对称式激光位移传感器.pdf

本发明涉及一种用于检测物体位移特别是用于检测路面平整度、路面构造深度等道路质量指标的激光位移传感器，由左、右激光位移传感器和一个设置在二者之间并由二者共用的激光器组成，在左、右激光位移传感器内沿成像光轴方向各设有一组成像镜头和一个光电接收器。工作中，激光器发出的准直激光束照射到被测物体粗糙表面后在照射点形成散射光斑，左、右成像镜头将散射光斑分别在左、右光电接收器上成像，得到左右两组像点，之后通过数据处理，可以得到左右像点在像面光电接收器上的位置，最后根据像点的位置并通过相应的数据处理方法处理后，即可以得到被测物体表面的位移。

1、  一种对称式激光位移传感器，其特征在于具有一个扁盒状壳体(1)，在壳体(1)内腔中部装有一个可向外发出准直激光束的激光器(4)，在激光器(4)两边对称各设置有一个激光位移传感器(I、II)，所说的激光位移传感器(I、II)均由一个用于检测激光照射位置的成像镜头(6)和一个设在成像镜头(6)后的光电接收器(5)组成，激光位移传感器(I、II)共用同一激光器(4)，激光器(4)发出的准直激光束轴线与两激光位移传感器(I、II)成像光轴处在同一个平面内并位于两激光位移传感器(I、II)成像光轴间的夹角的平分线上。

2、  根据权利要求1所述的对称式激光位移传感器，其特征在于激光器(4)通过压紧调整螺钉(7)设置在壳体(1)内腔中心竖轴位置处，其安装位置可沿中心竖轴上下调整；在激光器(4)两侧各设有一个壁径稍大于成像镜头(6)外径的镜头放置槽孔(6f)，成像镜头(6)通过多个压紧调整螺钉(8)设在镜头放置槽孔(6f)内，其安装位置可沿成像光轴的上下方向和左右偏转方向加以调整；光电接收器(5)设置在成像镜头(6)后，由芯片固定座(5a)和安装在芯片固定座(5a)上的光电接收芯片(5b)组成，芯片固定座(5a)上开有调位螺钉孔，通过调位螺钉可使安装在芯片固定座(5a)上的光电接收芯片(5b)沿前后方向及其左右偏转方向加以调整。

对称式激光位移传感器
技术领域
本发明属于光电测量装置技术领域，涉及一种物体位移及其有关质量指标的光电检测装置，特别是一种可用于检测路面平整度、车辙、路面变形病害、路面构造深度等道路质量指标的激光位移传感器。
背景技术
目前用于物体位移检测的激光位移传感器，一般都采用三角成像原理来实现，该类型传感器的主要特点是结构简单、精度高、检测采样频率高，其检测分辨率和精度可根据使用要求通过调整结构参数来确定，能满足高速运动目标的检测，所以该类型的激光位移传感器在工业位移检测、厚度检测、形状检测及振动检测等方面已得到广泛应用。同样，在道路的多项质量指标检测中，如路面的平整度、车辙、构造深度等指标检测中，该类型的激光位移传感器也得到大量应用。这些质量指标在工程质量验收检测、运营道路的养护检测中，都是非常重要的检测内容。
与激光位移传感器在工业检测或实验研究检测等应用方面所不同的是，用于道路检测的激光位移传感器要面临使用条件变化多、使用环境更苛刻等诸多问题。工业用激光位移传感器一般在室内使用，如各种生产线上的尺寸检测等，周围使用环境条件变化小，基本上不存在太阳光的干扰，被测物体表面反射率变化范围小，散射比较均匀，被测表面相对来讲也比较平滑、无污染物等，所以在此类检测应用中无需对激光位移传感器结构采取其它特别的措施就可以达到使用要求。但在道路检测中，路表面的实际状况却要复杂的多，且无固定规律可循。公知的路面按铺设材料分为沥青路面和水泥路面。对于水泥路面，一般来讲路表面的反射强度比较均匀，但也存在特殊的局部镜面和高反射率的材料；另外，水泥路面还存在经过特殊处理的人工刻制沟槽(通常称为路面构造深度)，这些人工刻制的沟槽可用于提高路面抗滑性能。以上这些情况在采用激光位移传感器检测路面指标，特别是检测路面构造深度时，就必须采取必要的措施以减小或消除各种不利因素造成的影响。对于沥青路面，情况就更为复杂，除了路面存在泛油、各种污染物(如油物等)和路面修补等情况外，沥青道路表面的级配设计变化使路面的颗粒大小不一、路面使用材料的不同、结构上的构造深度、路面上的标志线以及路面长期使用后路面的磨光等都对激光位移传感器的检测精度产生影响。
