激光光斑大小对判定光斑存在的误差

收稿日期：2012-07-16
基金项目：吉林省科技支撑项目（20080537）
作者简介：熊家新（1973-），男，硕士，副教授，主要从事光电仪器仪表研究，E-mail ：xjx@ 。

长春理工大学学报（自然科学版）
Journal of Changchun University of Science and Technology （Natural Science Edition ）
第35卷第4期2012年12月
Vol.35No.4Dec.2012
激光光斑大小对判定光斑存在的误差研究
熊家新1，张心明1，鞠英红2
（1.长春理工大学机电工程学院，长春
130022；2.一汽轿车股份有限公司质保部，长春130000）
摘
要：在利用激光测速原理研制的车门闭合力测试仪中，通过对激光光斑在光电传感器成像的能量大小所引入的光斑有
无判定时间误差研究，提出一种基于能量与时刻转换的光斑判定方法，在一定范围内做到光斑大小对判定的无关性。

实践证明该方法对提高仪器测量精度有相当的作用。

关键词：激光测速；激光光斑；测量方法中图分类号：TH824
文献标识码：A
文章编号：1672-9870（2012）04-0081-03
The Error Research of the Size of Laser Flare to
Determine the Existence of The Flare
XIONG Jiaxin 1，ZHANG Xinmin 1，JU Yinghong 2
（1.College of Mechanical and Electrical Engineering ，Changchun University of Science and Technology ，Changchun 130022；
2.FAW Car Co.，Ltd ，Changchun 130000）
Abstract ：In the use of laser speed principle developed door closing force tester,through the photo electric sensorimag-ing energy introduced by the size of the spot or decision time error research,the determination method is proposed based on the energy and time conversion spot.Practice has proved a considerable role in the method to improve measure ment precision.
Key words ：laser speed ；Laser flare ；measurement method
入射光投射在光电传感器光敏面的能量大小是光电传感器能否感知入射光存在与否以及线性度、信噪比等参数的关键，在入射光不可控时，其入射光能量大小和不均匀都会导致光电传感器及后续电路难以处理使结果产生误差。

1仪器误差引入
1.1激光测速仪工作原理
激光照射在一定粗糙度的表面形成的反射光斑是朗伯辐射体［1］，在研制车门闭合力测试仪中［2］，我们采用激光在参照物上的反光点作为信标。

仪器需要检测被反射的激光点有或无之间的时间间隔来确定被测物通过激光束的时间［3］，其原理图如图1所
示。

图1激光测速工作原理
Fig.1Working principle of laser measure speed
当被测物以某一速度v 依次通过激光光束1和2时，反射点1和2依次从参照物转移到被测物上，光接收器依次接收到由激光反射点1和2反射的因被测物和参照物光反射性能不同而带来反射光的幅值变化，
并以此完成对被测物上光斑有无的判别［4，5］。

1.2系统误差
在后续电路中，我们通常需要判定如图2所示，因为参照物反射点的微观结构以及被测物反射点的
微观结构的不一致，两个激光反射点在接收器上成像的能量有很大可能是不一致的。

而电路中，为了判定两光斑的幅值改变情况，可以采用参考电平比较来确定发生时刻如图2
所示。

图2参考电平的比较
Fig.2The comparison of reference electrical level
在图2所示中，我们用S1和S3之间的距离来表示光斑间的距离。

以S1作为光斑1有无的标志，以S3作为光斑2有无的标志。

从图2中可以看出，实际真正的光斑间距或光斑有无应该是以S5到S6来确定，显然用S1到S3来代替S5到S6引入了误差。

在仪器中，两束激光光束之间的距离为20mm，激光反射光斑最大直径小于3mm，最小直径大于0.5mm；那么如图2所示，反射激光光斑大小所引入的判读距离最大是S1到S4；最小是S2到S3，当反射光斑变化时，仪器的判读距离将在19.5mm到23mm 之间变化。

由此带来的误差将在2.5%到15%，而仪器要求是1%的精度显然不可能达到。

我们可以采用极点法来获取S5和S6，这在静止态是完全可行的，但是在上述测速仪中，我们需要测量的是光斑1和2被挡光的时刻，因此，在测量中到S5时也不能知道该时刻就是所要的时刻而不能测试。

最大值的检测可以知道其数值，但很难知道发生的时刻。

2加权平均算法
在电路中选择同一个恰当的参考比较电平是较为容易的，即电路比较翻转中四个值即S1、S2、S3、S4是可知的。

在本仪器中，当被测目标以最大速度10m/s通过激光光斑时，通过最大3mm 直径光斑所用的时间是300μs，通过最小0.5mm直径光斑时间是50μs，由此对四个值的时刻测量是可行的。

如图2所示，对应参考电平翻转的时刻为t1到t4，真实需要的时刻为t5到t6，所以，选用两个计时器，对四个时刻计量。

计时器1从t1开始计量到t4停止，获得t1到t4之间的时间，在这段时间中包括被测物通过引起的变化时间和反射光斑幅度大小引起参考比较线的时间如S1到S2与S3到S4的变化时间；而这个距离用S1到S4代替S5到S6引入的误差是光斑大小带来的。

