激光三角法測(cè)量物體位移光電檢測(cè)課程設(shè)計(jì)

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1、激光三角法測(cè)量物體位移《光電檢測(cè)課程設(shè)計(jì)》題目名稱激光三角法測(cè)位移學(xué)生姓名毛啟盛專業(yè)測(cè)控技術(shù)與儀器學(xué)號(hào)120211319指導(dǎo)教師王凌云光電工程學(xué)院2015年12月激光三角法測(cè)量物體位移摘要本課程設(shè)計(jì)基于激光三角法原理對(duì)物體較小范圍內(nèi)的移動(dòng)進(jìn)行測(cè)量。在長度、距離及三位形貌等的測(cè)試中有廣泛應(yīng)用。通過激光三角法兩個(gè)方案直射式和斜射式的特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)條件，選擇最合適的方案進(jìn)行測(cè)量。本次測(cè)量最大的特點(diǎn)就是非接觸式測(cè)距，實(shí)際中對(duì)非接觸式測(cè)距一般很難知道物體到成像透鏡的距離，可由成像透鏡焦距以及激光光線和物體散射光線組成的三角形的邊長計(jì)算出該距離。通過定標(biāo)，得出透鏡上成像距離與物體像移動(dòng)距離間的

2、對(duì)應(yīng)關(guān)系，用此標(biāo)尺作為計(jì)算移動(dòng)位移的標(biāo)準(zhǔn)。移動(dòng)物體采集光斑圖像，用matlab軟件對(duì)圖像處理進(jìn)行處理，計(jì)算像的移動(dòng)距離，再根據(jù)幾何關(guān)系推導(dǎo)出物體的實(shí)際移動(dòng)距離。在最后計(jì)算出該方案的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，并對(duì)方案產(chǎn)生的誤差進(jìn)行分析，提出改進(jìn)意見。設(shè)計(jì)方案光路簡單，方便快捷，受環(huán)境影響小而且測(cè)量精確度較高。關(guān)鍵詞：激光三角法；測(cè)距；定標(biāo)；CCD；誤差分析激光三角法測(cè)量物體位移目錄引言11.設(shè)計(jì)任務(wù)12.激光三角法測(cè)距基本原理13.方案論證和選擇23.1激光三角法測(cè)距現(xiàn)狀23.2測(cè)量方案23.3方案比較與選擇43.4器件選擇64.方案驗(yàn)證步驟及數(shù)據(jù)記錄64.1方案驗(yàn)證步驟64.2測(cè)量數(shù)據(jù)記錄64

3、.2.1測(cè)量獲得成像透鏡焦距64.2.2定標(biāo)74.2.3移動(dòng)物體測(cè)量位移75.測(cè)量數(shù)據(jù)處理85.1各個(gè)距離測(cè)量值計(jì)算85.2定標(biāo)計(jì)算95.3光斑位移量計(jì)算105.4夾角和物體實(shí)際移動(dòng)位移計(jì)算106.誤差分析及方案評(píng)價(jià)116.1相對(duì)誤差和絕對(duì)誤差計(jì)算116.2誤差分析126.3設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)127.課題分析評(píng)價(jià)138.課設(shè)總結(jié)13激光三角法測(cè)量物體位移參考文獻(xiàn)14附錄1實(shí)驗(yàn)器件清單15附錄2實(shí)驗(yàn)光路圖16附錄3圖像處理程序17附錄4光斑圖像處理后灰度圖18附錄5物體移動(dòng)光斑圖19激光三角法測(cè)量物體位移激光三角法測(cè)量物體位移第18頁共19頁激光三角法測(cè)量物體位移引言激光具有方向性好、單色

