激光测量方法范文

激光测量方法范文（精选11篇）

激光测量方法 第1篇

脉冲激光测距法以其电路结构简单、功率大等优点, 在长距离激光测距仪 (Laser Rangefinder) 中得到广泛的应用。

脉冲激光测距系统的基本原理是测量激光飞行时间 (TOF, Time-of-Flight) 。常用的时间测量方法有直接测量法和等效测量法。直接测量法即直接精确测量脉冲发射瞬间和脉冲回波到达瞬间的时间间隔。这类方法通常简单、明确, 但是对硬件电路的要求高, 往往由于精度要求太高而需要使用昂贵的物料。等效测量法即通过各种等效的手段, 以低成本、低精度的测量电路实现高精度的测量精度。这类方法相对复杂而且往往是通过牺牲测量的速度性能而获得高精度。

本文提出一种适合大批量手持式激光测距仪使用的结合1比特技术和多次平均技术的直接测量方法。在低成本的硬件结构下, 又保持测量的精度和测量的速度。

2. 脉冲激光测距原理

脉冲激光测距原理是测量激光飞行时间, 通过测量激光回波到达时刻点与发射时刻点之间的间隔即可以得出激光飞行距离。

飞行一次的时间。分析上式可知D的精度和误差完全取决于对T测量的精度和误差。

对于数字式直接测量法

其中Fclk为数字式计数器的计数频率, N为T时间内测出的时钟个数。由式 (2) 可以知数字式直接测量法的测量精度、误差以及最大量程, 由计数器的计数频率、频率稳定度和最大计数值确定。以精度为1米、量程为1000米计算, 要求计数频率为150MHz、最大计数值1000。

根据上面的讨论可知实现廉价而可靠的数字式直接测量法需要解决以下两个主要问题:

(1) 在较低的功耗下尽量提升测量频率。

(2) 提升信号信噪比, 减少误判。

3.1 比特激光飞行时间测量方法

3.1 测量方法原理

如图1描述, 信号检测电路将激光回波的光信号转变为电信号并进行约10万倍的放大;信号积分电路产生回波电信号的背景参考电平。两路信号同时输入高速比较器后, 当回波信号偏离背景参考电平时就产生回波数字脉冲。调节信号积分电路使背景参考电平与回波信号背景真值非常接近时, 高速比较器进入高灵敏状态, 即使很弱的光信号都可以被检测出来。

3.2 高速直接测量

图1所示的数据处理电路部分由高速低功耗FPGA实现。在现有技术下, 200MHz左右的数字电路已经可以用廉价的低功耗FPGA实现。数据处理电路以150MHz的速率记录高速比较器的输出信号并储存在内部SRAM中, 稍后通过处理器进行数据分析。整个数据处理电路的功耗可以控制在15m W左右。

3.3 数值平均方法

当高速比较器处在高灵敏状态是, 很弱的光信号可以被检测出来的同时, 很弱的电噪声信号也会被检测出来, 这样导致输出信号的信噪比恶化甚至使有效信号被淹没在电噪声产生的脉冲之中。

使用多次平均法, 可以有效提升信号的信噪比, 使系统有更强的抗干扰能力。对输入信号进行N次采样求平均后获得输出信号, 其信噪比为输入信号的。实现的前提是输入信号携带的噪声为随机噪声, 其数学期望为0。

4. 测试结果分析

4.1 等效采样精度

实测中在设计量程0-1000m上, 分别在10-20m, 100-110m, 200-210m, 300-310m以1m为间隔分别对测距仪的测量精度进行测试, 平均误差为0.5m。下图为200-210m上的误差曲线。

4.2 多次平均技术对信噪比的改善

下图给出了分别在30db信号和10db信号下多次平均技术对信号信噪比的改善, 可以看到信号得到了明显改善。

4.3 扫描速度

1比特技术最大的优势是扫描速度, 在10db信号下获取500米外墙体目标的平均时间是0.5秒, 较等效采样技术提升约3倍的时间。

5. 结论

本文在利用廉价低功耗FPGA硬件平台下以直接测量方式实现了激光飞行时间测量系统。在保持了1米的测量精度的前提下, 将系统的最小可检测信噪比从15-20d B压缩到5d B, 而平均测量速度提升3倍。本文所做工作已经通过实验室测试和实地测试并已经投入量产。

参考文献

[1]郭俊钊.等效采样与数值平均相结合的激光飞行测量方法[J].电脑与电信, 2009, 4:68-71.

