一种具有角度漂移检测的激光三角位移测量装置及方法
阅读说明：本技术 一种具有角度漂移检测的激光三角位移测量装置及方法 (Laser triangular displacement measuring device and method with angle drift detection function ) 是由 刘钧 居冰峰 戴霖 张文浩 王嘉琪 于 2021-07-09 设计创作，主要内容包括：本发明是一种具有角度漂移检测的激光三角位移测量装置及方法,该装置包括激光二极管、准直镜组、焦距调整镜组、分束镜、位移测量感光元件、角漂测量感光元件、底板温度传感器和驱动处理电路；所述分束镜、焦距调整镜组、角漂测量感光元件三者实现对发射光角度漂移的测量,解决了单纯通过温度系数补偿难以消除角漂干扰的问题,结合温度传感器读数和温度系数的标定,可有效抑制传感器的温漂和长期工作中由于发射镜组与光源的相对位置变化造成的测量误差。该装置可广泛用于需要在宽工作温度下保持高精度的非接触测量场合。(The invention relates to a laser triangular displacement measuring device with angle drift detection and a method thereof, wherein the device comprises a laser diode, a collimating lens group, a focal length adjusting lens group, a beam splitter, a displacement measurement photosensitive element, an angle drift measurement photosensitive element, a bottom plate temperature sensor and a driving processing circuit; the beam splitter, the focal length adjusting mirror group and the angle drift measuring photosensitive element realize the measurement of the angle drift of emitted light, solve the problem that the angle drift interference is difficult to eliminate by the temperature coefficient compensation alone, and can effectively inhibit the temperature drift of the sensor and the measurement error caused by the relative position change of the emitting mirror group and the light source in long-term work by combining the reading of the temperature sensor and the calibration of the temperature coefficient. The device can be widely used in non-contact measurement occasions where high precision needs to be kept at wide working temperature.)
技术领域
本发明涉及激光三角测量技术领域，具体涉及一种具有角度漂移检测的激光三角位移测量装置及方法。
背景技术
激光三角法位移传感器的工作环境常常不具有恒温条件，且传感器内部的电子器件是热源，工作时有温升现象，这使得温漂成为这类传感器在实际应用中面临的突出问题，目前市面上的传感器温漂系数一般在0.01%-0.03% F.S./℃，还不足以满足一些精密测量场合的需求。