4、性好、亮度高等特點(diǎn)，因此利用它們作為測(cè)距的發(fā)射源有很多優(yōu)勢(shì)，比如測(cè)量速度快、精度高、測(cè)距遠(yuǎn)等。隨著半導(dǎo)體激光器的出現(xiàn)，激光測(cè)距正向小型、快速、低功耗、低成本和人眼安全方向發(fā)展。目前激光測(cè)距技術(shù)主要有脈沖測(cè)距、相位測(cè)距、激光干涉法測(cè)距、激光三角法測(cè)距等。脈沖激光測(cè)距的主要特點(diǎn)是單次測(cè)量時(shí)間短、測(cè)距遠(yuǎn)、無需合作目標(biāo)、隱蔽和安全性好。但測(cè)量精度相對(duì)低，一般為米級(jí)精度。相位激光測(cè)距，其特點(diǎn)是測(cè)量精度高，能夠達(dá)到毫米級(jí)別，但要求使用連續(xù)激光器，單次測(cè)量時(shí)間較長，測(cè)量較遠(yuǎn)距離時(shí)，需要在目標(biāo)處放置合作目標(biāo)。對(duì)于小型或便捷式激光測(cè)距設(shè)備而言，由于受到激光器功率的限制，相位激光測(cè)距的測(cè)距一般不大，通

5、常為百米以內(nèi)。干涉法激光測(cè)距，其特點(diǎn)是測(cè)量精度較高（達(dá)到微米級(jí)）。但其測(cè)量精度容易受大氣起伏的影響，而且要求基座采用笨重的儀器設(shè)備。激光三角法測(cè)距，其特點(diǎn)是簡便、精度高、適合測(cè)量微小位移。但其測(cè)量精度受光學(xué)系統(tǒng)和CCD成像系統(tǒng)分辨率的限制，系統(tǒng)對(duì)接收機(jī)器件的要求也較高，同時(shí)不能用非匹配表面物體和透明物體作為被測(cè)目標(biāo)。1.設(shè)計(jì)任務(wù)（1）掌握激光三角法的測(cè)量原理；（2）掌握CCD的工作原理與數(shù)據(jù)處理；（3）設(shè)計(jì)測(cè)量光路；（4）完成測(cè)量光路的搭建及物體位移的測(cè)量；（5）分析測(cè)量精度；2.激光三角法測(cè)距基本原理第18頁共19頁激光三角法測(cè)量物體位移在被測(cè)物體表面上方，用一束激光以一定角度照

6、射，激光在物體表面發(fā)生散射或者反射，在另一角度用成像系統(tǒng)對(duì)激光散射或者反射的光進(jìn)行匯聚成像，當(dāng)被測(cè)物體位置發(fā)生變化時(shí)，被測(cè)物體上的激光照射所產(chǎn)生的光斑的位置變化，光散射或者反射的角度也會(huì)發(fā)生變化，用光學(xué)系統(tǒng)對(duì)光線進(jìn)行匯聚，光斑在成像系統(tǒng)CCD上會(huì)發(fā)生位移，從而在計(jì)算機(jī)屏幕上也可觀察到光斑的相應(yīng)移動(dòng)。通過matlab軟件對(duì)采集的圖像進(jìn)行處理可以得到兩個(gè)光斑間的距離，再通過最初定標(biāo)得到的比例尺，換算出在它CCD表面上的移動(dòng)距離。由于激光出射光線和反射（散射）光線構(gòu)成一個(gè)三角形，對(duì)光斑位移的計(jì)算，幾何三角和激光器運(yùn)用其中，所以稱此方法為激光三角法測(cè)距。按照入射激光光束和被測(cè)物體表面法線的

7、角度關(guān)系，一般分為直射式和斜射式兩種方式。3.方案論證和選擇3.1激光三角法測(cè)距現(xiàn)狀激光三角法測(cè)距之初，所選擇的激光器體積大，受環(huán)境干擾情況嚴(yán)重，因此測(cè)量精度大大下降，并未得到廣泛應(yīng)用。近年來隨著半導(dǎo)體技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展有了突飛猛進(jìn)的成果，半導(dǎo)體激光器的出現(xiàn)使得測(cè)量光路更加簡單，并且受環(huán)境干擾性小，計(jì)算機(jī)對(duì)圖像的處理使計(jì)算距離更加精確、快速，因此激光三角法測(cè)試技術(shù)在測(cè)量物體位移方面得到廣泛應(yīng)用。激光三角法測(cè)量常采用直射式和斜射式兩種結(jié)構(gòu)，因此有直射式和斜射式兩種