激光测量方法 第2篇

一种用于辉光放电光谱深度分析的激光实时测量新方法

摘要：辉光放电原子发射光谱仪可用于物质表面化学成分随深度分布的分析,在镀层分析、金属材料检验等领域有着广泛的应用.文章介绍了辉光深度分析的传统方法和局限性以及实时深度测量技术的近期研究,提出了一种用于辉光放电光谱深度分析的激光实时测量新方法.文章采用激光位移传感器和根据激光测最方法设计的.辉光放电光源构成实时深度测量系统,详细阐述了系统的设计方案和技术原理.系统的设计结构能够实现在辉光光谱分析的同时进行激光实时溅射深度的测量.通过实验验证和分析了激光实时测量样品溅射深度过程中产生的光源位移现象.采用双激光器实时深度测量系统对锌合金标准样品进行了溅射深度的实时测量,给出了实时深度测最曲线.通过将溅射面测量曲线与参考面曲线进行叠加,得到了样品溅射坑深度的实际值,与Dektak8型表面形貌仪测量结果一致. 作者： 万真真[1]李小佳[1]王永清[2]施宇[3]孙荣霞[2] Author： WAN Zhen-zhen[1]  LI Xiao-jia[1]  WANG Yong-qing[2]  SHINing[3]  SUN Rong-xia[2] 作者单位： 钢铁研究总院,国家钢铁材料测试中心,北京100081河北大学电子信息工程学院,河北保定,071002北京航空航天大学软件学院,北京,100191 期 刊： 光谱学与光谱分析   ISTICEISCIPKU Journal： Spectroscopy and Spectral Analysis 年，卷(期)： , 31(9) 分类号： O657.3 关键词： 辉光放电原子发射光谱仪    深度轮廓分析    激光测量    实时深度测量    辉光放电    镀层    机标分类号： O65 O73 机标关键词： 辉光放电光谱    深度分析    激光位移传感器    实时测量    新方法    Analysis    Depth Profile    Laser Measurement    Determination Method    溅射    测量系统    原子发射光谱仪    合金标准样品    设计方案    测量曲线    表面化学成分    表面形貌仪    文章    位移现象    实验验证 基金项目： 国家科技部科学仪器设备升级改造专项课题

激光接力测量方法和误差分析 第3篇

工业生产和工程测量中，经常需要直线基准。无衍射激光因其能量集中、方向性好，中心定位准确[1,2]和激光图像定中方法比较成熟[3,4,5]等特点，经常被用作为直线基准，并取得了一些应用[6,7]。在这些应用中，被测物体长度较短。但有时需要对较长物体进行位置检测，并且相距较近的被测点的相对位置精度要求较高。此时，由于受检测基准和检测方法等精度的影响，无法对较长距离内的被测点一次同时全部检测。例如，在客运专线轨道平顺度检测中，一次测量希望能测量几百米甚至几公里的轨道，而衡量轨道平顺度的一个重要指标20 m正矢(20 m弦长的轨道上弦的中点到轨道中间检测点的距离)的示值误差仅为±1.0 mm。当采用无衍射激光作为检测基准时，虽然无衍射激光在60 m内的误差不大于0.4 mm，但距离大于60 m后，由于空气扰动等因素的影响，用无衍射激光作为基准的检测精度显著降低。为了解决这些问题，不得不采用激光接力测量方法。本文首先以直线型被测物体为例，介绍了接力测量方法，然后分析了接力测量误差，最后给出了应用实例。

