一种激光位移传感器自动化标定装置及方法
阅读说明：本技术 一种激光位移传感器自动化标定装置及方法 (Automatic calibration device and method for laser displacement sensor ) 是由 刘钧 居冰峰 张文浩 戴霖 陈旺 于 2021-07-09 设计创作，主要内容包括：本发明是一种激光位移传感器自动化标定装置及方法,在运动台面两侧分别布置激光位移传感器与激光干涉仪,并在运动台面上布置光束分析仪以实现光斑测量,标定时,控制标准被测物由量程近端向量程远端步进运动,记录每个采样位置下的激光位移传感器数据、激光干涉仪数据以及光束分析仪数据,完成全量程扫描后,根据不同位置的激光位移传感器读数与激光干涉仪读数计算出线性偏差,以生成标定表进行校准；根据不同位置的截面光斑数据拟合出测量光束的形状及方向,以调整焦点、方向等参数。本发明可实现激光位移传感器的线性偏差与光束形状的单次扫描同时测量,适用于各种量程的激光位移传感器的标定,可显著提升标定精度与生产效率。(The invention relates to an automatic calibration device and method for a laser displacement sensor, wherein the laser displacement sensor and a laser interferometer are respectively arranged on two sides of a motion table board, a light beam analyzer is arranged on the motion table board to realize light spot measurement, and during calibration, a standard measured object is controlled to move from a near end of a range to a far end of the range in a stepping mode, laser displacement sensor data, laser interferometer data and light beam analyzer data at each sampling position are recorded, after full-range scanning is completed, linear deviation is calculated according to readings of the laser displacement sensors at different positions and the readings of the laser interferometers, so that a calibration table is generated for calibration; and fitting the shape and the direction of the measuring beam according to the cross-section light spot data at different positions so as to adjust parameters such as a focus, a direction and the like. The invention can realize the simultaneous measurement of the linear deviation of the laser displacement sensor and the single scanning of the beam shape, is suitable for the calibration of the laser displacement sensor with various measuring ranges, and can obviously improve the calibration precision and the production efficiency.)
技术领域
本发明涉及精密测量及传感技术领域，具体涉及一种激光位移传感器自动化标定装置及方法。
背景技术
激光位移传感器被广泛用于工业自动化领域的距离测量、振动测量、形状测量等，典型应用如点胶机定位、主轴跳动测量、工件尺寸测量、几何面型测量等。激光位移传感器具备高速、高精度、非接触的优良特点，为保障激光位移传感器具有良好的测量精度，必须对其线性度与光束分布进行标定验证。激光位移传感器通过线阵CMOS传感器去获取被测物表面的光点信息，其内部发射镜组、接收镜组以及CMOS传感器的非线性综合作用造成了测量数据的非线性。此外，由镜组安装误差、点胶收缩等原因造成的发射激光束的方向偏差、焦点位置偏差等均会对测量精度与测量性能造成影响。因此必须用高精度仪器对激光位移传感器的线性精度与光束分布进行标定。目前的标定设备单次仅能完成线性标定功能，因而生产效率受限且无法对激光光束形状进行分析。此外，由于激光位移传感器外形多样、量程多种，需要在同一台设备可对多种不同型号的激光位移传感器进行标定，因此也要求标定装置具有良好的通用性与适应性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的问题，提供一种激光位移传感器自动化标定装置及方法。