激光三角测量中，探头温度变化造成的测量误差成因主要可以分为以下3类：1)安装底板和内部各元件的热胀冷缩，产生了相对位置或角度的变化，改变了原有测量光路的几何关系；2)激光二极管的温度特性引起模式跳跃或发射波长变化造成的发射光角度漂移；3)接收端光敏元件在不同的温度下，特性发生变化。
其中各元件的热胀冷缩可视作与温度成线性关系，因此第1类成因可以通过测量关键元件的温度乘以一温度系数加以补偿。现有的激光三角法位移传感器感光元件一般是线阵CCD或CMOS，且结合了较可靠的光斑提取和亚像素定位算法获得测量结果，因此第3类成因的影响已经非常小。而第2类成因除环境温度外，还受激光二极管工作电流等因素影响，难以通过温度系数补偿实现完全消除。
现有系统中，抑制温漂主要的方案一是从探头材料入手，选用低热膨胀系数的材料，但这可能带来制造难度、成本和重量的增加；二是用温度修正系数加以补偿，但根据上述讨论，该方法对出射光角度漂移造成的误差效果有限；三是用保护壳等方式控制探头温度，该方案一般需要循环水源或其它温度控制手段，增加了系统的复杂度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的问题，提供一种具有角度漂移检测的激光三角位移测量装置及方法。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
一种具有角度漂移检测的激光三角位移测量装置，包括安装底板、以及设置在所述安装底板上激光二极管、发射镜组、接收镜组、位移测量感光元件和驱动处理电路，所述激光二极管、发射镜组与被测物位于同一轴线上，使得经激光二极管发射的激光由发射镜组聚焦后在被测物表面汇聚于一点，所述接收镜组位于被测物表面散射或反射的光路上，所述位移测量感光元件与接收镜组的后端相对，便于被测物表面散射或反射的光线经接收镜组聚焦后在位移测量感光元件上成实像，所述驱动处理电路分别电连接激光二极管和位移测量感光元件，用于驱动激光二极管发射激光以及接收处理位移测量感光元件的成像数据。
进一步的，在所述发射镜组与被测物之间设有一分束镜，用于将经过发射镜组的发射光束分为互相垂直的两束，并使其中一束聚焦到被测物表面，另一束由一焦距调整镜组调整焦点并经过一中性密度滤光片衰减后在角漂测量感光元件上成实像，所述焦距调整镜组、中性密度滤光片和角漂测量感光元件在安装底板上同轴线设置，所述角漂测量感光元件电连接驱动处理电路，用于将成像数据传输至驱动处理电路中处理。
进一步的，所述发射镜组、接收镜组和焦距调整镜组的光轴共面设置。
进一步的，所述安装底板上设有底板温度传感器，用于测量安装底板温度，所述位移测量感光元件的安装电路板上设有感光元件温度传感器，用于位移测量感光元件的温度，所述底板温度传感器和感光元件温度传感器分别电连接驱动处理电路，用于将温度数据传输至驱动处理电路中。
进一步的，所述位移测量感光元件和角漂测量感光元件为CCD或CMOS型线阵感光元器件。
一种具有角度漂移检测的激光三角位移测量方法，该方法包括以下步骤：
步骤a）构建具有角度漂移检测的激光三角位移测量装置；
步骤b）对具有角度漂移检测的激光三角位移测量装置进行标定，具体操作为：将被测物移动到量程内均匀选取的n个标定点上，各标定点与探头前端面的距离为、……，记录位移测量感光元件上的光斑位置、角漂测量感光元件上的光斑位置、底板温度传感器的温度读数、感光元件温度传感器的温度读数，将具有角度漂移检测的激光三角位移测量装置放置于不同的环境温度下重复上述标定操作，其中必须包括一组探头标准工作温度下的标定数据；
步骤c）通过步骤b）中的数据，建立标准工作温度下的位移测量值与位移测量感光元件上的光斑位置的映射关系，即标准工作温度下的探头标定曲线，通过该映射关系推算得到的测量值为探头的原始测量值。
步骤d）当环境温度与标准工作温度不一致时，探头内部的各元件发生相对尺寸变化，造成此时的测量结果出现漂移，要对探头的漂移进行补偿，即通过探头采集的、、物理量计算得到补偿量，使得实际位移、探头测量值之间存在如下关系：
，
