在線，動態(tài)，非接觸，高精度激光測量的實(shí)現(xiàn)

• 概述

  自從上世紀(jì)60年代激光產(chǎn)生以后，其高方向性和高亮度的*性就一直吸引著人們不斷探索它在各方面的應(yīng)用，其中，工業(yè)生產(chǎn)中的非接觸、在線測量是非常重要的應(yīng)用領(lǐng)域，它可以完成許多用接觸式測量手段無法完成的檢測任務(wù)。普通的光學(xué)測量在大地測繪、建筑工程方面有悠久的應(yīng)用歷史，其中距離測量的方法就是利用基本的三角幾何學(xué)。在上世紀(jì)80年代末90年代初，人們開始激光與三角測量的原理相結(jié)合，形成了激光三角測距器。它的優(yōu)點(diǎn)是精度高，不受被測物的材料、質(zhì)地、型狀、反射率的限制。從白色到黑色，從金屬到陶瓷、塑料都可以測量。

• 激光三角測量的原理

激光三角測量法是人們將激光與三角測量的原理相結(jié)合的產(chǎn)物，其原理如下圖示：

它是將激光作光源，用線陣CCD作光電轉(zhuǎn)換器，用玻璃透鏡將被測物上的光斑聚焦

成點(diǎn)，再成像到線陣CCD上，線陣CCD上的光電信號再移到計(jì)算機(jī)處理，從而得到距離信號。這就是激光三角測量的基本原理。

• *代激光三角測厚儀的原理

有了激光三角位移傳感器，就為激光測厚儀墊定基礎(chǔ)，其設(shè)計(jì)原理如下圖所示，

                 *代激光測厚儀原理圖

從上圖可得：厚度為： 公式中，t表示厚度，z是上下兩個(gè)測頭間的距離，x是上測頭到被測物上表面的距離，y是下測頭到被測物下表面的距離，只要z是恒定的，則，上下測頭測量出x，y，就可以通過上面的公式算出厚度t，這樣，用兩個(gè)激光位移傳感器就可以做出測厚儀。

• *代激光三角測厚儀的誤差分析

1. 上面的厚度公式中我們假設(shè)z是恒定的，則，在靜止?fàn)顟B(tài)下系統(tǒng)誤差就是上下測頭的測量誤差，我們令其表達(dá)式為：
2. 實(shí)際上，在高精度測量時(shí)，z并不是恒定的，因?yàn)?，上下測頭是裝在U形支架上，而隨著溫度的變化，U形支架是會變形的，掃描寬度越寬其變形量就越大，所以，其在靜止?fàn)顟B(tài)下的誤差表達(dá)式應(yīng)為： ，見下圖示，

當(dāng)溫度變化時(shí)。

1）假若U形支架的上臂向上變形一微米，下臂向下變形一微米，則，

2）假若U形支架的上臂向下變形一微米，下臂向上變形一微米，則，

3）假若U形支架的上臂向上變形一微米，下臂向上變形一微米，則，

4）假若U形支架的上臂向下變形一微米，下臂向上變形一微米，則，

5） 假若U形支架的上下臂向其它方向變形，則，誤差比較復(fù)雜。

1. 上面分析是假設(shè)靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)的測量誤差表達(dá)，而實(shí)際上激光測厚儀是要求能做到在線，動態(tài)掃描測量的，我們再來分析動態(tài)測量時(shí)的誤差情況。

我們知道，線陣測頭的輸出值是一段時(shí)間的測量結(jié)果的平均值。在動態(tài)測厚過程中，激光焦點(diǎn)在被測物表面掃描，由于激光散斑的原因，表面反射光強(qiáng)存在劇烈的起伏，導(dǎo)致一些采樣點(diǎn)的信號強(qiáng)度過低，成為無效數(shù)據(jù)而剔除，若單測頭每次平均需m個(gè)數(shù)據(jù)，之間會剔除n個(gè)數(shù)據(jù)，則需要增加測n個(gè)數(shù)據(jù)，總數(shù)據(jù)量為m+n個(gè)，這可形象地用下圖表示。

由于上下表面的數(shù)據(jù)是獨(dú)立的，因此，上下表面數(shù)據(jù)序列中被剔除的數(shù)據(jù)也是獨(dú)立的（見上圖中的一個(gè)箭頭表示一個(gè)剔除數(shù)據(jù)）。如果物體不動或高度不變，則剔除數(shù)據(jù)的位置沒有什么影響，但當(dāng)物體抖動量較大時(shí)，被剔除數(shù)據(jù)的位置對平均值的影響將立刻顯現(xiàn)出來，例如當(dāng)表面上升時(shí)（下圖）

