專利名稱：對稱式激光位移傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光電測量裝置技術(shù)領(lǐng)域,涉及一種物體位移及其有關(guān) 質(zhì)量指標(biāo)的光電檢測裝置，特別是一種可用于檢測路面平整度、車轍、 路面變形病害、路面構(gòu)造深度等道路質(zhì)量指標(biāo)的激光位移傳感器。
背景技術(shù)：
目前用于物體位移檢測的激光位移傳感器, 一般都采用三角成像 原理來實現(xiàn)，該類型傳感器的主要特點是結(jié)構(gòu)簡單、精度高、檢測采 樣頻率高，其檢測分辨率和精度可根據(jù)使用要求通過調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)來 確定，能滿足高速運動目標(biāo)的檢測，所以該類型的激光位移傳感器在 工業(yè)位移檢測、厚度檢測、形狀檢測及振動檢測等方面已得到廣泛應(yīng) 用。同樣，在道路的多項質(zhì)量指標(biāo)檢測中，如路面的平整度、車轍、 構(gòu)造深度等指標(biāo)檢測中，該類型的激光位移傳感器也得到大量應(yīng)用。 這些質(zhì)量指標(biāo)在工程質(zhì)量驗收檢測、運營道路的養(yǎng)護(hù)檢測中，都是非 常重要的檢測內(nèi)容。
與激光位移傳感器在工業(yè)檢測或?qū)嶒炑芯繖z測等應(yīng)用方面所不 同的是，用于道路檢測的激光位移傳感器要面臨使用條件變化多、使 用環(huán)境更苛刻等諸多問題。工業(yè)用激光位移傳感器一般在室內(nèi)使用， 如各種生產(chǎn)線上的尺寸檢測等，周圍使用環(huán)境條件變化小，基本上不 存在太陽光的干擾,被測物體表面反射率變化范圍小,散射比較均勻， 被測表面相對來講也比較平滑、無污染物等，所以在此類檢測應(yīng)用中 無需對激光位移傳感器結(jié)構(gòu)采取其它特別的措施就可以達(dá)到使用要 求。但在道路檢測中，路表面的實際狀況卻要復(fù)雜的多，且無固定規(guī) 律可循。公知的路面按鋪設(shè)材料分為瀝青路面和水泥路面。對于水泥 路面， 一般來講路表面的反射強度比較均勻，但也存在特殊的局部鏡面和高反射率的材料；另外，水泥路面還存在經(jīng)過特殊處理的人工刻 制溝槽(通常稱為路面構(gòu)造深度)，這些人工刻制的溝槽可用于提高路 面抗滑性能。以上這些情況在采用激光位移傳感器檢測路面指標(biāo)，特 別是檢測路面構(gòu)造深度時,就必須采取必要的措施以減小或消除各種 不利因素造成的影響。對于瀝青路面，情況就更為復(fù)雜,除了路面存 在泛油、各種污染物(如油物等)和路面修補等情況外，瀝青道路表面 的級配設(shè)計變化使路面的顆粒大小不一、路面使用材料的不同、結(jié)構(gòu) 上的構(gòu)造深度、路面上的標(biāo)志線以及路面長期使用后路面的磨光等都 對激光位移傳感器的檢測精度產(chǎn)生影響。
從理論分析和實際狀況來看，不管是哪種被測的道路表面，也無 論其材料、顏色、反射率、表面粗糙度等是否均勻，它對檢測結(jié)果造 成的影響主要表現(xiàn)在表面激光散射點經(jīng)過光學(xué)成像鏡頭成像后，其 像點的大小、形狀、光強嚴(yán)格來講是隨機變化的，成像的光斑并不均 勻?qū)ΨQ。在激光位移傳感器中，像面上像點光斑的不對稱分布是影響 激光位移傳感器精度的最主要因素。此外，影響激光位移傳感器檢測 精度的另一個重要因素是該傳感器中的光電接收芯片的光電特性。當(dāng) 激光位移傳感器的接收芯片采用CCD(光電耦合器件)芯片時，由于常 用的CCD芯片在光照很強時，會產(chǎn)生飽和拖尾現(xiàn)象，并由此直接造成 像點光斑的極大不對稱，這對檢測結(jié)果會產(chǎn)生極大影響，嚴(yán)重降低檢 測精度。
為克服由于前述各種因素導(dǎo)致激光位移傳感器像面上的像點光 斑不對稱現(xiàn)象對位移檢測產(chǎn)生的影響，目前本技術(shù)領(lǐng)域采用的做法大 致有以下幾種情況
