摘要:以點(diǎn)激光位移傳感器為對(duì)象，研究其在自由曲面測(cè)量中的應(yīng)用。針對(duì)激光位移傳感器因測(cè)量點(diǎn)傾角而導(dǎo)致的測(cè)量誤差，提出了可量化的傾角偏差模型。根據(jù)照射點(diǎn)激光三角法的原理，闡述了激光光路的幾何關(guān)系，從聚集點(diǎn)光能質(zhì)心的偏差中推導(dǎo)出傾角偏差模型。隨后，激光位移傳感器采用高精度激光干涉儀和正弦規(guī)校對(duì)測(cè)試，測(cè)量結(jié)果采用偏差模型進(jìn)行補(bǔ)償。數(shù)據(jù)顯示，激光位移傳感器的測(cè)量精度在補(bǔ)償后得到了顯著提高。透鏡測(cè)量了一個(gè)非球。μm，滿足在自由曲面測(cè)量中使用激光位移傳感器的需要。

　　關(guān)鍵字：激光位移傳感器;自由曲面測(cè)量;非接觸測(cè)量;三角法測(cè)量;誤差補(bǔ)償

　　引言

　　激光位移傳感器具有非接觸、無(wú)測(cè)量力、響應(yīng)速度快、檢測(cè)范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。目前廣泛應(yīng)用于精密檢測(cè)和逆向工程領(lǐng)域。特別是在零件復(fù)雜的曲面檢測(cè)中，激光位移傳感器可以替代常規(guī)的接觸傳感器，有效提高檢測(cè)效率，無(wú)需標(biāo)記或補(bǔ)償測(cè)量頭半徑。但激光位移傳感器的測(cè)量精度容易受到系統(tǒng)本身的非線性誤差、物理表面粗糙度、物理表面顏色、測(cè)點(diǎn)物理表面傾斜角等諸多因素的影響。

　　解則曉、羅立強(qiáng)、劉國(guó)棟等學(xué)者對(duì)不同表面顏色的被測(cè)物品進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)紅色對(duì)傳感器的影響最小，黑色最大。通過(guò)調(diào)節(jié)光強(qiáng)，可以減少物面顏色的偏差，建議使用紅色和橙色作為被測(cè)材料表面的顏色。對(duì)于激光位移傳感器檢測(cè)的影響，吳劍鋒、宋開(kāi)臣、張國(guó)雄等學(xué)者進(jìn)行了深入研究。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)被測(cè)物體表面的粗糙度值較低或較亮?xí)r，激光束會(huì)在產(chǎn)生漫反射的同時(shí)產(chǎn)生較強(qiáng)的鏡面反射，而折射光強(qiáng)度會(huì)導(dǎo)致較大的測(cè)量誤差。當(dāng)表面粗糙度過(guò)大，激光束照射到表面凹凸處時(shí)，光點(diǎn)的形狀會(huì)發(fā)生很大的變化，導(dǎo)致光敏元件導(dǎo)出不穩(wěn)定，進(jìn)而產(chǎn)生偏差，影響測(cè)量精度。對(duì)于物體表面光澤和粗糙度的影響，可以選擇合適的光束入射角度來(lái)優(yōu)化激光位移傳感器的參數(shù)值。在0.4中，被測(cè)物面的粗糙度Ra～3μm時(shí)，對(duì)激光位移傳感器的測(cè)量精度影響不大，可以免于補(bǔ)償。物面傾角帶入的偏差在影響激光位移傳感器精度的諸多因素中最大。VukasinovicN、黃瀟蘋(píng)、王永清、莊葆華、王少清等學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了深入研究，但這些研究的觀點(diǎn)都是定性研究，但需要研究和制定定性模型來(lái)有效補(bǔ)償工程應(yīng)用中的傾角偏差。

　　本文以行業(yè)內(nèi)具有代表性的點(diǎn)激光位移傳感器為研究對(duì)象，根據(jù)激光三角法原理，建立了影響測(cè)量精度的景深和傾角偏差模型。之后，在坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)中，傳感器被高精度激光干涉儀校準(zhǔn)。測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)偏差模型進(jìn)行調(diào)整，使傳感器的測(cè)量精度達(dá)到10。μm以內(nèi)。最后，曲面測(cè)點(diǎn)傾角的計(jì)算方法在非球面透鏡型面的測(cè)量中提出，測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)傾角偏差模型進(jìn)行調(diào)整，顯著提高了測(cè)試精度。

　　誤差補(bǔ)償模型和校對(duì)試驗(yàn)

　　建立1.1傾角偏差模型

　　激光位移傳感器的測(cè)量原理:激光發(fā)射器發(fā)出一束平行光，聚焦在被測(cè)材料表面，產(chǎn)生漫反射光。一些光源通過(guò)接收透鏡在CCD感光表面成像。當(dāng)被測(cè)物體沿著光束的入射方向移動(dòng)時(shí)，材料表面的散射光斑與顯像鏡的位置相比發(fā)生了變化，感光器件上的像點(diǎn)位置也相應(yīng)地發(fā)生了變化。準(zhǔn)確測(cè)量像點(diǎn)在線陣CCD感光面上的位移，可以獲得被測(cè)物體的位移變化。因?yàn)闇y(cè)量時(shí)激光的入射光束和反射光束構(gòu)成了三角形測(cè)量方法1，所以稱為三角形。

