要求较低。斜射式测量方法精确度高，试验中测量的距离较短，因此在本次试验设计中选择斜射式激光三角法测距。并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削减。该改进的斜射式把图3.2中的角设为0度。缘由有：（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

11、于CCD的接收面积有限，在试验中不能接收任意角度的光线。而为了测量的精确度需要测量多组数据，所以测量目标移动相对比较大，光线夹角也较大，CCD就不能很抱负的接收各个位移的光斑，给本次测量带来不行实现的困难。这样就使得图3.2的方案无法实现或者实现的效果不好。（2） 该改良方案保持被测目标、成像透镜和CCD在同一水平线上，CCD扫描轨迹没有转变，即成像的光斑不变形。光斑也是相对的精确，它们在肯定程度下都是处于相同条件采集得到，当用MATLAB进行图像处理时比较便利牢靠。这种方法有效避开了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

12、收透镜和光电探测器CCD，所以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和cos，与传统的斜射式相比，削减了两个边长的测量，而由于测量量的削减，从理论上大大提高了测量的精确度。 （4） 该改良方案大大提高物体位移的距离，也就是说可以测量很多点的位移，测量方法机敏，可操作性强。提高了激光三角法在实践测量中的应用，而且试验时所用到得仪器简洁且数量少，光路简洁，简洁理解激光三角法的基本工作原理，从而简化了物体位移的最终计算公式。 CCD成像透镜衰减器激光器AabBx图3.3 激光三角法实际试验图则最终所求的物体位移公式为： （3-11）3.4 器件选择 从设计出

13、的试验光路图可得，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、计算机、光学试验平台。4. 方案验证步骤及数据记录4.1 方案验证步骤（1） 测量获得成像透镜的焦距，用于间接确定像距和物距，经过与测量值对比，削减误差；（2） 确定成像过程中的比例尺定标；（3） 依据图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，采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，并将采集到的各部分数据进行相应处理，最终由（式3-11）计算出物体实际 移动

14、距离并画出位移曲线图。4.2 测量数据记录4.2.1 测量获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，或者知道但精确度不高，影响到系统的测量精确度，所以需要间接得出该段距离。可以通过测量成像透镜的焦距f计算出该段距离。对于直射式激光三角法测距计算方法如下图4.1：图4.1 间接测量透镜焦距原理图如上图所示，有如下关系 被测距离为 （5-1）其中为成像透镜到物体表面距离，为成像透镜到CCD距离，为CCD上的位移。当测量方式为斜射式时将CCD、成像透镜、目标三者沿光学试验平台某一行或列放置，使三者尽量在一条直线上，移动物体至某一位置，调整透镜使成像最清楚，分

15、别测量此时透镜到CCD距离和透镜到物体距离，由物象位置关系式 ，求出透镜焦距，多次测量求得成像透镜焦距平均值。数据记录见表1。表1 测量透镜焦距数据记录69.8cm8.9cm7.89cm79.9cm8.8cm7.93cm92.4cm8.6cm7.87cm4.2.2 定标定标的目的是为了获得CCD和物体在CCD表面实际移动距离的对应关系，为后面确定物体实际移动距离奠定基础。定标时将刻度尺放在光具座上，固定在某一位置处，距离尽可能远，以便减小物体纵向时可以忽视的定标尺寸变化。并且要保证刻度尺在计算机上成像尽量水平，这样定标才能精确。用手电筒照射刻度尺，移动调整成像透镜镜头，使刻度尺的像最清楚，用计

16、算机上的软件采集图像信息，最终通过matlab软件计算出该段距离，该段距离与刻度尺上的标准距离之间有一对应关系，该对应关系即为所需要的标尺。在后面的数据处理时均以此标尺为标准来进行计算。试验数据见图5.1。4.2.3 移动物体测量位移 本次测量物体位移中，物体目标放置于光具座上，通过移动光具座上的游标卡尺，为了数据处理的精确性以及试验结果的误差分析，每次目标移动都是等间距，采集目标每移动5mm后的光斑图，以相同的格式保存每个光斑图，以便后期用MATLAB软件进行图像处理。由于目标移动后多得的光斑基本全都，故其中的两个物体位移的光斑数据试验记录见图4.2 ，其余12个物体位移的光斑数据图见附录5