(1) .采用抗飽和芯片，用以消除芯片飽和產(chǎn)生的拖尾現(xiàn)象，但該 方法還無法減小被測物體表面因反射不均勻或因粗糙度不均勻而引 起的檢測誤差； (2) .在工業(yè)檢測中根據(jù)不同的被測物體表面反射情況,按照其產(chǎn)生的有規(guī)律的不同形狀的光斑，采用不同的數(shù)據(jù)處理方法提高檢測精 度，這對工作場合穩(wěn)定、被測物體表面有規(guī)律的情況是完全可以的， 但對被測表面反射情況事先無法知道的道路檢測方面，同樣還存在由
于光斑不對稱產(chǎn)生的測量誤差；
(3).提高采樣頻率，利用前一次采樣得到的結(jié)果，分析判斷物體 表面的反射光強，然后適時調(diào)整激光器發(fā)射的激光束的強度，以減小 由于反射光強變化大而產(chǎn)生的測量誤差。這種方法在很大限度上改進(jìn) 了由于飽和產(chǎn)生的誤差,但仍然無法從根本上解決由于物體表面在激 光光斑散射的小范圍內(nèi)的反射率不同以及由于存在表面顆粒變化導(dǎo) 致成像光斑不對稱等因素產(chǎn)生的測量誤差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題加以解決，提供一種結(jié) 構(gòu)合理、使用方便、可減小甚至消除由于成像光斑不均勻或不對稱產(chǎn) 生的測量誤差進(jìn)而有效提高位移檢測精度的對稱式激光位移傳感器。
用于實現(xiàn)上述發(fā)明目的的技術(shù)解決方案是這樣的所提供的對稱 式激光位移傳感器具有一個扁盒狀殼體，在殼體內(nèi)腔中部裝有一個可 向外發(fā)出準(zhǔn)直激光束的激光器,在激光器兩邊對稱各設(shè)置有一個激光 位移傳感器(左、右激光位移傳感器)，所說的激光位移傳感器均由一 個用于檢測激光照射位置的成像鏡頭和一個設(shè)在成像鏡頭后的光電
接收器(CCD、 CMOS或PSD)組成，激光位移傳感器共用同一激光器， 激光器發(fā)出的準(zhǔn)直激光束軸線及兩激光位移傳感器成像光軸處在同 一個平面內(nèi)并位于兩激光位移傳感器成像光軸間的夾角的平分線上。 實際工作中，激光器發(fā)出的準(zhǔn)直激光束照射到被測物體的粗糙表面， 在照射點形成散射光斑，光斑左右對稱(光斑一般來講為中心對稱 型)；左激光位移傳感器的成像鏡頭將散射光斑在左光電接收器上成 像，得到一組像點，同時右激光位移傳感器的成像鏡頭也將散射光斑 在右光電接收器上成像，得到另一組像點；之后通過數(shù)據(jù)處理，可以得到左右像點在像面光電接收器上的位置,最后根據(jù)像點的位置并通 過相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理方法(對稱中心法、光斑重心法、光斑前沿法和光 斑后沿法等)處理后，即可以得到被測物體表面的位移。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過兩個激光位移傳感器對稱設(shè)置并共 用同一個激光器的方式， 一次測量獲得對稱的(左右像點)兩組數(shù)據(jù)， 在采用數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行計算后，就可以明顯減小甚至消除由于成像 光斑不均勻或不對稱而產(chǎn)生的測量誤差,有效提高激光位傳感器的位 移檢測精度。


圖1是本發(fā)明一個具體實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是光電接收器部分的側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖。 圖3是對稱式激光位移傳感器的工作原理圖。 圖4是光電接收器出現(xiàn)飽和現(xiàn)象時對稱式激光位移傳感器的成 像原理圖。
圖5是被測面散射光斑不對稱時對稱式激光位移傳感器的成像 原理圖。