剔除數(shù)據(jù)的位置靠前則m個(gè)數(shù)據(jù)的平均值偏大，反之則偏小。

由于上下兩個(gè)測頭內(nèi)部對剔除數(shù)據(jù)的操作是獨(dú)立的，無法進(jìn)行協(xié)調(diào)，因此，物體抖動必然導(dǎo)致厚度測量結(jié)果的較大起伏！這種誤差的統(tǒng)計(jì)估計(jì)如下：

由上圖可知，兩個(gè)測頭的數(shù)據(jù)錯(cuò)位范圍為（-n，+n），處于各種錯(cuò)位情形的概率均等，則由概率論知，均方差為 個(gè)數(shù)據(jù)，若物體移動速度為V，單次采樣時(shí)間為T，則造成的上下兩測頭的厚度測量的概率誤差為 ,例如，若v=10mm/s, T=10ms, n=2, 則e=0.115mm！若上下測頭組合儀取p個(gè)數(shù)平均，則厚度誤差均方差下降為 ，若p=20，則e=0.026mm！對于高精度測量仍然是無法容忍的！

由于激光散斑是無法消除的，因此，被測物速度越大，誤差越大，因此原理上，上下獨(dú)立測頭不適宜抖動物體的測厚！

• 結(jié)論

從上面的分析，我們可以知道：用激光位移傳感器構(gòu)成的測厚儀存在著原理上的缺陷，其誤差的產(chǎn)生都是隨機(jī)的，所以，無法進(jìn)行補(bǔ)償，故，在高精度測量時(shí)不能滿足測量要求。

• 第二代激光測厚系統(tǒng)原理簡介

第二代激光三角測厚儀是重新設(shè)計(jì)發(fā)展而來，它克服了*代由于U形支架變形、振動等導(dǎo)致測量精度不高，由于采用二個(gè)光電轉(zhuǎn)換部件導(dǎo)致工作不同步而導(dǎo)致上下兩測頭的測量點(diǎn)不重合，及由此導(dǎo)致測量精度不高，測量精度不穩(wěn)定等不足。第二代激光測厚儀從測量原理上做了重新設(shè)計(jì)，不再采用兩個(gè)位移傳感器分別測量上下測頭到被測物的上下表面的距離來算出厚度，而是直接測量被測物的厚度，避免了U形支架變形、振動等導(dǎo)致測量誤差，大大提高了測量精度，而且不怕振動，并且安裝使用更簡單，工作更穩(wěn)定，測量精度更高（+/-0.0015mm），它無環(huán)境污染，對人無傷害，對被測物無污染無接觸，同時(shí)第二代激光三角測厚儀有完整的數(shù)據(jù)輸出接口，這為涂布機(jī)的日后閉環(huán)自動控制打下了基礎(chǔ)，

詳見原理圖

                         第二代激光測厚儀原理

上述原理圖的工作原理：上下二個(gè)激光器將激光束分別打在被測物的上下表面，形成二個(gè)光斑，無衍射光學(xué)系統(tǒng)將這二光斑成像到面陣CCD或DSP等光電轉(zhuǎn)換部件上，則，這二個(gè)光斑在面陣CCD或DSP等光電轉(zhuǎn)換部件上的光斑的像之間的距離就是被測物厚度的映射，能過圖像處理技術(shù)就能算出被測物的厚度。

從上面的原理圖可知，U形支架上安裝的不是激光位移測頭，而是激光器，僅作為光源用，上下激光器照射到被測物的上下表面形成上下二個(gè)光斑，將這兩個(gè)光斑通過一個(gè)無衍射光學(xué)系統(tǒng)成像到面陣CCD上，則，這二個(gè)光斑之間的距離就是被測物的厚度，這樣直接測量的是被測物的厚度，這就避免了由于U形支架的變形和上下測頭的測量誤差還有抖動等因素的影響，第二代系統(tǒng)只有一個(gè)誤差，就是無衍射光學(xué)系統(tǒng)的測量誤差，而這個(gè)誤差不是隨機(jī)產(chǎn)生的，是可以補(bǔ)償?shù)模瑫r(shí)我們的單鏡頭面陣ccd測厚儀，由于是上下光斑同時(shí)測量，若出現(xiàn)上下任一光斑太暗，則該組上下光斑數(shù)據(jù)作廢，保證了用于厚度數(shù)據(jù)的上下光斑的一一對應(yīng)性！從原理上避免了*代測厚儀的多項(xiàng)誤差。故，第二代激光測厚系統(tǒng)比*代激光測厚系統(tǒng)有無比優(yōu)異性能。

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