　　圖中ω這是兩個(gè)反射光束的交角。中式β接收鏡片軸線的入射光束和交角;φCCD感光面與接收鏡片軸線的交角;L是接收鏡片的物距，即A點(diǎn)與接收鏡片前主面的距離;L“代表接收鏡片的像距，即接收鏡片后主面與顯像面中心點(diǎn)的距離。當(dāng)被測(cè)物體表面移動(dòng)時(shí)，在參考平面下方取正號(hào)，相反取負(fù)號(hào)。

　　從激光三角法的測(cè)量原理可以看出，傳感器的設(shè)計(jì)參數(shù)是基于垂直入射被測(cè)物面。當(dāng)傳感器的入射光束與被測(cè)物面不垂直時(shí)，物面的傾斜改變了散射光場(chǎng)與接收鏡頭相比的空間布局，促使聚集光點(diǎn)在線陣CCD感光面上的光能質(zhì)心位置與垂直入射時(shí)相比發(fā)生變化。如果垂直入射時(shí)的校準(zhǔn)模型仍然用于計(jì)算位移，則必須產(chǎn)生偏差，即傾角偏差。這是測(cè)量誤差產(chǎn)生物面傾斜的主要原因。研究和補(bǔ)償激光位移傳感器的傾角偏差，可以有效提高自由曲面的測(cè)量精度。

　　如圖2所示，光能質(zhì)心線在線陣CCD感光面上的投射點(diǎn)是光能質(zhì)心，光能質(zhì)心接收到感光面上的聚光點(diǎn)。當(dāng)物體表面傾斜時(shí)，CCD感光表面的光能質(zhì)心與其幾何中心相比有偏差，因此檢測(cè)到的光能質(zhì)心不是光點(diǎn)的幾何中心。激光束在材料表面的透射非常復(fù)雜。為了便于定量分析，這里假設(shè)被測(cè)物體表面有理想的漫透射，沒(méi)有吸收，然后引入光能質(zhì)心線的投射點(diǎn)C的距離如下:

　　假定標(biāo)定時(shí)激光位移傳感器的入射光束為垂直入射，即物面沒(méi)有傾斜時(shí)，θ'=θ1|α=0。當(dāng)激光位移傳感器標(biāo)定時(shí)，α入射，即物面傾斜時(shí)，θ'=θ1|α≠0。那傾角偏差如下：

　　從公式(3)可以看出，變量只有物面傾角。α以及物品位移量x，其它設(shè)計(jì)參數(shù)為激光位移傳感器，通過(guò)分析可以看出：

　　(1)激光位移傳感器的測(cè)量誤差隨著測(cè)量物面傾角的增大而增大，當(dāng)物品位移量X一定時(shí);

　　(2)當(dāng)物面傾斜時(shí)α激光位移傳感器的測(cè)量誤差隨著測(cè)量景深的增大而增大;

　　(3)當(dāng)α>0時(shí)，激光位移傳感器測(cè)量誤差的取值符號(hào)與位移相同;α0時(shí)，激光位移傳感器測(cè)量誤差的取值符號(hào)與位移相反。

　　以上推導(dǎo)是假設(shè)被測(cè)物體的表面是理想條件，符合朗伯定律，并類似于一些值。雖然理論值和實(shí)際測(cè)量值之間存在一定的誤差，但從工程應(yīng)用的角度來(lái)看，本文推導(dǎo)出的理論量化模型提高了實(shí)際的測(cè)量精度，值得應(yīng)用和推廣。

　　1.2激光干涉儀校對(duì)試驗(yàn)

　　在實(shí)驗(yàn)中，我們選擇了某公司生產(chǎn)的點(diǎn)激光位移傳感器。采用紅色半導(dǎo)體激光(658nm)作為燈源，通過(guò)光照元件芯片上集成的原始信號(hào)處理電路的“系統(tǒng)芯片”技術(shù)，獲得了高密度的光照元件和接近極限的響應(yīng)速度，可以實(shí)現(xiàn)更高的分辨率。

　　該傳感器附帶的控制器功能齊全，可以優(yōu)化算法，補(bǔ)償測(cè)量方法和被測(cè)物體的顏色、材料、粗糙度等參數(shù)。在使用過(guò)程中，根據(jù)被測(cè)物體的特點(diǎn)，在操作盤(pán)對(duì)話菜單中設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)值可以減少誤差。市場(chǎng)上很多傳感器廠商都沒(méi)有提供傾角偏差模型。為了促進(jìn)激光位移傳感器在精密檢測(cè)應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用，研究了傾角誤差補(bǔ)償。

　　激光位移傳感器的傾角偏差試驗(yàn)裝置由激光位移傳感器、高精度激光干涉器、正弦規(guī)則、標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量塊和研究小組開(kāi)發(fā)的坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)組成。如圖3所示，正弦規(guī)則表面被用作被測(cè)物體表面。通過(guò)調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量塊的高度，可以獲得正弦規(guī)則的傾斜角度，其計(jì)算方法如下:

　　在△ABC中，BC=AB·sinα.(4)

　　從公式(4)可以看出，通過(guò)計(jì)算量塊的高度，選擇一定的標(biāo)準(zhǔn)量塊組合，可以構(gòu)建一定的物面傾角。

　　激光干涉儀通過(guò)激光雙頻干預(yù)的原理實(shí)現(xiàn)位移測(cè)量。激光波長(zhǎng)具有長(zhǎng)度測(cè)量的可追溯性，檢測(cè)范圍特別廣，可達(dá)到納米的測(cè)量精度;它不僅可以用來(lái)檢測(cè)一些大規(guī)模、高精度的幾何，還可以用來(lái)測(cè)量基準(zhǔn)、校準(zhǔn)和校準(zhǔn)一些精密測(cè)量?jī)x器或工件