附圖中各標(biāo)號分別為l一殼體，2—插頭，3—電路板，4—激光 器，5—光電接收器，5a—芯片固定座，5b—光電接收芯片(CCD芯片)， 5C—芯片固定板，6—成像鏡頭，6a—物鏡，6b—濾光片，6c—鏡筒， 6d—保護(hù)玻璃片，6e—保護(hù)玻璃壓圈，6f—鏡頭放置槽孔，7—壓緊 調(diào)整螺釘，8—壓緊調(diào)整螺釘，9一密封圈，IO—蓋板，ll一被測物面，
I一左激光位移傳感器，n —右激光位移傳感器。
具體實施例方式
以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明內(nèi)容做進(jìn)一步說明，但本發(fā)明的實際制 作結(jié)構(gòu)并不僅限于圖示的實施例。
參見圖1，本發(fā)明所述的對稱式激光位移傳感器由安裝在殼體1
內(nèi)的左激光位移傳感器i 、右激光位移傳感器n和設(shè)置在二者之間并由二者共用的激光器4組成,激光器4發(fā)出的準(zhǔn)直激光束軸線位于左、
右激光位移傳感器i、 n成像光軸間的夾角的平分線上，在左、右激 光位移傳感器i、 n內(nèi)沿成像光軸方向各設(shè)有一組成像鏡頭6，在兩
成像鏡頭6的后方分別各設(shè)有一個光電接收器5。具體結(jié)構(gòu)設(shè)計上， 激光器4通過壓緊調(diào)整螺釘7設(shè)置在殼體1內(nèi)腔中心豎軸位置處，其 安裝位置可沿中心豎軸上下調(diào)整，由此使激光器4可沿圖中箭頭方向 上下調(diào)整定位由此使激光器4可沿圖中箭頭方向上下調(diào)整定位;在激 光器4兩側(cè)各設(shè)有一個壁徑稍大于成像鏡頭6外徑的鏡頭放置槽孔 6f,由物鏡6a、濾光片6b、鏡筒6c、保護(hù)玻璃片6d、保護(hù)玻璃壓圈 6e組成的成像鏡頭6通過多個壓緊調(diào)整螺釘8設(shè)在鏡頭放置槽孔6f 內(nèi)，其安裝位置可沿成像光軸的上下方向和左右偏轉(zhuǎn)方向加以調(diào)整， 由此使成像鏡頭6可沿圖中斜上行箭頭方向和^角方向做調(diào)整定位； 光電接收器5的結(jié)構(gòu)可參見圖1和圖2,它采用CCD芯片，設(shè)置在成 像鏡頭6后，由芯片固定座(CCD芯片固定座)5a和安裝在芯片固定座 5a上的光電接收芯片(CCD芯片)5b等組成，芯片固定座5a上開有調(diào) 位嫘釘孔，通過調(diào)位螺釘可使安裝在芯片固定座5a上的光電接收芯 片5b沿圖中箭頭所指的前后方向及其左右偏轉(zhuǎn)方向(圖1中"方向) 加以調(diào)整。
該對稱式激光位移傳感器的工作原理如圖3所示:激光器4發(fā)出 的準(zhǔn)直激光束照射到被測物體的粗糙表面，在照射點形成散射光斑, 其分布大小范圍為CAB，光斑左右對稱；左成像鏡頭將散射光斑在光 電接收器5上成像，得到像點ClBl,右成像鏡頭將散射光斑在光電 接收器上成像，得到像點C2B2。通過圖像處理，可以得到左右像點
在像面光電接收器5上的位置；根據(jù)像點的位置，通過數(shù)據(jù)處理可以
得到被測物體表面的位移。通常，判定像點在光電接收芯片上位置的 方法有光斑前沿法，光斑后沿法，對稱中心法，光斑重心法等。在物 表面散射均勻時，成像的光斑一般來講是對稱的。在這種情況下，計算像點位置的方法可以采用對稱中心法和光斑重心法;也可采用光斑 前沿法和光斑后沿法計算像點的位置，其結(jié)果僅差一個偏置量，而不 影響位移計算。圖中字母H所標(biāo)為檢測范圍，下同。
圖4所示為光電接收器出現(xiàn)飽和現(xiàn)象時對稱式激光位移傳感器 成像原理圖。當(dāng)物體表面散射光很強造成光電接收器芯片飽和時，光 電接收器芯片上的成像光斑往往出現(xiàn)拖尾現(xiàn)象，即在光電接收器芯片 上，光斑向像元數(shù)增加的方向增大較多(圖4中0, N分別代表光電接 收器的第1像元和第N個像元)。在圖4中，A點在左、右光電接收 器5上的成像光斑向F1、 F2方向增大的更多。在這種情況下，不管 是采用對稱中心法或是采用光斑重心法,根據(jù)像點位置計算物體表面 位移往往產(chǎn)生較大偏差。由圖4可以看出，右光電芯片上的像點光斑 按照重心法測出的位移低于被測面，其大小為h2,左光電芯片上的 像點光斑按照重心法測出的位移高于被測面，其大小為hl,顯然， hl和h2的平均值可以有效減少或消除測量誤差。
