激光三角法测量物体位移

课程设计Ⅱ（论文）说明书

题目：激光三角法测量物体位移

学院: 电子工程与自动化学院

专业：光信息科学与技术

学生姓名：

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指导教师：

2014年1月5日

摘要

本文介绍了单点式光学三角法测量物体位移的两种结构一直射式与斜射式，对两种结构的测量原理进行了分析并对其各自的特点进行了阐述。以半导体激光器作为光源，CCD 作为光电探测器件，采用直射式结构设计了一种光电位移传感器。为了提高测量精度，简化计算过程，该课题通过设定一个基准点与实际测量点进行比较得出像点的位移图像,在用软件处理后计算出实际位移。后面对实验误差进行分析和方案进行评价。

关键字：三角法测距；CCD图像传感器；激光；光斑。

引言

激光三角法位移测量的原理是，用一束激光以某一角度聚焦在被测物体表面，然后从另一角度对物体表面上的激光光斑进行成像，物体表面激光照射点的位置高度不同，所接受散射或反射光线的角度也不同，用CCD光

电探测器测出光斑像的位置，就可以计算出主光线的角度，从而计算出物体表面激光照射点的位置高度。当物体沿激光线方向发生移动时，测量结果就将发生改变，从而实现用激光测量物体的位移。

过去，由于成本和体积等问题的限制，其应用未能普及。随着近年来电子技术的飞速发展，特别是半导体激光器和CCD等图象探测用电子芯片的发展，激光三角侧距器在性能改进的同时，体积不断缩小，成本不断降低，正逐步从研究走向实际应用，从实验室走向实际。

用于测量从传感器至目标之间直线距离的激光三角测量传感器已经使用了十多年了，由于数字电子器件和大功率数字信号处理器（DSP）的结合使得激光不再对目标颜色、纹理和周围环境以及环境光线和温度变化那么敏感了，激光三角测量技术方法已经得到了发展。

目录

引言 (1)

1课程设计目的： (3)

2 设计内容 (3)

3 设计要求 (3)

4 方案论证和选择 (3)

4.1 直射式激光三角法原理 (3)

4.2斜射式激光三角法原理 (4)

4.3直射三角法改进一 (6)

4.4 直射式改进方法二 (7)

5 仪器及元件的选择 (8)

6 偏振图像采集 (8)

6.1.1实验光路图 (8)

6.1.2 测量物体位移步骤： (9)

6.2 定标： (9)

6.3测量焦距 (10)

7实验结果与分析 (10)

7.1.1 定标数据 (10)

7.1.2焦距f的测定数据及处理 (10)

7.2b的测量数据及处理 (11)

7.3 物体位移数据： (11)

8 实验评价 (13)

8.1 误差分析： (13)

8.2方案评价 (13)

9. 课设总结 (14)

10. 参考文献 (14)

附件一：实验仪器 (15)

附件二：实验采集图像 (15)

附件三：实验程序 (18)

附件四：实验光路图 (19)

1课程设计目的：

(1) 学习并掌握激光三角法测距的基本原理和方法；

（2）锻炼学生的自主学习和动手能力；

（3）扎实基础，提升能力。

2 设计内容

（1）完成测量光路；

（2）完成测量光路的搭建及物体位移的测量；

（3）分析测量精度；

3 设计要求

（1）掌握激光三角法的测量原理；

（2）掌握CCD 的工作原理与数据处理；

（3）掌握精度计算方法；

4 方案论证和选择

4.1 直射式激光三角法原理

直射式三角法测量物体位移的基本原理如图 1 所示，半导体激光器（ LD ）发出的光束经会聚透镜垂直投射并聚焦到被测物体表面上形成一个光斑，由于物体表面有一定程度的粗糙，这个光斑在物体表面上发生漫反射，其中一部分散射光经过接收透镜成像于 CCD 上，如果被测物体发生微小的位移或者表面高低发生变化，那么物体表面上的光点将沿着激光束的向产生微小的移动，从而光电探测器件 CCD 上的像点也会相应随之移动，通过后续处理电路及计算公式就可求出物体产生的位移。若像点在 CCD 上移动的距离为 N, 被测物体表面移动的距离为M,由三角形相似：

整理后有：

式中，l 为激光束光轴的交点到接受透镜前主面的距离；

l′为接收透镜后主面到成像面中心点的距离；

α为激光束光轴与接收透镜光轴之间的夹角。

图1为直射式三角法测量物体位

4.2斜射式激光三角法原理

斜射式三角法测量物体位移基本原理如图 2 ，半导体激光器 LD 发出的光束经衰减片和被测物体表面的法线成一定角度入射到被测物体表面上，接收透镜接收光

图 2 斜入射式三角测量原理图

点在被测物体表面的散射光，像点在 CCD 上移动距离为 N ，则被测物体表面沿法线方向

的移动距离为M,有：

整理后有：

（2-4）式中，α为激光束光轴和被测物体表面法线的夹角；

β为接收透镜光轴和被测面法线的夹角。

在上述的三角法测量原理钟,要计算被测面的位移量,还有相应的距离,测量数据多,影响系统的测量精确度,在实际应用中,可以使用另一种表述方式,下面我们来讨论下该方式.

z = btanβ tanβ= f/xˊ

被测距离为

z = bf/xˊ

式中，b为激光器光轴与接收透镜光轴之间的距离；

f为接收透镜焦距；

xˊ为接收光点到透镜光轴的距离。其中，b和f均已知，只要测出xˊ的值，就可以求出距离z。只要高准确度地标定b和fˊ值，就可以保证一定的测试不确定度。如图3所示：

但是，此方案中图像只有一个光斑，没有作为基准的参考点，不利于观察和测量，所以提出了直射式改进二方案。