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：
一种激光位移传感器自动化标定装置，包括水平基座，在所述水平基座上沿其长度方向依次连接有激光位移传感器安装座、运动台座和激光干涉仪安装座，所述激光位移传感器安装座上安装有激光位移传感器，所述激光干涉仪安装座上通过激光干涉仪调整架连接有激光干涉仪，所述运动台座上滑动地连接有运动台面，所述运动台面上设置有光束分析仪、以及分别位于光束分析仪两侧的被测物安装支架和角锥镜安装板，在所述被测物安装支架上的两个相对的表面上分别贴附有标准被测物和半反半透镜，所述半反半透镜与激光位移传感器相对，用于接收激光位移传感器的测量光束并反射照射在标准被测物的表面以及透射通过被测物安装支架后照射在光束分析仪的表面，所述角锥镜安装板()相对于激光干涉仪的一侧面上设有角锥镜，所述激光干涉仪的出光光束照射到角锥镜上后形成回光光束并返回到激光干涉仪产生干涉数据。
进一步的，所述激光位移传感器的测量光束、激光干涉仪的出光光束和回光光束均与运动台面的滑动方向平行，并且所述激光位移传感器的测量光束与激光干涉仪的出光光束共线。
进一步的，所述被测物安装支架上开有通孔和度的楔形槽，所述标准被测物贴附于楔形槽的上侧内表面，所述半反半透镜贴附于楔形槽的下侧内表面，所述被测物安装支架的通孔轴线方向与测量光束的方向一致，测量光束照射到半反半透镜上后，一部分光线被反射到标准被测物上实现距离测量，另一部分光线通过通孔后照射到光束分析仪上实现光斑形状测量，调整被测物安装支架的高度与宽度，使得照射到标准被测物与照射到光束分析仪上的光束光程一致，从而保证线性标定与光斑测量的位置为测量光束的同一位置。
进一步的，所述激光干涉仪调整架至少具有俯仰、偏摆和高度三个自由度的调整结构，通过调整激光干涉仪调整架使得激光干涉仪的出光光束与激光位移传感器的测量光束共线。
进一步的，所述激光位移传感器通过与激光位移传感器安装座之间的配合来控制测量光束的方向。
一种激光位移传感器自动化标定方法，该方法的具体标定过程如下：
首先将待测试的激光位移传感器安装于激光位移传感器安装座上，再将上位机与激光位移传感器、光束分析仪、激光干涉仪与运动台面连接；
上位机控制运动台面运动使得标准被测物位于激光位移传感器的量程中心位置，分别将激光位移传感器与激光干涉仪的读数设置为0；
上位机控制运动台面运动使得标准被测物位于激光位移传感器的量程起点位置，设定运动台面的步进距离d与运动速度v，取激光位移传感器的真实量程为D，则扫描过程会在激光位移传感器的全量程中取n=D/d个位置作为采样点位；
上位机在量程起点位置对激光位移传感器、光束分析仪以及激光干涉仪进行采样，并保存到上位机中，采样完成后，控制运动台面向量程远端运动步进距离d，再次进行采样，重复该运动及采样步骤直至运动台面运动到量程远端；
采样完成后即获得各个采样点位下的激光位移传感器与激光干涉仪的位移测量偏差以及光束分析仪的光斑数据。
进一步的，所述激光干涉仪用于测量出角锥镜的位移，所述光束分析仪用于测量出测量光束截面的形状；根据所有采样点位的位移测量偏差来获取激光位移传感器的线性度曲线；根据所有采样点位的光斑数据来获取测量光束沿光轴的形状；通过减小步进距离d，提升采样点位n的数量，来更准确地测量出线性偏差曲线与光束形状。
进一步的，在获取到所有采样点位下的激光位移传感器与激光干涉仪的测量数据后，通过多项式或样条曲线定量拟合出激光位移传感器的测量数据相对于激光干涉仪的测量数据的变化关系，然后通过等间隔采样生成标定曲线，上传到激光位移传感器中，以显著提升激光位移传感器的测量精度。
进一步的，在获取到所有采样点位下的光束截面的光斑形状后，通过高斯函数拟合出光斑中心在光轴截面上两个垂直方向下的位置与光斑半径，其中；通过对进行最小二乘线性拟合来获取光束在X方向上的偏角；通过对进行最小二乘拟合来获得光束在Y方向上的偏角；通过查找最小光斑半径对应的采样位置来获得测量光束的聚焦位置；根据测量出的偏角与聚焦位置实现测量光束的标定与快速调整。
本发明的有益效果是:
本发明通过将激光位移传感器的线性标定装置与光束测量装置集成到同一台设备上，不仅实现激光位移传感器线性度的高精度标定，而且实现了光束分布的同时标定，显著减少标定工序。其中线性度标定结果可以生成标定表用以激光位移传感器线性精度补偿，而光束分布标定结果可以为激光位移传感器的装调提供指导，从而极大提升标定效率并有效保障标定精度。此外，通过组合不同规格的传感器安装底座以及运动模组可以在同台设备上实现多种型号的激光位移传感器标定，具备通用性与实用性。
附图说明
图1是本发明激光位移传感器线性度与光束分布自动化标定原理示意图；
图2是本发明激光位移传感器线性度与光束分布自动化标定装置示意图；
图3是本发明激光位移传感器测量光束角度偏差示意图；
图4是本发明激光位移传感器测量光束形状示意图；
图5是本发明中某500 mm量程激光位移传感器的线性偏差图。
图中标号说明：1、水平基座，2、激光位移传感器安装座，3、激光位移传感器，4、测量光束，5、标准被测物，6、半反半透镜，7、被测物安装支架，8、光束分析仪，9、角锥镜安装板，10、角锥镜，11、出光光束，12、回光光束，13、激光干涉仪，14、激光干涉仪调整架，15、激光干涉仪安装座，16、运动台面，17、运动台座，18、上位机，19、光斑中心点位置，20、采样位置，21、理论出光方向，22、实际出光方向，23、光斑形状，24、参考位置，25、实际出光光束。
