激光三角法大量程小夹角位移测量系统的标定方法研究

　　0 引 言

　　激光三角法具有精度高，响应快，非接触等许多优点，在位移、形状测量中有广泛的应用。激光三角法测位移系统中，光源特性、成像系统性能、光电传感器性能、图像处理算法、标定精度等因素都可能对系统的测量精度和稳定性造成影响[1-2]，这对系统整体设计和各部分功能的实现都提出了较高要求。国外公司已经开发出一些商用产品，精度和稳定性都有一定的保证，例如，KEYENCE 公司的LK-2500 量程为200mm，测量精度为±0.1%，Micro-Epsilon 公司的 optoNCDT2200c 量程为40mm，精度为±0.03%。国内对这方面的研究和应用也很多，在分析影响系统测量精度的因素、提高测量系统应用范围、减少测量环境对测量稳定性影响等方面的研究都有一些进展[3]，但是商品化成果不多，而且与国外产品的技术水平存在一定差距。

　　分析这些产品和应用的激光三角测量光路，发射激光束与测量光轴的理想夹角是 45°，这时线性度最好。即使夹角减小，也都不小于15°，因为线性度随夹角的减小迅速恶化，所以传统的激光三角法测量技术都应用于小量程场合。

　　在本文的研究中，被测物体在口径60～100 mm、长度2000～4000 mm 的狭长管道内运动，发射激光束与测量光轴的理想夹角只有2°左右，系统像点位置-位移关系具有很强的非线性，最近和最远点的位移测量误差相差几十倍，对系统设计和精度保障提出了很高的要求，尤其是标定方法和数据处理技术。标定是激光三角法测量系统设计的最后一个环节。标定一旦完成，测量系统的输入输出特性也确定下来，同时标定误差会直接引入测量的最后结果中[4]，因此在激光三角法测量系统中的重要性尤其突出。设计高性能的标定方法，对于大量程激光三角法位移测量系统有重要的意义。目前常见的标定方法有逐段逼近、曲线拟合、回归分析等[5-6]，但是都有一定的局限。为了提高测量系统的精度和稳定性，本文从提高像点-位移曲线标定精度的角度出发，综合常见激光三角测量系统参数标定方法并进行改进，研究和设计高精度、稳定的标定技术和数据处理方法。

　　1 大量程激光三角法测量原理

　　测量系统原理如图1 所示，采用直射式激光三角法以取得较大的测量范围。沿激光光束方向运动的物体位于物空间中，成像透镜后方的CCD 位于像空间中。运动物体对入射激光束产生漫反射，光点通过透镜成像在CCD 上，图中只画出了主光线方向。当系统参数确定后，物空间中物体位置与像空间中CCD 上像点位置一一对应。通过像点位置，可以测得物体运动的位置。

　　根据斯凯普夫拉格条件(Scheimpflugprinciple)，为保证光束方向上的反射光点都能成像在CCD 上，应该调节物面、像面、透镜主面相交于一点A，如图1 所示。因此有：