1 接力测量方法

接力测量首先要解决的问题是如何将分段测量的结果表达在统一坐标系中。下面以采用无衍射激光作为检测基准的客运专线轨道平顺度检测中直线段的轨道平面位置检测为例，讨论接力测量方法。

如图1所示，为检测轨道AB的平面位置，将AB分成n段，a1b1,a2b2，，anbn。相邻两段之间有一定长度的重合部分，a2b1,a3b2，，anbn-1。为简洁表述，特作如下约定：1)各段段长相等，测点均匀分布，每段共有q个测点;2)相邻两段的重合部分长度相等，两次测量在重合部分的测点也重合且有p个(2p

由于本文采用的坐标系较多，为简洁表述，特作如下规定：当x和y的下标的第1个字符为i或数字时，表示x和y为在当前坐标系中的坐标值，其余均为在统一坐标系中的坐标。统一坐标系的目的是将各段在不同坐标系下的测量值归到统一坐标系中。其基本思路是使用最小二乘法[8,9]对相邻两段测量时，在两次分别测量时都被测量到的分属两次测量段的重合线段分别进行拟合，以两段线段中的重合点应属于同一线段为前提，找出两次测量时所采用的坐标系间的相互关系。

接力测量方法的具体步骤如下(见图2)。

a)测量第1段时，测量坐标系ox1y1即为统一坐标系，即oxy坐标系。测量并在oxy坐标系中记录测量数据。

测量第i段(2in)时，在当前坐标系oxiyi中记录测量数据。由于从第2次测量起，每次测量之后都要将当次测量结果转换到统一坐标系oxy中，因此，以下讨论的总是第i次(i≥2)测量值(xi,yi)与统一坐标系oxy间的转换关系。

b)将第i-1次测量值中与第i次测量时的p个重合点在oxy坐标系中做直线最小二乘拟合，得

同时，将第i次测量值中与第i-1段测量时的p个重合点在oxiyi坐标系中做最小二乘直线拟合，得

利用式(1)和式(2)表达的线段应重合的原理，找出oxiyi坐标系与oxy坐标系间的关系。为此，需要计算两个坐标系的夹角θi和oxiyi坐标系的原点在oxy坐标系中的坐标。

c)两个坐标系的夹角为

d)为计算oxiyi坐标系原点在oxy坐标系中的坐标，先将oxiyi坐标系旋转θi，得到坐标系oxiryir(下标r标记旋转后的坐标系。下同)，并且有：

既然式(1)和式(2)表达的线段应重合，则在第i次测量时ai点应与第i-1次测量时第q-p+1点(即gi点，对应ai点。见图1和图2)在各自拟合的线段中重合。用式(1)计算出第i-1次测量时gi点在oxy坐标系中拟合线段上的对应点的坐标，记为(xgi,yfgi)(下标f标记拟合线段上的值。下同);用式(2)计算出第i次测量时ai点在oxiyi坐标系中拟合线段上的对应点的坐标，记为(xia,yifa)(按照测量时的规定，xia=0)，并用式(4)计算其在oxiryir坐标系中拟合线段上的对应点的坐标(注意到xai=xgi)，并为记(xira,yirfa)。

设(xuiro,yuiro)(下标u的加入仅仅是为了标明这些是在oxy坐标系中的坐标，以便与在其它坐标系中的坐标相区别)为oxiryir坐标系的坐标原点在oxy坐标系中的坐标，有：