而计数器2从t2开始计量到t3停止，获得了通过光斑大小不同时引入的时间误差；因此总的无误差时刻点S5到S6的时间就可以表示为：
t6-t5=
(t4-t1)+(t3-t2)
2（1）t5时刻到t6时刻的时间是需要的被测量，第一项t1时刻到t4时刻的时间为第一个计时器的值，第二项是t2时刻到t2时刻的时间即第2个计时器数值。

3实验数据对比
为了对比，选用伺服直线电机为速度源，日本产速度计和美国光学速度计（关门速度仪）Model 1052Optical Velocity Meter00-00001-08（美产速度计：采用12mm，直径3mm金属棒，与被测物表面质量无关）作为比较对象，对研制的车门闭合力测试仪（本速度计）进行测试。

表1被测物为正方体表面为普通打印白纸平面的比对数据单位：m/s
Tab.1Comparative data of when the measured is
the cubeand and the common print white pa-
per plane，units：m/s
电机设定速度
日产速度计
美产速度计
本速度计
0.4
0.40
0.40
0.40
0.8
0.80
0.80
0.80
1.0
1.01
1.01
1.01
1.2
1.21
1.21
1.20
1.6
1.61
1.61
1.61
2.0
2.02
2.01
2.01
2.5
2.51
2.50
2.49
3.0
2.97
2.98
2.99
表2被测物为直径10mm轴承钢球表面是镜面球面的比对数据单位：m/s
Tab.2Comparative data of when the diameter of
the measured is10mm and the surface of be-
aring steel ball is spherical surface lens，units：
m/s
电机设定速度
日产速度计
美产速度计
本速度计
0.4
0.4
0.4
0.4
0.8
0.8
0.8
0.8
1.0
1.00
0.99
1.01
1.2
1.19
1.21
1.20
1.6
1.61
1.60
1.60
2.0
2.01
1.98
2.00
2.5
2.52
2.48
2.50
3.0
3.01
2.97
2.99
在改进前，也就是使用图2中的t1时刻到t3时刻的时间作为被测物经过两束激光时所产生的两个检测光斑的计量时间。

实验在不同被测物表面通过时获得数据：从表1到表4的数据可以看出：表1和表2数据说明在被测物表面反射光斑良好时，所有仪器表现良好最大绝对误差小于0.02m/s，相对误差均小于等于1%。

用表2的数据绘出仪器的相对误差
长春理工大学学报（自然科学版）2012年82
第四期熊家新，等：激光光斑大小对判定光斑存在的误差研究如图3
所示：
图3表2数据的相对误差
Fig.3The relative error of the data of tab.2
表3中数据可以看出，当被测物反射光斑质量
较差时，除了美产速度计的测量与被测物表面无关
使数据还是基本保持原样外，日产速度计和用改进
前程序的本速度计均有较大的误差。

其中日产速度
计的最大绝对误差为0.06m/s，最大相对误差为3%；
本速度计的最大绝对误差为0.14m/s，最大相对误
差为6.5%表3数据的相对误差如图4所示。

为此日
产速度计的说明书中对反射面有严格的规定，而本
仪器也要求使用方对被测物表面粘贴白色反射物来
避免该问题，这样对用户使用造成不便。

表3被测物为灰黑色工程塑料表面粗糙度4的比对数
据单位：m/s
Tab.3Comparative data of when the color of the
measured is black，engineering plastic，the su-
rface roughness is4，units：m/s
电机设定速度日产速度计美产速度计本速度计0.4
0.41
0.40
0.38
0.8
0.82
0.80
0.78
1.0
1.03
1.00
1.00
1.2
1.22
1.20
1.25
1.6
1.63
1.60
1.70
2.0
2.05
2.00
2.13
2.5
2.55
2.51
2.58
3.0
3.06
3.00
3.14
图4表3数据的相对误差
Fig.4The relative error of the data of tab.3
表4中数据可以看出，经过改进算法，对同样工
程塑料的检测，本速度计精度已经恢复为正常状态。

本速度计最大绝对误差为0.02m/s，最大相对误差小于1%。

表4数据的相对误差如图所示：表4被测物为灰黑色工程塑料表面粗糙度4的比对数据单位：m/s
Tab.4Comparative data of when the color of the
measured is black，engineering plastic，the su-
rface roughness is4，units：m/s
电机设定速度
日产速度计
美产速度计
本速度计
0.4
0.41
0.40
0.40
0.8
0.81
0.80
0.80
1.0
1.03
1.00
1.00
1.2
1.22
1.20
1.21
1.6
1.63
1.60
1.61
2.0
2.06
2.00
2.01
2.5
2.54
2.51
2.51
3.0
3.06
3.00
3.02
图5表4的数据的相对误差
Fig.5The relative error of the data of tab.4
4结束语
实验的结果表明，通过该种算法可以将反射光斑随反射介质的变化而导致的幅值变化而引入的误差消除，使该仪器的运用环境性得到改善，仪器精度得以提升。

参考文献
［1］安连生.应用光学［M］.北京理工大学出版社，2003：226-230.
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汽车技术，2007（12）：29-32.
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