利用分光镜实现的单透镜激光三角测量系统

摘要

激光三角法作为一种经典的非接触式测量方法，如今正越来越广泛的应用于各行各业，甚至于在军事领域也占有一席之地。目前国内外各大科研机构均以高精度、高稳定性、高环境适应性为发展目标，对激光三角法进行深入研究。本文的研究目标是在保证较高的测量精度的前提下，以减小测量系统的体积的方式提高系统的环境适应性。基于这一目标，本文通过分析激光三角测量光学系统，以一般直射式激光三角法的光学系统为基础，通过引入分光镜的方法在光路中减少了一枚透镜，并采用法线共轴的布局方式，设计了一种单透镜激光三角测量光路系统。此设计实现了测量系统的体积大幅缩小，提高了系统对测量环境的适应力，安装和使用更加简单。经过分析，单透镜光路系统的测量性能相比于一般直射式激光三角法，能够保持较高的测量精度，且能够得到更大的工作范围，并且对测量环境的要求和测量过程都有所简化，但是对于激光光源的功率和稳定性要求都有所提高，所幸如今半导体激光器发展的十分成熟，体积小且功率较大的激光光源很容易找到。
　　 为了通过实验验证单透镜激光三角测量系统的测量性能和可行性，需要配合相应的数据采集系统。本文设计了基于ADC+CPLD+FIFO+USB体系结构的线阵CCD光电测量高速数据采集系统。数据采集系统将包含有被测物信息的光信号转换为电信号，然后经过放大、噪声过滤、采样、存储并通过USB传输给上位机，通过上位机的可视化界面程序对数据进行处理并将结果显示。并按照光路布局要求设计了外盒，将光学和数据采集两部分系统集成并封闭在外盒中。
　　 实验结果表明，单透镜激光三角测量系统是可行的，由于受到系统机械制作的和所选择光学器件参数的影响，系统的测量误差最小能够达到17μm，当测量距离较远时，测量误差会达到100μm左右。而工作范围也因为受到激光光源功率和测量环境的干扰，只能达到500mm以内。系统对被测物的振动参数进行测量时，能够较为准确的对测量范围在70mm以内，振动频率10z以下的振动参数进行较为准确得测量。如果能够对相应光学器件进行更加精确的设计和加工，并使用一体化的标准机械设计，那么系统的测量性能有着很大的提高空间。由于系统体积小巧，整体制作、安装过程也较为简单，测量时的操作简单，对测量环境的适应性有所提高，因此具有一定的发展空间。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 激光三角测量原理

1．2 国内外研究现状

1．3 课题研究的主要内容和结构安排

第2章 单透镜光学系统的设计与测量性能分析

2．1 利用分光镜构造单透镜激光三角测量光学系统

2．1．1 激光三角法光学系统的分析

2．1．2 单透镜激光三角测量系统光路设计

2．1．3 单透镜光学系统器件选择

2．2 单透镜光学系统测量性能分析

2．2．1 光学参数分析

2．2．2 单透镜系统性能参数以及与一般激光三角法的对比

2．3 单透镜光学系统对比一般激光三角法的主要优缺点

2．3．1 系统的各项性能参数的比较

2．3．2 其他方面性能的比较

2．4 本章小结

第3章 数据采集系统设计及两部分系统集成设计

3．1 数据采集系统的工作原理和实现方案

3．1．1 数据采集系统的结构和主要器件选择

3．1．2 系统设计平台及工具

3．2 系统各个模块的设计

3．2．1 CPLD模块的设计与实现

3．2．2 CCD模块设计与实现

3．2．3 A／D模块的设计与实现

3．2．4 FIFO模块的设计与实现

3．2．5 USB模块的设计与实现

3．2．6 可视化界面程序的设计

3．3 光学系统与数据采集系统的集成设计

3．4 本章小结

第4章 系统调试及测量结果分析

4．1 系统安装与调试

4．1．1 硬件焊接

4．1．2 系统安装、测试

4．2 测量结果分析

4．2．1 微位移测量

4．2．2 振动参数测量

4．3 系统误差分析以及改进方法

4．3．1 激光光源不稳定引起的误差及改进方法

4．3．2 工艺误差

4．3．3 调试和定位过程中引起的误差

4．4 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 全文总结

5．2 工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及专利