发布时间 : 星期一 文章激光三角法测量钢板厚度光学系统设计更新完毕开始阅读55a50857376baf1ffc4faddc
(l)激光束输出功率的不稳定及噪声影响。激光的功率不稳定将造成光强分布不稳定及激光线宽;噪声影响有很多因素,直接影响测量精度。
(2)激光投影质量的影响。由于被测物体的表面特性、测量环境等因素的影响,激光投影质量也会产生误差。在光学元件方面,被测物体方向与成像系统光轴存在一定的夹角,虽然在实际装调过程中调节,但并不能达到理想角度,所以会产生各种象差(彗差、像散、畸变等轴外像差)使实际成像点偏离理想成像点而产生误差。 4.1.2随机误差分析
基于激光三角法厚度绝对测量的实验系统的随机误差可以主要归纳为以下几个方面:
(l)测量装置方面的因素:测量装置采用的CCD探测器在采集信号及电信号处理时会造成随机噪声,在重复测量过程中,会产生离散化采样误差、每次测量时量块的装夹位置也不一致。
(2)测量环境方面的因素:测量主机所在的平台会有外界所带来的轻微的低频震动;仪器所在的实验室气流和温度会有波动,以及空气中尘埃的漂浮等。
(3)操作人员方面的因素:尽管仪器自动采集与处理数据,但测量标准样件是由操作人员装夹并调整操作的,会使被采集的图像分辨质量差、造成较大的离散化采样误差;以及工作人员可以被当做热源引起气流的扰动。
随机误差是一种随机变量,它具有随机变量固有的统计分布规律。设被测量值的真值为x0,各次测量值为xi,若xi中不含有系统误差,则根据对随机误差δi的定义有：
δ
i
= xi - x0
对于一组测量数据,往往用标准差来表述这组数据的分散性。如果这组数据是来自于某测量总体的一个样本,则该组数据的标准差是对
总体标准差的一个估计,称其为样本标准差。
其中该公式中的Vi = Xi?X0定义为残余物差即残差。
§4.2精度分析
本系统采用的是精度很高的传感器,但理论上,仪器的内部还会存在测量误差。这里同样主要介绍光学系统方面[3]。 1.测量系统方面
(1)光学系统的像差会使物体上任一点发出的光束通过光学系统后,不能汇聚在同一点,而是形成一个弥散斑并不能表现出原物的形状。相应的改进方法是在接受透镜的设计中要考虑像差的因素。 (2)光信号的输入与电信号的输出之间呈非线性,相应的改进方法是采取较优的标定方法,之后得到具体的物体位移值。 2.被测物体方面
(l)被测表面的粗糙会对测量精度产生影响,相应的改进方法是多选取几块标准量块进行多次测量,对于有时被测表面产生的阴影和死区,采取两个激光探头发出的激光从相对的两个方向同时对被测物进行扫面,使用单光源、双检测器,最后通过计算融合数据。
(2)由于被测物不总是标准量块,表面会有孔或者缝,使得传感器不能很好的接收反射光。相应的改进方法是采取对称性的光学三角传感器。
(3)被测表面会有材料、光学性质的差异，如透明物体，物体对光的反射或吸收程度会不同于半透明的物体,也不同于不透光的物体,反射率与折射率等因素会引起成像光斑有像差。改进的方法是使传感器的入射透镜和接收透镜的光轴所成的平面与待测表面平行,接受足够的光强,这有利于提高测量分辨率。如果是高度镜面反射则需要采用线偏振光作为光源,利用线偏振光的参数随镜面反射改变。 3.环境影响方面
在温度方面,只能人为的保持周围环境温度稳定,在使用仪器时进行预热;在气流运动方面,使用保护罩保护测量头或者使用风扇更强的搅动测量部分与工件之间的空气;同时在灰尘与污物方面,采取小心的清洁。为了减小环境对系统的影响,要在接收物镜和线阵CCD之间安置一滤光片(激光器发出的红光波长为650nm,其透过率可达百分之九十多,而其它波段的光几乎可以全部滤掉)。同时在激光器和聚光镜之间安置孔径光阑,以减小光斑直径。本系统采用上下探头同时测量,可以消除测量过程中盲区的出现。当被测面有一定的倾斜角,也可以通过两个探头对测量进行补偿,这种测量方法就可明显提高传感器的测量精度。
第五章 总结
激光三角法是本系统采用的基础方法,在现代工业发展的今天,激光三角法是非接触测量中最常用的方法,具有很广的应用范围。应用此种方法可对各种类型物体进行诸如物体表面形貌、厚度、三维等微位移的测量。由于激光三角法具有结构简单、测试速度快、实时处理能力强、使用灵活方便等优点，所以在这里我们将激光三角法作为本系统所采用的基础方法对钢板进行非接触式在线测量进行光学系统的设计，同时对光学系统在测量过程中可能产生的误差进行了表述，并对一些可能影响测量精度的问题提出了修改方法和意见。
不足之处，由于时间紧迫并没有搭建试验装置进行模拟测量，并对测量数据进行误差分析，提出改善方案。并没有通过Zemax等软件设计对光学系统的聚焦透镜和成像透镜进行模拟光路的设计。
体会：光学仪器设计在设计时需要整体的结构考虑，不能只是一味的进行光学系统的设计，在仪器的设计中通过模拟软件或装置模拟搭建来获取数据进行误差分析也是光学系统中非常重要的一部分，通过对测量数据的误差分析我们还需要进一步的对所设计的仪器装置，系统部件参数选择进行优化，以更好的实现设计任务要求。在设计时我们要因地制宜，对要设计加工的对象，作业环境，操作流程特点进行分析，这样才能使我们所设计的系统更具有实用性，高精度和高稳定性等特点。
参考文献
[1] 章小兵.激光三角法测厚研究.中国科学院安徽光学精密机械研究所硕士学位论文,1999 [2] 王晓嘉.高隽.王璐.激光三角法综述.仪器仪表学报,2004
[3] 王军红.江虹.毛久兵.一种提高激光三角法薄板在线厚度测量精度的方法,2011 [4] 黄战华.蔡怀宇.李贺桥.张以谟.三角法激光测量系统的误差分析及消除方法,2002 [5] 迟桂纯.激光三角法微位移测量技术[J].工具技术.1997 [6] 周炳昆,高以致.激光原理[M].北京:国防工业出版社,2000
[7] 黄战华,蔡怀宇,三角法激光测量系统的误差分析及消除方法,光电工程,2002 [8]汤思佳,基于激光三角法厚度绝对测厚技术研究.[硕士学位论文].长春理工大学.2010