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激光測距技术实验讲义
第 3 章 激光三角测距实验
3.1 实验目的
学习激光三角测距基本原理;了解激光三角测距的应用;搭建激光三角测距系统,实现
测量距离的显示,掌握激光三角测距技术。
3.2 实验原理
三角位移测量系统是从光源发射一束光到被测物体表面,在另一方向通过成像观察反射
光点的位置,从而计算出物点的位移。由于入射光和反射光构成一个三角形,所以这种方法
被称为三角测量法,又可按入射光线与被测工件表面法线的关系分为直射式和斜射式。
3.2.1 直射式
直射式三角法测量等效光路如图 1 所示。激光器发出的光线,经会聚透镜聚焦后垂直入
射到被测物体表面上,物体移动或表面变化导致入射光点沿入射光轴移动。接收透镜接收来 自入射光点处的散射光,并将其成像在光点位置探测器(如 PSD、CCD)敏感面上。
若光点在成像面上的位移为 x′,利用相似三角形各边之间的比例关系,按下式可求出被测面的位移
得;
式中,a为激光束光轴和接收光轴的交点到接收透镜前主面的距离;b为接收透镜后主面到成
像面中心点的距离;θ1为激光束光轴与接收透镜光轴之间的夹角;θ2为探测器与接收透镜光
轴之间的夹角。
斜射式
3.2 为斜射式三角测量原理图,激光器发出的光与被测面的法线方向成一定角度入射 到被测面上,同样用接收透镜接收光点在被测面的散射光或反射光。
若光点的像在探测器敏感面上移动 x′,利用相似三角形的比例关系,则物体表面沿法
线方向的移动距离为
式中,θ1为激光束光轴与被测面法线之间的夹角;θ2为成像透镜光轴与被测面法线之间的夹角。
为探测器光轴与成像透镜光轴之间的夹角。当θ2为零时,属于斜入射直接收式。
3.2.3 直射式和斜射式特点比较
斜射式可接收来自被测物体的正反射光,比较适合测量表面接近镜面的物体。
直射式接收散射光,适合于测量散射性能好的表面,如果表面较为平滑,则可能由于耦
合到光电探测器的散射光强过弱,使测量无法进行,也就是说可能存在测量盲区。
斜射式入射光光点照射在物体不同的点上,因此无法直接知道被测物体某点的位移情况,
而直射式可以。当然,斜射式也可以通过标定的方法得出位移。
直射式光斑较小,光强集中,不会因被测面不垂直而扩大光斑,而且一般体积较小。斜 射式传感器分辨率高于直射式,但它的测量范围较小,体积较大。斜入射直接收式传感 器的体积和直入射式相当,并且分辨率高于直射式,因此较为常用。
3.3 实验装置
激光笔、二维平移台、CCD 接收器、被测样品、直尺、数码管、单片机。
3.4 实验内容与要求
3.4.1 实验内容
基于斜入射式三角测距原理,利用上述装置搭建激光三角测距系统,对实验装置进行标
定,并利用单片机和数码管进行位移控制和距离显示。
3.4.2 实验步骤
(1) 依据图 3.3 搭建实验系统;
(2) 利用单片机编制位移台的控制程序;
(3) 测距装置标定:利用单片机控制平移台运动,每移动一次,用直尺测出随平移台的被 测样品的位移,同时记录探测器上接收光点的位置坐标;
(4) 利用标定数据拟合出标定曲线——样品运动位移和探测面上光斑位置的关系曲线;
(5) 移动平移台任意位置,记录探测面上光斑位置坐标,算出光斑位移,然后根据标定曲 线得出样品位移,同时,利用单片机实现距离的数码显示,完成测距实验。
3.4.3 要求
(1) 实验前必须预习;
(2) 了解实验内容及其原理;
(3) 完成实验报告。
3.5 思考题
(1)激光三角测距适合应用于哪些场合?
(2)目前常用哪些方法光学测距法?试举例,并说明其优缺点。
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