17、. 图4.2 物体移动光斑数据图表2 激光三角法试验数据表斜边A直角边B物距a像距b物体移动d测量值83.5cm25.6cm79.4cm7.9cm5mm83.4cm25.7cm79.5cm8.1cm5mm83.6cm25.6cm79.4cm8.1cm5mm5. 测量数据处理5.1 各个距离测量值计算由表1可算出透镜的平均焦距为f=1/3(7.89+7.93+7.87)cm=7.897cm从该计算出的透镜平均焦距和实际测量中像距可以得出，测量时放置透镜的位置已经接近抱负值，所以可以用平均像距和平均物距来测量轴向放大倍率，最终算出物距。而该透镜平均焦距只是计算值，不代表试验中该距离就是最清楚最合适

18、测量的，所以试验时还是调整像距，使得CCD的成像最清楚时再测量。由表2可算出各个长度测量值的平均长度为：A=(1/3) (83.5+83.5+83.6)cm=83.500cmB=(1/3) (22.1+21.9+22.1)cm=25.633cma=(1/3) (79.4+79.5+79.4)cm=79.433cmb=(1/3) （7.9+8.1+8.1）cm=8.033cm本次试验中，测量各个距离时都是多次测量，处理时接受多次测量值平均值法。本次微小位移测量很简洁受到测长度时微小误差的影响，使得结果消灭很大的误差。而接受多次测量值平均值法，可以有效的削减误差。5.2 定标计算 用matlab软

19、件处理定标图像，估量刻度尺最长厘米所在刻度的位置，编程选取该行，读取相邻峰值间的像素间距，求取平均值，计算出比例尺。定标图数据图5.1所示。用MATLAB处理后定标数据图后像素间距图如图5.2所示。图5.1 定标数据图图5.2 定标图像matlab处理后像素距离图表3 定标数据处理值相邻峰值像素间距166像素160像素164像素160像素轴向放大倍率=-b/a=-8.033/79.433=-0.101刻度尺实际距离1cm1cm1cm1cm实际1cm经成像透镜缩小后的像大小0.101cm0.101cm0.101cm0.101cm每个像素对应的实际距离大小 因此CCD和实际距离之间的对应关系为：实

20、际每个像素对应实际距离为。5.3 光斑位移量计算用matlab软件处理定标图像，估量每个光斑中心处的行位置，编程选取该行，读取该位置处的像素值，计算等间距移动后像素值移动的距离。再由坐标尺可计算出每次移动的位移x，每一厘米实际距离对应162.5个像素。表4 光斑移动后像素移动值及对应的空间移动距离各光斑像素坐标与前一光斑间像素差像距离x（mm）各光斑像素坐标与前一光斑间像素差像距离x（mm）26300444250.155290250.155468240.149316260.162494260.162342260.162517230.143369250.155541240.149396250.1

21、55563250.155419230.143584230.1435.4夹角和物体实际移动位移计算 依据如图3.3所标定的量及测量值，通过余弦定理，计算夹角大小。由公式（3-11）计算得到的13次移动得到的实际物体移动量 表5 相邻光斑间物体实际移动距离物体移动次数物体实际距离x(mm)物体移动次数物体实际距离x(mm)1085.05625.05694.84835.299105.29945.299114.64155.056124.84865.056135.05674.641144.641图5.3目标实际位移和计算位移拟合曲线图6. 误差分析及方案评价6.1 相对误差和确定误差计算 由相对误差计算

22、公式：相对误差=|真实值实际值|/实际值，计算出相对误差平均值。平均相对误差= 1/13(1.12%+5.98%+5.98%+1.12%+1.12%+7.18%+1.12%+3.04%+5.98%+7.18%+3.04%+1.12%+7.18%)=3.93%平均确定误差=1/13（0.056+0.299+0.299+0.056+0.056+0.359+0.056+0.152+0.299+0.359+0.152+0.056+0.359）mm=0.197mm由以上计算所得的平均相对误差和平均确定误差可以看出，本次测量所用方案是可行的，差生的误差在可以接受的范围以内。6.2 误差分析方案验证过程中，