由于(xgi,yfgi)和(xira,yirfa)已求得，因此有：

e)于是，oxiyi坐标系与oxy坐标系的转换关系为

用式(7)将第i次测量值转换到oxy坐标系中，其中第1点至第p点的值与前一次测量已有的值取平均值后作为最后结果(以此来减小误差。因篇幅所限，证明从略)。

全部测量结束后，在oxy坐标系中共有n个测量结果段，称为统一测量值段。第1统一测量值段有q个值，从第2统一测量值段起，每个统一测量值段有q-p个测量值。

2 接力测量误差分析

由于接力测量以最小二乘直线拟合为基本工具，因此，首先分析最小二乘直线拟合误差，然后再分析整个接力测量误差。

2.1最小二乘直线拟合误差分析

设直线段上有p个测点(x1,y1),(x2,y2),...,(xp,yp)，x方向上的测点均匀分布且误差可以忽略不计，y方向上的测量误差为均值为0且标准差为σyb的正态分布。对这些点做最小二乘直线估计，有：(28)kx(10)d yf(8)yc)。lxy lxx1p1p p p p pxj，lxx(28)(xj-xc)2,lxy(28)(xj其中：d(28)yc-kxc,k(28)(28)(28)-xc)(yj-，xc yj yc,j(28)1j(28)1j(28)1j(28)1我们所讨论的问题归结为：在yf=kx+d中，在点x处，yf的误差是多少?忽略x的误差，由式(8)有：-lxx(lxy lxx xc xj lxy lxxyfyiyiyi1p(x-xc)xc)(28)(kx(10)d)(28)x(10)yc(10)-(28)(9)记yi的误差为Δyi，由式(8)和式(9)可得：-xc lxx xj(35)yf(28)pyf p[1(x-xc)](35)yj(35)yj(28)(10)(10)yj p j(28)1j(28)1由于(35)yi为期望为零且相互独立的正态分布，即：(35)yi～N(0,yb)。因此，(35)yf～N(yf,yb)，yf(28)0。依正态分布函数的性质，由式(10)可得：-lxx xc xj(x-xc)2p1(28)[(28)[1(10)]2yb2yb(x-xc)]22yf(10)(11)lxx p p j(28)1若记：(x-xc)21p ke(p,l1,x-xc)(28)(10)(12)lxx其中2l1为相邻两测量段重合区间的长度，则有：(x-xc)21p(28)ke(p,l1,x-xc)(10)(28)(13)yb yb yf lxx可以证明(证明过程从略)：x-xc(3(p-1)p(p-1)1p)2ke(p,l1,x-xc)(10)(28)(14)l1由式(14)可以看出，最小二乘直线拟合的误差随着测点距重合区中点xc的距离增大而增大，随着重合区内测点数p和重合区长度2l1的增大而减小。2.2接力测量误差分析由于θi极小，式(7)可写成：将式(6)代入上式中：yuiro(10)-(28)(28)yfgi yirfayi(10)yirfa y y(15)(16)yi同样由于θi极小，由式(4)可得(见图2)：因此，式(16)可写成：yifa(17)(18)(10)-(28)yi yifa yfgiy(10)y于是，接力测量误差为yyifayyfgi)01((35)yi(10)(35)yifa(10)(35)yi(35)yfgi-(35)yifa(35)yi(28)(35)yfgi(35)yifa(35)yfgi(35)y(28)(10)(19)yi如图1所示，为便于分析接力测量误差，记：xci-1为第i-1次测量与第i次测量时，重合区间中点在oxy坐标系中的横坐标，xi-1c为其对应点在oxiyi坐标系中的横坐标;xai和xbi分别为ai和bi在oxy坐标系中的横坐标，xia和xib分别为其在oxiyi坐标系中的横坐标;Δiy为第i统一测量值段的误差。在式(19)中，Δyi是第i次测量时的测量误差。因此：)53(yi(28)(20)yb

Δyifa是ai点在oxiyi坐标系中的最小二乘直线拟合误差。由于第1次测量时并不对a1点拟合，所以

当i2时，由于用式(2)进行最小二乘直线拟合的结果将用于对整个第i测量段的测量值向统一坐标系进行坐标转换，因此，用式(13)和式(14)计算误差Δyifa时，应在第i测量段中在区间[xia,xib]内取使式(14)取得最大值的xi值(见图1)，即(l1x-xc)2(28)(l1xib-xi-c1)2(28)(l1l-l1)2。