从理论分析和实际状况来看，不管是哪种被测的道路表面，也无论其材料、颜色、反射率、表面粗糙度等是否均匀，它对检测结果造成的影响主要表现在：表面激光散射点经过光学成像镜头成像后，其像点的大小、形状、光强严格来讲是随机变化的，成像的光斑并不均匀对称。在激光位移传感器中，像面上像点光斑的不对称分布是影响激光位移传感器精度的最主要因素。此外，影响激光位移传感器检测精度的另一个重要因素是该传感器中的光电接收芯片的光电特性。当激光位移传感器的接收芯片采用CCD(光电耦合器件)芯片时，由于常用的CCD芯片在光照很强时，会产生饱和拖尾现象，并由此直接造成像点光斑的极大不对称，这对检测结果会产生极大影响，严重降低检测精度。
为克服由于前述各种因素导致激光位移传感器像面上的像点光斑不对称现象对位移检测产生的影响，目前本技术领域采用的做法大致有以下几种情况：
(1).采用抗饱和芯片，用以消除芯片饱和产生的拖尾现象，但该方法还无法减小被测物体表面因反射不均匀或因粗糙度不均匀而引起的检测误差；
(2).在工业检测中根据不同的被测物体表面反射情况，按照其产生的有规律的不同形状的光斑，采用不同的数据处理方法提高检测精度，这对工作场合稳定、被测物体表面有规律的情况是完全可以的，但对被测表面反射情况事先无法知道的道路检测方面，同样还存在由于光斑不对称产生的测量误差；
(3).提高采样频率，利用前一次采样得到的结果，分析判断物体表面的反射光强，然后适时调整激光器发射的激光束的强度，以减小由于反射光强变化大而产生的测量误差。这种方法在很大限度上改进了由于饱和产生的误差，但仍然无法从根本上解决由于物体表面在激光光斑散射的小范围内的反射率不同以及由于存在表面颗粒变化导致成像光斑不对称等因素产生的测量误差。
发明内容
本发明的目的在于对现有技术存在的问题加以解决，提供一种结构合理、使用方便、可减小甚至消除由于成像光斑不均匀或不对称产生的测量误差进而有效提高位移检测精度的对称式激光位移传感器。
用于实现上述发明目的的技术解决方案是这样的：所提供的对称式激光位移传感器具有一个扁盒状壳体，在壳体内腔中部装有一个可向外发出准直激光束的激光器，在激光器两边对称各设置有一个激光位移传感器(左、右激光位移传感器)，所说的激光位移传感器均由一个用于检测激光照射位置的成像镜头和一个设在成像镜头后的光电接收器(CCD、CMOS或PSD)组成，激光位移传感器共用同一激光器，激光器发出的准直激光束轴线及两激光位移传感器成像光轴处在同一个平面内并位于两激光位移传感器成像光轴间的夹角的平分线上。实际工作中，激光器发出的准直激光束照射到被测物体的粗糙表面，在照射点形成散射光斑，光斑左右对称(光斑一般来讲为中心对称型)；左激光位移传感器的成像镜头将散射光斑在左光电接收器上成像，得到一组像点，同时右激光位移传感器的成像镜头也将散射光斑在右光电接收器上成像，得到另一组像点；之后通过数据处理，可以得到左右像点在像面光电接收器上的位置，最后根据像点的位置并通过相应的数据处理方法(对称中心法、光斑重心法、光斑前沿法和光斑后沿法等)处理后，即可以得到被测物体表面的位移。
与现有技术相比，本发明通过两个激光位移传感器对称设置并共用同一个激光器的方式，一次测量获得对称的(左右像点)两组数据，在采用数据处理方法进行计算后，就可以明显减小甚至消除由于成像光斑不均匀或不对称而产生的测量误差，有效提高激光位传感器的位移检测精度。
附图说明
图1是本发明一个具体实施例的结构示意图。
图2是光电接收器部分的侧视结构示意图。
图3是对称式激光位移传感器的工作原理图。
图4是光电接收器出现饱和现象时对称式激光位移传感器的成像原理图。
图5是被测面散射光斑不对称时对称式激光位移传感器的成像原理图。