在出射光角度发生的漂移时传感器光路的改变，取为发射镜组光学中心到探头前端面的距离，为接收镜组光学中心到探头前端面的距离，为探头的测量基线长度，为被测物相对于传感器基准面的实际位置，发生角度漂移后，测量结果存在误差：
，
当很小时，，，将两者代入式补偿式有：
，
式中，与角漂测量感光元件上的光斑位置变化之间的对应关系可以通过光学设计仿真得到，、、由传感器的实际光机设计确定，探头被测物的实际位移可由传感器测量值近似替代，故通过测量即可求得出射光角度漂移引入的测量误差，即，设传感器的实际漂移可分为与出射光角度漂移有关的分量和与之无关的分量的和，即：
，
则前者通过所设计的角漂测量光路得到测量和补偿；通过步骤b）中不同温度下的实验数据，得到各个位置下，传感器在不同温度下得到的原始读数与实际位置的差值，减去本步骤中得到的，求得，并通过多元线性回归或样条插值手段建立与出射光角漂无关部分温漂与原始位移测量值、、之间的关系，即：
；
步骤e）利用步骤c）得到的标定曲线和步骤d）得到的补偿模型，获得修正了出射光角度漂移和温漂的测量结果，用下式表示为：
。
本发明的有益效果是:
（1）引入角漂测量光路，实现对出射光的角度漂移造成的测量误差的针对性补偿，避免了温漂中的非线性因素造成的干扰。
（2）内部温度传感器的布置位置符合激光三角测量系统的温漂来源，能有效反映关键部件的温度变化。
（3）通过标定实验获取系统补偿模型，能对各温度、各量程位置的测量值漂移实现补偿。
（4）对因温度变化造成的漂移和因光源长期工作或工作电流改变造成的出射光角度漂移均有抑制作用。
附图说明
图1为本发明装置的整体结构原理示意图；
图2为本发明获取s与z之间映射关系的标定过程的示意图；
图3为出射光发生角度漂移时，角漂测量光路和及接收光路的变化及其造成的测量误差示意图；
图4为本发明装置的整体结构实施例示意图；
图5为环境温度从10℃至55℃周期性变化时，实施例的原始测量值、仅采用温度系数补偿后的测量值和经所述温漂补偿方法补偿后的测量值；
图6是在20℃至45℃温度范围内，对量程内不同位置的被测物进行测量时，实施例的原始温度漂移、仅采用温度系数补偿后的温度漂移和经所述温漂补偿方法补偿后的温度漂移(均以20℃下的测量值为基准)。
图中标号说明：1-激光二极管，2-发射镜组，3-被测物，4-焦距调整镜组，5-分束镜，6-接收镜组，7-中性密度滤光片，8-安装底板，9-位移测量感光元件，10-角漂测量感光元件、11-底板温度传感器，12-感光元件温度传感器，13-驱动处理电路。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。
如图1和图4所示，一种具有角度漂移检测的激光三角位移测量装置，包括安装底板8、以及设置在所述安装底板8上激光二极管1、发射镜组2、接收镜组6、位移测量感光元件9和驱动处理电路13，所述激光二极管1、发射镜组2与被测物3位于同一轴线上，使得经激光二极管1发射的激光由发射镜组2聚焦后在被测物3表面汇聚于一点，所述接收镜组6位于被测物3表面散射或反射的光路上，所述位移测量感光元件9与接收镜组6的后端相对，便于被测物3表面散射或反射的光线经接收镜组6聚焦后在位移测量感光元件9上成实像，所述驱动处理电路13分别电连接激光二极管1和位移测量感光元件9，用于驱动激光二极管1发射激光以及接收处理位移测量感光元件9的成像数据。
在所述发射镜组2与被测物3之间设有一分束镜5，用于将经过发射镜组2的发射光束分为互相垂直的两束，并使其中一束聚焦到被测物3表面，另一束由一焦距调整镜组4调整焦点并经过一中性密度滤光片7衰减后在角漂测量感光元件10上成实像，角漂测量感光元件10上的光斑位置变化与出射光角漂量成近似线性关系，实现对出射光束角漂量的测量，所述焦距调整镜组4、中性密度滤光片7和角漂测量感光元件10在安装底板8上同轴线设置，所述角漂测量感光元件10电连接驱动处理电路13，用于将成像数据传输至驱动处理电路13中处理。
所述发射镜组2、接收镜组6和焦距调整镜组4的光轴共面设置，本实施例中，出射光轴与接收光轴的焦点位于安装底板8前端面120mm处，探头的量程为±40mm。
