三角法激光测量系统的误差分析

三角法激光测量系统的误差分析

观察点在三维点上的表现为面阵dc的成像和成像采用传统的激光三角法测量应用有两种类型。一类是物体位置的测量,物体光斑区域基本为平面。这时平行激光束一般垂直照射到被测靶面,激光器不动,物体在光束的方向上移动,一般采用线阵CCD,如图1所示。另一类是物体表面形状的测量,一般采用平行线光源照明,以面阵CCD作为成像传感器。测量中,要么物体移动,要么光源及成像系统扫描移动,其移动方向如图2所示。当物体位置或形状发生变化,该光斑及其像点的位置都会发生变化,通过计算处理,就可以反推出该点物体位置或形状的变化量。在图2中,每一个截面上获得的是一条曲线,曲线中每点的弯曲量就是每点的像高。依次改变截面,就可测出物体二维表面的高度分布。上面的计算公式是在理想情况下得到的,在实际系统中,存在许多影响因素。首先是成像系统误差,二是温度、湿度等环境因素误差,三是CCD传感器、电路处理误差,四是数据处理误差,最后是被测表面和方案引入的误差。要使三角法激光测量系统得到正确的结果,必须分析和处理这几个方面的问题。1角法测量系统的典型光路全面讨论时,光学系统误差应包括镜头的各种像差。在激光测量系统中,由于是单色光,所以有关色差的所有像差完全可以忽略。在这里起主要作用的是彗差、场曲、像散和畸变等轴外像差,尤其是彗差和畸变。对于大视场系统,必须对镜头提出相应的指标。本文中主要讨论物体表面位置变化时,光学系统实际放大率的变化。三角法测量系统的典型光路如图3所示。从图4、图5可看出,在测量角为45°、视场角为18°左右时,全视场的放大率变化达12%。因此必须进行多点标定插值计算,才能得到正确的测量值。2钢板弯曲时,钢板像面为高在上面的讨论中,都假设环境空气折射率均匀分布。在测量热工件场合,如热轧钢板在线检测,钢板附近的温度非均匀分布,造成附近空气折射率非均匀分布。这时光线传输将发生弯曲。在同样的光路参数下,钢板从500°变化到30°时,满量程光线弯曲引起像面上像高的变化达0.0687mm。这个变化量随钢板温度变化而变化,多点标定插值方法也难以消除,但是采用完全对称双面双光路可以有效地克服。3像点信号的、光斑中心位置出现毛刺、多峰或中心偏离理想的激光斑像点应该是单个圆滑的圆点或单根线条,如图7。图中Pw是信号强度,x是沿CCD线阵方向的坐标,db是像斑点的半宽度。像点信号通过比较器得到一个二值化的正矩形脉冲,脉冲的中点就是像点的中心。但在实际测量中,点像或线像会出现许多变形,一般可以分为4类,如图8。这些变形来源于光源、物体表面粗糙度和CCD传感器。如果激光光束光强分布不好会使像点的信号强度分布出现毛刺、多峰或中心偏离;物体表面粗糙时像点的信号强度分布出现毛刺、多峰;CCD分辨力太高或电路有干扰时像点信号强度分布出现毛刺;激光太强或物体表面对激光吸收少散射强,会使信号过度饱和;如果激光太弱,或物体表面对激光吸收太多,或为镜面反射,像点信号强度就会太小。信号毛刺会使二值化的矩形脉冲宽度发生随机抖动,光斑中心也随着随机抖动。多峰信号给探测光斑中心造成困难。如果用单稳态电路,可以去掉小峰抖动,但是降低了中心探测精度。信号中心偏离时,如果光强发生变化,矩形脉冲宽度也发生变化,同时矩形脉冲的中心位置也发生变化。在图8(c)中,信号变小时,矩形脉冲的中心位置向左移。实际上这时可能物体根本没有移动。当信号过度饱和时,CCD上像点附近很多单元都被“污染”,探测中心与实际光斑中心有较大的误差。