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2所示，一种激光位移传感器自动化标定装置，包括水平基座1，在所述水平基座1上沿其长度方向依次连接有激光位移传感器安装座2、运动台座17和激光干涉仪安装座15，所述激光位移传感器安装座2上安装有激光位移传感器3，所述激光干涉仪安装座15上通过激光干涉仪调整架14连接有激光干涉仪13，所述运动台座17上滑动地连接有运动台面16，所述运动台面16上设置有光束分析仪8、以及分别位于光束分析仪8两侧的被测物安装支架7和角锥镜安装板9，在所述被测物安装支架7上的两个相对的表面上分别贴附有标准被测物5和半反半透镜6，所述半反半透镜6与激光位移传感器3相对，用于接收激光位移传感器3的测量光束4并反射照射在标准被测物5的表面以及透射通过被测物安装支架7后照射在光束分析仪8的表面，所述角锥镜安装板9相对于激光干涉仪13的一侧面上设有角锥镜10，所述激光干涉仪13的出光光束11照射到角锥镜10上后形成回光光束12并返回到激光干涉仪13产生干涉数据，所述激光位移传感器3、光束分析仪8、激光干涉仪13和运动台面16分别与上位机18电连接，用于驱动控制及数据传输。
所述激光位移传感器3的测量光束4、激光干涉仪13的出光光束11和回光光束12均与运动台面16的滑动方向平行，并且所述激光位移传感器3的测量光束4与激光干涉仪13的出光光束11共线。
所述被测物安装支架7上开有通孔和45度的楔形槽，所述标准被测物5贴附于楔形槽的上侧内表面，所述半反半透镜6贴附于楔形槽的下侧内表面，所述被测物安装支架7的通孔轴线方向与测量光束4的方向一致，测量光束4照射到半反半透镜6上后，一部分光线被反射到标准被测物5上实现距离测量，另一部分光线通过通孔后照射到光束分析仪8上实现光斑形状测量，调整被测物安装支架7的高度与宽度，使得照射到标准被测物5与照射到光束分析仪8上的光束光程一致，从而保证线性标定与光斑测量的位置为测量光束4的同一位置。
所述激光干涉仪调整架14至少具有俯仰、偏摆和高度三个自由度的调整结构，通过调整激光干涉仪调整架14使得激光干涉仪13的出光光束11与激光位移传感器3的测量光束4共线。
所述激光位移传感器3通过与激光位移传感器安装座2之间的配合来控制测量光束4的方向。在本实施例中，当需要对不同量程的激光位移传感器3进行标定时，可通过更换激光位移传感器安装座2来适应不同型号的尺寸，此外，特定行程的运动台座17可满足量程小于其行程的激光位移传感器的标定，当需要标定更大量程的激光位移传感器时，通过更换更大行程的运动台座17满足标定需求。
一种激光位移传感器自动化标定方法，该方法的具体标定过程如下：
首先将待测试的激光位移传感器3安装于激光位移传感器安装座2上，再将上位机18与激光位移传感器3、光束分析仪8、激光干涉仪13与运动台面16连接；
上位机18控制运动台面16运动使得标准被测物5位于激光位移传感器3的量程中心位置，分别将激光位移传感器3与激光干涉仪13的读数设置为0；
上位机18控制运动台面16运动使得标准被测物5位于激光位移传感器3的量程起点位置，设定运动台面16的步进距离d与运动速度v，取激光位移传感器3的真实量程为D，则扫描过程会在激光位移传感器3的全量程中取n=D/d个位置作为采样点位；
上位机18在量程起点位置对激光位移传感器3、光束分析仪8以及激光干涉仪13进行采样，并保存到上位机18中，采样完成后，控制运动台面16向量程远端运动步进距离d，再次进行采样，重复该运动及采样步骤直至运动台面16运动到量程远端；
采样完成后即获得各个采样点位下的激光位移传感器3与激光干涉仪13的位移测量偏差以及光束分析仪8的光斑数据。
所述激光干涉仪13用于测量出角锥镜10的位移，所述光束分析仪8用于测量出测量光束4截面的形状；根据所有采样点位的位移测量偏差来获取激光位移传感器3的线性度曲线；根据所有采样点位的光斑数据来获取测量光束4沿光轴的形状；通过减小步进距离d，提升采样点位n的数量，来更准确地测量出线性偏差曲线与光束形状。
在获取到所有采样点位下的激光位移传感器3与激光干涉仪13的测量数据后，通过多项式或样条曲线定量拟合出激光位移传感器3的测量数据相对于激光干涉仪13的测量数据的变化关系，然后通过等间隔采样生成标定曲线，上传到激光位移传感器3中，以显著提升激光位移传感器3的测量精度。
在获取到所有采样点位下的光束截面的光斑形状后，通过高斯函数拟合出光斑中心在光轴截面上两个垂直方向下的位置与光斑半径，其中；通过对进行最小二乘线性拟合来获取光束在X方向上的偏角；通过对进行最小二乘拟合来获得光束在Y方向上的偏角；通过查找最小光斑半径对应的采样位置来获得测量光束4的聚焦位置；根据测量出的偏角与聚焦位置实现测量光束4的标定与快速调整。
如图3所示，激光位移传感器3的实际出光方向22与理论出光方向21会存在一定偏差，通过在不同的采样位置20上测量出光斑的中心点位置19，可以通过最小二乘法拟合出实际出光方向22，从而为调整出光方向提供参考。
如图4所示，激光位移传感器3的实际出射光束25为高斯腰型光束，通过在不同的采样位置20上测量出光斑形状23，可以还原出整个光束的形状，同时可找到光斑最小处对应的参考位置24。
如图5所示，在测量出不同位置的激光位移传感器的数据与激光干涉仪的数据后，可以求取每个采样位置处的数据线性残差，以测量距离为横轴，以线性残差为纵轴，可以绘制出线性偏差图，以完成激光位移传感器线性偏差的标定与验证。
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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