附图中各标号分别为：1—壳体，2—插头，3—电路板，4—激光器，5—光电接收器，5a—芯片固定座，5b—光电接收芯片(CCD芯片)，5C—芯片固定板，6—成像镜头，6a—物镜，6b—滤光片，6c—镜筒，6d—保护玻璃片，6e—保护玻璃压圈，6f—镜头放置槽孔，7—压紧调整螺钉，8—压紧调整螺钉，9—密封圈，10—盖板，11—被测物面，I—左激光位移传感器，II—右激光位移传感器。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明内容做进一步说明，但本发明的实际制作结构并不仅限于图示的实施例。
参见图1，本发明所述的对称式激光位移传感器由安装在壳体1内的左激光位移传感器I、右激光位移传感器II和设置在二者之间并由二者共用的激光器4组成，激光器4发出的准直激光束轴线位于左、右激光位移传感器I、II成像光轴间的夹角的平分线上，在左、右激光位移传感器I、II内沿成像光轴方向各设有一组成像镜头6，在两成像镜头6的后方分别各设有一个光电接收器5。具体结构设计上，激光器4通过压紧调整螺钉7设置在壳体1内腔中心竖轴位置处，其安装位置可沿中心竖轴上下调整，由此使激光器4可沿图中箭头方向上下调整定位由此使激光器4可沿图中箭头方向上下调整定位；在激光器4两侧各设有一个壁径稍大于成像镜头6外径的镜头放置槽孔6f，由物镜6a、滤光片6b、镜筒6c、保护玻璃片6d、保护玻璃压圈6e组成的成像镜头6通过多个压紧调整螺钉8设在镜头放置槽孔6f内，其安装位置可沿成像光轴的上下方向和左右偏转方向加以调整，由此使成像镜头6可沿图中斜上行箭头方向和β角方向做调整定位；光电接收器5的结构可参见图1和图2，它采用CCD芯片，设置在成像镜头6后，由芯片固定座(CCD芯片固定座)5a和安装在芯片固定座5a上的光电接收芯片(CCD芯片)5b等组成，芯片固定座5a上开有调位螺钉孔，通过调位螺钉可使安装在芯片固定座5a上的光电接收芯片5b沿图中箭头所指的前后方向及其左右偏转方向(图1中a方向)加以调整。
该对称式激光位移传感器的工作原理如图3所示：激光器4发出的准直激光束照射到被测物体的粗糙表面，在照射点形成散射光斑，其分布大小范围为CAB，光斑左右对称；左成像镜头将散射光斑在光电接收器5上成像，得到像点C₁B₁，右成像镜头将散射光斑在光电接收器上成像，得到像点C₂B₂。通过图像处理，可以得到左右像点在像面光电接收器5上的位置；根据像点的位置，通过数据处理可以得到被测物体表面的位移。通常，判定像点在光电接收芯片上位置的方法有光斑前沿法，光斑后沿法，对称中心法，光斑重心法等。在物表面散射均匀时，成像的光斑一般来讲是对称的。在这种情况下，计算像点位置的方法可以采用对称中心法和光斑重心法；也可采用光斑前沿法和光斑后沿法计算像点的位置，其结果仅差一个偏置量，而不影响位移计算。图中字母H所标为检测范围，下同。
图4所示为光电接收器出现饱和现象时对称式激光位移传感器成像原理图。当物体表面散射光很强造成光电接收器芯片饱和时，光电接收器芯片上的成像光斑往往出现拖尾现象，即在光电接收器芯片上，光斑向像元数增加的方向增大较多(图4中0，N分别代表光电接收器的第1像元和第N个像元)。在图4中，A点在左、右光电接收器5上的成像光斑向F₁、F₂方向增大的更多。在这种情况下，不管是采用对称中心法或是采用光斑重心法，根据像点位置计算物体表面位移往往产生较大偏差。由图4可以看出，右光电芯片上的像点光斑按照重心法测出的位移低于被测面，其大小为h₂，左光电芯片上的像点光斑按照重心法测出的位移高于被测面，其大小为h₁，显然，h₁和h₂的平均值可以有效减少或消除测量误差。
物体表面由于散射不均匀而出现光电接收器芯片上的成像光斑分布不均匀或不对称的情况如图5所示，当出现只在AB范围内成像时(物体表面散射均匀时的散射光斑为CAB，见图3)，对应左激光位移传感器的像点范围是A₁B₁，对应右激光位移传感器的像点范围是A2B2。这种情况下，不管是采用对称中心法或是采用光斑重心法，根据像点位置计算物体表面位移往往产生较大偏差。由图5可以看出，右光电芯片上的像点光斑按照重心法(其他方法可以有同样的分析结果)测出的位移低于被测面，其大小为h₂，左光电芯片上的像点光斑按照重心法测出的位移高于被测面，其大小为h₁，显然，h₁和h₂的平均值可以有效减少或消除测量误差。
实际测量中的其他情况都可以简单地归结为以上两种情况。