所述安装底板8上设有底板温度传感器11，用于测量安装底板8温度，所述位移测量感光元件9的安装电路板上设有感光元件温度传感器12，用于位移测量感光元件9的温度，所述底板温度传感器11和感光元件温度传感器12分别电连接驱动处理电路13，用于将温度数据传输至驱动处理电路13中，在本实施例中，所用的温度传感器为NST1001型传感器，其在-20℃至85℃范围内最大误差为±0.5℃，分辨率0.0625℃。
所述位移测量感光元件9和角漂测量感光元件10为CCD或CMOS型线阵感光元器件，在本实施例中，位移测量感光元件9和角漂测量感光元件10采用CMOS线阵感光元器件。
一种具有角度漂移检测的激光三角位移测量方法，该方法包括以下步骤：
步骤a）构建具有角度漂移检测的激光三角位移测量装置；
步骤b）对具有角度漂移检测的激光三角位移测量装置进行标定，具体操作为：将被测物3移动到量程内均匀选取的n个标定点上，各标定点与探头前端面的距离为、……，记录位移测量感光元件9上的光斑位置、角漂测量感光元件10上的光斑位置、底板温度传感器11的温度读数、感光元件温度传感器12的温度读数，将具有角度漂移检测的激光三角位移测量装置放置于不同的环境温度下重复上述标定操作，其中必须包括一组探头标准工作温度下的标定数据，本实施例中，选取20℃；
步骤c）通过步骤b）中的数据，建立标准工作温度下的位移测量值与位移测量感光元件9上的光斑位置的映射关系，即标准工作温度下的探头标定曲线，通过该映射关系推算得到的测量值为探头的原始测量值。
步骤d）当环境温度与标准工作温度不一致时，探头内部的各元件发生相对尺寸变化，造成此时的测量结果出现漂移，要对探头的漂移进行补偿，即通过探头采集的、、物理量计算得到补偿量，使得实际位移、探头测量值之间存在如下关系：
，
如图3所示，在出射光角度发生的漂移时传感器光路的改变，取为发射镜组2光学中心到探头前端面的距离，为接收镜组6光学中心到探头前端面的距离，为探头的测量基线长度，为被测物3相对于传感器基准面的实际位置，发生角度漂移后，测量结果存在误差：
，
当很小时，，，将两者代入式补偿式有：
，
式中，与角漂测量感光元件上的光斑位置变化之间的对应关系可以通过光学设计仿真得到，在本实施例中，= 14.25mrad/μm，、、由传感器的实际光机设计确定，在本实施例中，=21.5mm、=32mm、=55.7mm，探头被测物3的实际位移可由传感器测量值近似替代，故通过测量即可求得出射光角度漂移引入的测量误差，即，设传感器的实际漂移可分为与出射光角度漂移有关的分量和与之无关的分量的和，即：
，
则前者通过所设计的角漂测量光路得到测量和补偿；
通过步骤b）中不同温度下的实验数据，得到各个位置下，传感器在不同温度下得到的原始读数与实际位置的差值，减去本步骤中得到的，求得,即，并通过多元线性回归或样条插值手段建立与出射光角漂无关部分温漂与原始位移测量值、、之间的关系，即：
；
在本实施例中先通过公式建立与、、之间的关系，通过对实测数据的拟合，求解上述公式中、、的数值，即可得到、、之间的关系，即，可见引入角漂测量光路实现了对与的分解和分别修正；
步骤e）利用步骤c）得到的标定曲线和步骤d）得到的补偿模型，获得修正了出射光角度漂移和温漂的测量结果，用下式表示为：
，
作为对比，可以按照上一步的形式建立与温漂与原始位移测量值、、之间的关系，即，将两种方式补偿后的误差作对比，可以判断引入角漂测量光路的有效性。
如图5所示，其展示了环境温度从10℃至55℃周期性变化时，实施例的原始测量值、仅采用温度系数补偿后的测量值和经所述温漂补偿方法补偿后的测量值。可以看出，单纯采用温度系数补偿，虽然已经可以将温漂大幅抑制，但仍残留有部分长期漂移，在引入角漂测量光路数据后，测量结果更为稳定。
如图6所示，其展示了在20℃至45℃温度范围内，对量程内不同位置的被测物进行测量时，实施例的原始温度漂移、仅采用温度系数补偿的温度漂移和经所述温漂补偿方法补偿后的温度漂移(均以20℃下的测量值为基准)。可以看出，引入角漂测量光路数据后，温漂基本得到消除，测量结果的精度得到了显著提高。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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