23、任何一个步骤都会存在误差，并且有些误差是不行避开的。针对本次测量，误差产生的缘由主要有两大类：一：系统误差（1） 仪器的不完善、仪器不够精密或者安装调整不妥，如刻度不准、零点不准等，导致测量长度时引起读数误差。（2） 读数是眼睛不能确定的正视刻度尺，使得测量值偏大或偏小。（3） 在定标时，在采集软件上观看到刻度尺的像不是完全水平，还有一些倾斜，故造成比例尺存在误差。（4） 本次测量需要在不同灯光下采集定标图像和光斑图像，反复开光灯，影响物体上的光照，使得图像有噪声影响。（5） 用MATLAB进行图像处理时，都是或许取光斑所在行和厘米刻度所在行，造成肯定误差。（6） 被测物体表面的光泽和粗糙度关

24、系到散射光斑的大小和光强。二：随机误差 在相同条件下，对于同一物理量进行重复多次测量，即使系统误差减小到最小程度之后，测量值仍旧消灭一些难以预料和无法把握的起伏，而且测量误差的确定值和符号在随机地变化。针对本次测量，随即误差的主要来源于人的视觉和触觉力量的限制以及试验环境偶然因素干扰。例如温度、湿度、电源电压起伏、气流波动以及试验平台振动等因素的影响。6.3 设计方案评价设计的改良版斜射式激光三角法测位移方案，精度较高，光路简洁易搭建，所需器件简洁，削减光斑成像扭曲，受环境温度影响小，能够实现微位移的非接触式测量。此方案与直射式相比具有测量精度高，与传统的斜射式相比光斑较小且不会扭曲，综合考虑

25、认为本设计方案成功，然而尽管光斑变小了，为了后期图像处理，还是不能每处都能形成光斑，因此不能测量物体各个点处的位移。同时受激光器特性和CCD有效接收面积的限制，测量范围有限，为提高测量精度和大尺寸测量，提出以下改进方案。为提高测量精度，一方面可以改进光源，选择聚焦深度长，中心光斑小的光束作为入射光束。另一方面可以设计发光射光强可自动调整的装置，依据物体表面特征的不同，实时调整发光强度，能够使CCD接收到最佳图像。最终一个方面，选择接收面积更大成像更好的光电探测器，以便提高测量位移的可操作性。7. 课题分析评价该课题基于本专业所学学问，与专业相关，能够联系所学学问，拓展了学问面。课题争辩的方向主

26、要是应用于非接触方式测量微小位移，激光光斑的移动对位移很敏感，同时图像处理能够精确计算位移，对物体的位移能够精确标定。测量时对物体表面的粗糙度要求较低，针对测量物的不同可选择直射式和斜射式方式，测量方法简洁，在生活中可以得到广泛应用。随着半导体制造技术的进展，激光三角法测位移能够达到更高的精度，测量方法更加成熟化，有很好的应用前景。8. 课设总结本次课程设计能够紧密联系本专业所学学问，通过本次课程设计，加深了对激光三角法测量物体位移的基本原理和测量方案的了解，把书面的学问运用到试验中，发觉很多不行估计的问题，并学会了削减测量误差的方法，这是一个把理论和试验结合起来很好的机会。学习过的试验方法、

27、数据处理方法能够很好地综合，对所学学问是一种巩固，同时使自己有了更进一步的工程设计思想，为接下来将要进行的毕业设计奠定了很好的基础。辅导老师能够急躁、细致的指导我们的课程设计，鼓舞我们能够乐观提出问题并挂念解决，乐观尝试多种方案测量位移，在此表示诚意感谢。在今后的学习中会更加留意试验设计，增加动手力量。参考文献1 范志刚，左保军，张爱红.光电测试技术（第2版）M.北京：电子工业出版社.2008,3113152 万谨，黄元庆.激光三角法测量的争辩J.三明学院学报，2006-12(4),3613643 王晓嘉，高隽，王磊.激光三角法综述J.仪器仪表学报，2004-8(4),6016084 吴剑锋，王文，陈子辰.激光三角法测量误差分析与精度提高争辩J.机电工程，2003(5),90915 C.冈萨雷斯(Rafael C.Gonzalez)，Richard E.Woods.数字图像处理(其次版)M.北京:电子工业出版社,2007，2363116 李