用硬件电路做二值化时,如果采用固定阈值或半幅度浮动阈值,上面的问题都难以较好地解决。笔者在研究和使用中发现,用波形的峰值点作像点的中心点,位置探测很准确,而且数值很稳定,在很大范围内基本不受上面这些信号波形形状的影响。采用全数字处理也是一种很有发展前途的方法。全波形数据处理可以适应对比度很小、波形变化很大的信号,并且精度可以大大提高。4测量精度从CCD获得的像点数据是不能直接使用的。首先要进行数字滤波和平滑,剔除随机大误差数据。第二步要根据标定点进行插值或查表。如果有必要,最后还要进行环境温度校正补偿。数字滤波一般使用中值滤波方法,其依据是物体表面不会突然发生特别大的变化,表面是连续变化的。当然对于真正的物体台阶,也会有平滑作用,不可避免地引入了一定的测量误差。对于双面对称光路系统,应该分别对每个光路进行标定。因为每个光路上各点的放大率是不同的。即使左右光路像高之差相等,由于物体两表面的位置不同,实际的物体厚度一般是不相等的。在该系统中,滤波、定点插值都要分别处理,到最后,两个面的位置之差才是物体的厚度。如果温度变化较大,或者湿度变化较大,最好能在不同的温度和湿度条件下进行标定。在实际测量时,可以同时采集环境温度和湿度,以此为参数进行校正补偿。从图6中可以看出,不论物体厚度多少,仅温度变化就会引入4个CCD单元的误差,在最大量程时约为0.2%。加上湿度因素,误差会更大。三角法的测量精度直接与被测量表面有关。对于量块,在常温下测量精度可能达到0.001mm。但是对于热轧的能冷钢板,测量精度要低得多。由于表面粗糙度的影响,一般只能达到0.01mm左右。而热钢板一般只能达到0.05mm左右。同时测量精度直接与大气状态有关。在大地测量中,空气的扰动和折射率的变化对测量精度影响很大,只能从相对精度来考虑。因为这时激光束已不再是直线,距离较远时,角度的测量精度不可能很高,所以最终的计算结果精度也不高。选择合适的测量方案可以大大提高测量精度。例如选择标准测量点,在实际测量时,先测量标准点,可以抵消空气扰动和折射率变化的影响。采用对称双光路系统,可以抵消环境的影响。5消除测量误差通过上面的讨论,得到如下几方面的结论:(1)三角法激光测量系统的放大率随测量点位置的不同变化较大,一般不能忽略,通常可以通过定点标定和插值进行消除。(2)环境温度、湿度变化使空气折射率分布不均匀,激光束发生弯曲而引入较大的误差。通常采用双光路方案或标准点校准方法,可以有效地消除这类误差。(3)激光束强度分布、物体表面粗糙度、CCD传感器、信号处理电路都会引入一定量的测量误差。保证良好地激光束质量和采用信号峰值求光斑中心,可以有效地消除这类误差。采用全数字处理可以更广泛地消除中心点误差。(4)根据不同的测量对象和测量精度,选择合理的光路、采用合适的数据滤波及合适定点标定和插值方法,可以更好地消除整个系统的测量误差。式中H为物体位移量的垂直高,β为光学系统放大率,θ0为测量角,一般取45°。在图3中,Mc是测量中心面,Mt是后层面,Mf是前层面。光学系统的主轴与被测表面法线的夹角θ0称为测量角。由光学系统性质可知,只有垂直于光轴且过中心激光点平面′XY上的光斑,才能清晰的成像到像面X′Y′上,且保持垂直放大率β0不变。当激光斑在Mf时,实际像点在像面之后,且垂直放大率大于β0。当激光斑在Mt时,实际像点在像面之前,且垂直放大率小于β0。因为CCD只在像面X′Y′上接受信号,所以Mf和Mt面上光斑的像都要发生弥散,但是光