物體表面由于散射不均勻而出現(xiàn)光電接收器芯片上的成像光斑 分布不均勻或不對稱的情況如圖5所示，當(dāng)出現(xiàn)只在AB范圍內(nèi)成像 時(物體表面散射均勻時的散射光斑為CAB，見圖3)，對應(yīng)左激光位 移傳感器的像點范圍是A1B1,對應(yīng)右激光位移傳感器的像點范圍是 A2B2。這種情況下，不管是采用對稱中心法或是采用光斑重心法，根 據(jù)像點位置計算物體表面位移往往產(chǎn)生較大偏差。由圖5可以看出， 右光電芯片上的像點光斑按照重心法(其他方法可以有同樣的分析結(jié) 果)測出的位移低于被測面，其大小為h2,左光電芯片上的像點光斑 按照重心法測出的位移高于被測面，其大小為hl，顯然，hl和h2的 平均值可以有效減少或消除測量誤差。
實際測量中的其他情況都可以簡單地歸結(jié)為以上兩種情況。
權(quán)利要求
1、一種對稱式激光位移傳感器，其特征在于具有一個扁盒狀殼體(1)，在殼體(1)內(nèi)腔中部裝有一個可向外發(fā)出準(zhǔn)直激光束的激光器(4)，在激光器(4)兩邊對稱各設(shè)置有一個激光位移傳感器(I、II)，所說的激光位移傳感器(I、II)均由一個用于檢測激光照射位置的成像鏡頭(6)和一個設(shè)在成像鏡頭(6)后的光電接收器(5)組成，激光位移傳感器(I、II)共用同一激光器(4)，激光器(4)發(fā)出的準(zhǔn)直激光束軸線與兩激光位移傳感器(I、II)成像光軸處在同一個平面內(nèi)并位于兩激光位移傳感器(I、II)成像光軸間的夾角的平分線上。
2、 根據(jù)權(quán)利要求i所述的對稱式激光位移傳感器，其特征在于激光器(4)通過壓緊調(diào)整螺釘(7)設(shè)置在殼體(1)內(nèi)腔中心豎軸位置 處，其安裝位置可沿中心豎軸上下調(diào)整；在激光器(4)兩側(cè)各設(shè)有一 個壁徑稍大于成像鏡頭(6)外徑的鏡頭放置槽孔(6f)，成像鏡頭(6) 通過多個壓緊調(diào)整螺釘(8)設(shè)在鏡頭放置槽孔(6f)內(nèi)，其安裝位置可 沿成像光軸的上下方向和左右偏轉(zhuǎn)方向加以調(diào)整；光電接收器(5)設(shè) 置在成像鏡頭(6)后，由芯片固定座(5a)和安裝在芯片固定座(5a)上 的光電接收芯片(5b)組成，芯片固定座(5a)上開有調(diào)位螺釘孔，通過 調(diào)位嫘釘可使安裝在芯片固定座(5a)上的光電接收芯片(5b)沿前后 方向及其左右偏轉(zhuǎn)方向加以調(diào)整。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于檢測物體位移特別是用于檢測路面平整度、路面構(gòu)造深度等道路質(zhì)量指標(biāo)的激光位移傳感器，由左、右激光位移傳感器和一個設(shè)置在二者之間并由二者共用的激光器組成，在左、右激光位移傳感器內(nèi)沿成像光軸方向各設(shè)有一組成像鏡頭和一個光電接收器。工作中，激光器發(fā)出的準(zhǔn)直激光束照射到被測物體粗糙表面后在照射點形成散射光斑，左、右成像鏡頭將散射光斑分別在左、右光電接收器上成像，得到左右兩組像點，之后通過數(shù)據(jù)處理，可以得到左右像點在像面光電接收器上的位置，最后根據(jù)像點的位置并通過相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理方法處理后，即可以得到被測物體表面的位移。
文檔編號G01B11/02GK101451823SQ20081023651
公開日2009年6月10日 申請日期2008年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月30日
發(fā)明者宋宏勛, 樊江順, 毅 韓, 建 馬, 馬榮貴 申請人:長安大學(xué)