基于激光三角法的药型尺寸测量装置的设计

◎董 伟

基于激光三角法的药型尺寸测量装置的设计

◎董 伟

(三门峡职业技术学院 机电工程学院，河南 三门峡 472000)

激光三角法较传统的光学三角测量法可以得到更高的精度,其在位移测量及其他应用中已经有了一定的研究。针对以往手工测量药型尺寸误差大的情况，设计了一套基于激光三角法的药型尺寸测量装置。笔者详细地介绍了该装置的基本原理、各部件的设计过程以及测量过程，分析了影响测量精度的主要因素，通过实验证明了系统的可靠性。目前，该装置已应用于工业生产中。

光学测量；激光三角法；非接触测量；误差分析

管状药型是武器发射系统的重要组成部分，其长度等几何参数直接关系到武器发射系统的性能。挤压成型的药型在切割等过程中会发生变形，使其外形尺寸发生改变，从而影响产品性能。由于药型易燃易爆，人工测量药型尺寸存在一定的危险性。因此，生产部门一直想采用一种非接触的方法来检测药型的长度，以便根据检测结果及时调整设备参数，提高良品率。

激光三角法是一种非常有用的非接触测量方法[1]。随着激光技术和检测技术的发展，其广泛应用于工业自动化和航空航天等领域。国外很多公司在这方面都有成熟的产品，如日本的基恩士公司，其产品优点是结构简单、测量精度高、工作距离和测量范围可调性强。

本设计根据测量精度的要求和药型的尺寸标准，采用日本基恩士公司的IL-065型激光位移传感器，利用三角位移测量原理实现对药型的长度测量并传输至计算机进行数据处理。

1 激光三角测量原理

典型的激光三角测距光路如图1所示。测量的基本思路是，将激光聚焦在被测物体的表面，然后在光电检测元件的感光面上对光斑成像，通过光斑像的移动来反映测量点处的空间位移量[2]。

从图1可看出，激光源发出的光经过会聚透镜准直后投射到被测物体表面，其漫反射光经接收透镜形成光斑成像在光电检测器件上，被测物体表面的位移改变引起光敏元件上面成像光斑产生位移[3]。我们可以从控制电路获知光斑位移的改变，从而测出物体表面位移的变化。

设参考平面上的D点为基准点，当物体表面相对基准面的位移为y时，设由接收透镜收集到的光敏元件上形成的光斑产生的位移为x，通过运算可得y与x的关系式：

式中：a—参考平面与接收透镜之间的距离；b―光电检测元件的感光面与接收透镜之间的距离；α―接收透镜的主光轴与入射光线之间的夹角；β―接收透镜的主光轴与光电检测元件的感光面之间的夹角。

当被测物体表面在参考平面下方时，取+号，反之，取-号。

2 系统设计

2.1 结构组成

测量装置由激光位移传感器、计算机测控系统和支撑平台组成。测量装置如图2所示。

2.2 激光位移传感器

笔者采用的激光位移传感器是基恩士公司IL系列，它主要由RS-232C型放大器控制单元和DL-RS1A型传感单元两部分，其测量范围是160mm-450mm，并能消除干扰光对测量的影响，广泛应用于高精度的判断与测量。要使数据从放大器传输到电脑并显示出来，只需要将放大器与通信模块相连，再使通信模块与电脑连接，通过设定好的通信指令，使得数据从放大器传输到电脑中。

2.3 计算机测控系统

计算机测控系统的功能主要包括图像处理与软件算法设计。激光三角测距系统所用到的检测器件为CCD相机，由于CCD器件本身存在暗电流噪声和光子噪声等噪声源的影响，进而影响CCD所采集到的图像质量，因此需要对图像进行去噪声处理。软件算法设计则是为了更加精确地计算出光斑的中心位置，提高系统的测量精度和稳定性[4]。在本系统中，我们采用非线性滤波中的中值滤波算法来对图像进行预处理。在激光光强质心的定位算法中，我们常常将激光光强的最强点作为激光光斑的定位点，根据激光光强在CCD光敏面上的实际分布，我们选择采用二次多项式插值法。

2.4 支撑平台

药型属于易燃易爆产品，在测量过程中，需要考虑隔绝静电和碰撞产生的电火花。因此，我们采用铝制材料作为平台的主体，并对金属部件做接地处理，支撑药型所用的V型架用电木板加工制作，因为电木板是由漂白木浆纸做成的酚醛层压纸板，在和物体的摩擦过程中不会产生静电。

