基于线阵CCD的非接触式高速位移测量传感器设计开题报告

 2020-02-10 11:02
1.目的及意义(含国内外的研究现状分析)


1.1背景及意义


随着科技的不断发展,制造业工艺的不断提高,工业检测行业对于检测方式也提出了越来越高的要求,非接触、高精确、高灵敏度、高速度和便携化成为检测行业目前发展的主要趋势。由于接触式测量工具与被测物接触有一定的碰触压力,产生变形,接触测头会产生横向分辨率的问题,这就降低了检测的速度,对系统造成误差,影响测量精度,另外是对物体表面有损坏,长时间测量磨损接触头,增加了相应的成本,无法满足行业的需求。例如火车铁轨的质量检验,高精度数控机床的在线尺寸测量等一些特殊的场合,无损非接触测量必不可少。现代光电技术的高速发展,对激光三角测距技术的发展起到极大的促进作用。非接触式激光三角测距作为光电检测技术,具有结构简单、检测速度快、实时动态处理、灵活和方便使用等优点,而超声测距、射线测量等方式都存在着抗干扰能力差、精度差、使用不方便和测量频率低等缺点,因此激光三角测距在工业中有着广泛的应用。


激光三角测距会用到CCD、PCD 等光电感受器件,这些器件的像素元已经可以集成到几千甚至上万个,并且像素元尺寸及像素元之间的距离可小至微米级,帧扫描频率可达几十KHz甚至上百KHz,已经完全可以满足高速和高精度的测量要求。把传统的三角法测距与激光结合起来,利用CCD感光进行被测目标物距离信息感知的研究越来越多。该类设备的优势是利用CCD器件的光敏单元尺寸小、扫描速度快的特点,达到一定测量范围内微米级或者大测量范围毫米级的测量精度,并可以进行每秒钟几千甚至上万次的测量,即达到高速高精度的测量。现在该类型传感器广泛应用于各种流水线上产品状态和质量的检测中。例如Keyence公司设计的一款高速激光位移传感器用于流水线产品状态的检测,通过测量流水线产品的高度起伏进而判断产品有无。



1.2 激光三角测距技术的国内外现状


目前国内外对激光三角测距法的研究有两个方面:一类是对激光三角位移传感器本身的研究,旨在研究如何提高传感器的量程、精度和分辨率,这是日本Keyence公司和德国Micro-Epsilon公司致力研究的方向;另一类是激光三角测距传感器在工业生产和日常生活中自动化测量和应用范围的研究,目前的较热的研究方向是利用激光三角位移传感器对周围物体和环境形貌的测量。


高精度位移传感器在国外已经有了很大研究成果,比较突出的公司有Micro-Epsilon公 司、Keyence公司和ZSY公司等。日本公司 Keyence首先推出基于激光三角法测距原理的激光位移传感器,并且在现有的产品中,性能与配置处于世界领先水平,在中国占有绝大一部分市场。LK-G5000系列是 Keyence 公司新推出的一款超高速、高精度的CMOS激光位移传感器,它具有超高的再现性0.005μm、超高的精度±0.02%以及超高的速度392KHz。


德国米铱 Micro-Epsilon 公司的激光位移测量产品也具有良好的性能指标。其激光三角反射式传感器有经济型、双输出、大量程、高频高精度等六个系列,每个系列都有不同的规格型号,可以满足不同的测量要求。其最高水平的测量可达到绝对误差不大于±0.03%FSO,分辨率 0.1μm,最大测量范围 200mm,最高频率 10KHz。


而国内对这类型高精度传感器的研究起步较晚,徐航设计的传感器在测量轴类零件直径方面,测量范围在0.5-50mm,测量精度可以控制在±8μm,但还没有达到投入产品的级别[4],吴东兴利用ARM处理器研究的直径测量系统仿真测试对0.1-0.3mm之间的细丝,误差可控制在0.4%以内,但仍不能用于产品[5]。北京亚飞安智科技有限公司推出了YF-JS与YF-CM两个系列的基于三角法激光位移传感器。最大测量范围可达1000mm,最高分辨率可达1μm,最高测量频率可达2.5KHz。北京精准伟业测控技术有限公司自主开发了各类检测仪器,其中的激光传感器系列中,有基于激光三角位移测量的一维传感器FT20RA和二维传感器FTM-2D两款产品,其中一维的传感器其工作范围为 20至80mm,分辨率为0.5mm,对于测量的实时性以及光路补偿的需求都没有满足。以上所述的产品其测量扫描速度都不很高,基本在几KHz到10KHz。


通过对比可知,国内的产品性能有待提高,激光三角测量硬件系统的研究不够完善,激光三角测量的精度、速度、功能都有待于提高与发展。


21世纪以来,国内各大高校竞相开始了对激光三角测量系统的设计研究与实现,包括天津大学、华中科技大学、上海交通大学、浙江大学等,针对系统光学结构参数设计、硬件电路设计和软件算法设计提出了许多改良方案。


1.2.1 系统光学结构设计


进行系统的光学结构设计时,由于测量原理的限制,量程与测量精度之间存在矛盾,即量程较大时,一般测量精度较低;测量精度较高时,一般量程较小。针对这一问题,杭州电子科技大学的陈建华提出了一种变量程测量方法[6]。

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