图1 激光三角测距光路

图2 测量装置

图3 测量结果显示

3 测量结果

3.1 测量过程

药型采用后端面挡板定位并设其为起始点，挡板位置固定，在距挡板平面固定距离889.5mm（即药型标准长度）处做一标记，此处为药型前端面位置。当药型前端面位置确定后，距前端面固定距离处安装激光发射装置，然后由传感器射出的光束经聚焦，成为一极细的光点投射到药型的前端面上，传感器通过激光三角测量原理计算药型前端面与激光装置之间的距离，并将此距离设为零点偏移值，设容定误差为±0.05mm。激光位移传感器输出的模拟信号经A/D转换传输给计算机，经数据处理后即可确定药型长度合格与否。

为了提高检测效率，在显示屏输出测量结果的过程中，当测量数据为合格时，字体显示为绿色；而测量结果超出允许的误差范围时，字体就会显示为红色，并发出语音报警提示。测量结果显示如图3所示。

3.2 实验数据

使用本装置，对同一根药型长度进行了5次测量，并同人工测量值进行对比，下表为药型长度测量结果。

此药型的标准长度为889.55mm，从表中可以看出，人工测量的数据波动明显高于激光三角测量，测量精度却低于激光测量。相反，激光三角法测量的数据稳定性更好。

药型长度测量结果表

4 测量系统的误差分析

测量系统的工作过程非常复杂，各个环节都可能存在误差影响，如对这些误差不进行分析与处理，测量系统将会给出不准确或者错误的结果。在实际测量中影响测量精度的因素，主要表现在以下两方面：CCD传感器的误差和系统误差。

4.1 CCD传感器引发的误差

CCD感光单元灵敏度误差是其在制造过程中材料杂质的不均匀性造成的[5]。一般来说CCD器件的感光单元灵敏度不均匀误差小于10%，由实验可知我们所用的CCD饱和曝光量Vsat=1.74v，则CCD感光单元灵敏度不均匀产生的电平误差为:

根据实验数据做出波形曲线，计算出其边缘点的斜率k≥120mv/μm，当均匀光照时，光敏元感光灵敏度不均匀产生的误差为：

4.2 系统误差

被测药型倾斜一定的角度时，测量的结果就会出现偏大或者偏小的情况，这就是测量装置的系统误差，对此，我们可以采用一定的算法来进行校正。本装置对药型在各个倾斜角度所测得的数据与真实值进行比对，从而确定不同的角度都有其所对应的确定的偏差，然后通过补偿这个偏差来实现误差的校正。从实验可知，本装置的主要误差来源还是系统误差，而随机误差对数据的影响可以忽略不计。

5 结论

利用激光三角法测量药型长度总体效果良好，实现了无损检测的目的，且易于人工操作。笔者从就CCD传感器的误差和系统误差两个方面分析了误差对测量结果的影响，通过对误差进行校正，经过长时间实验表明，该系统的测量结果正确，测量效率高，满足了设计要求。

[1]钱晓凡,吕晓旭,钟丽云，等.提高激光三角法测量精度的新方法[J].激光杂志,2000，21(3):54-55.

[2]何凯，陈星，王建新，等.高精度激光三角位移测量系统误差分析[J].光学与光电技术，2013，11(3):62-66.

[3]孙军利.基于线阵CCD的激光三角测距传感器数据处理算法的研究[D].上海：上海交通大学,2006.

[4]熊志勇，赵斌.基于梯形棱镜的激光三角法内孔测距传感器[J].光学学报,2011，31（12）:95-100.

Designof the Flux Measuring ApparatusBased on Laser Trigonometry

DONGWei
(Sanmenxia Polytechnic,Sanmenxia472000,China)

Laser triangulation measurement method can achieve higher precision compared with the traditional optical triangulation method，which has made some research It has a certain research in displacement measurement and other application.In order to solve the problem of large size error of manual measurement,a new type of measuring device based on laser triangulation was designed.The basic principle，measurement process and optimization of Parameter design of gauge head structure were analyzed,influence factors on precision in practice applications are discussed.The reliability of the system is proved by experiments.At present,thedevicehasbeen used in industrial production.

Optical measurement；Laser triangulation；Non-contact measurement；Error analysis

TN247

B

1671-9123（2017）03-0140-03

2017-03-01

董伟（1989-），男，陕西大荔人，三门峡职业技术学院机电工程学院教师。

（责任编辑 卞建宁）