此时：

其中：

式(18)中，yfgi是用第i-1统一测量值段的值拟合的。因此，Δyfgi与接力次数有关。由于当i=1(第1次测量)时，并不对g1点(对应a1点)拟合，因此：

于是，由式(19)、式(20)、式(21)和式(24)，第1统一测量值段的误差为

当i2时，用式(13)和(14)计算误差Δyfgi时，应当在重合区间[xai,xbi-1](其中xai=xgi。见图1)内取使式(14)取得最大值的x值，即：

而在计算误差Δyfgi时，式(12)中的σyb应为第i-1统一测量值段的误差Δi-1y。因此：

其中：

由式(19)、式(20)、式(22)、式(25)和式(27)，第2统一测量值段的误差为

同理，对于第3统一测量值段，有：

而

即当i2时，第i统一测量值段的误差为

3 应用结果与讨论

我们在实验室用Matlab模拟了多种条件下的接力测量结果并对误差进行了分析，结果优于理论分析。限于篇幅，此处不再介绍。经反复验证后，我们将接力测量方法应用于工程实际中。图3给出了某轨道检测仪的一个应用实例。测点间距为0.625 m，每个检测段长度l为60 m，重合区间长度2l1为27.5 m，重合区间测点数p为45。由于数据太长，受版面限制，图3仅给出了每8个点的间隔数据以说明原理。其中“轨向数据1”和“轨向数据2”分别为相邻两次的测量数据，而“轨向统一数据”为统一坐标系中的轨向统一数据。应用程序同时用类似方法处理轨道高低数据，为简洁表达，图中没有给出。

由式(32)可以看出，为使误差足够小，应使kp和kl足够小。本应用实例中，p=45，由式(28)可得：

由式(23)可得：

接力一次(i=2，第2统一测量值段)的误差为(由式(32))

当接力次数足够多，即i足够大时，式(32)可写成：

特别值得注意的是，在整个误差分析中，始终假设相邻两次的测量基准线间的夹角θi很小。由于客运专线的铁路轨道大部分为直线，且每段测量开始时都要对测量系统对中，使作为测量基准的激光束尽可能与轨道平行，又在60 m的范围内测量不大于30 mm的轨向值，因此，θi的确很小，满足假设条件。轨道平顺度检测的一个重要特点是对近距离内的各检测点的相对位置精度要求较高，接力测量方法尤其适合这个特点。如果接力次数太多，可以采用分区域拟合的方法以保证区域内近距离各点间的相对测量误差满足要求。

轨道平顺度检测的一个重要内容是300 m弦(对弦长为300 m的轨道)轨道平顺性检测，其误差限为10mm。由于60 m内的无衍射激光束定中精度可使σyb0.4 mm，由式(36)，若采用接力测量方法，300 m时的误差可小于1.1 mm，完全满足检测要求。

对于不同的测量精度要求，可适当选取测量段长度l、重合区间长度2l1和重合区间测点数p，以获取最佳接力测量方案。

对于曲线段的轨道平顺度检测，由于被检测轨道的线型已知，同样可以采用此方法。只是要进行相应的最小二乘曲线拟合，方法也复杂许多。篇幅所限，这里不再介绍。

4 结论

激光接力测量方法解决了诸如客运专线轨道平顺度检测中遇到的检测距离长，而检测基准短的问题。本文给出了对于直线型物体的激光接力测量方法的实现步骤，分析了方法的误差、影响误差的因素和依据测量精度要求选取接力测量参数的方法。结合应用实例对方法中涉及到的一些问题进行了讨论。接力测量方法可推广到已知曲线的曲线型物体的接力测量中，该方法具有很好的适用价值。

参考文献

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激光测量方法 第4篇

基于激光雷达测量的空间交会对接相对导航

激光雷达可以作为空间交会对接过程中的相对导航敏感器之一.本文基于线性Hill方程和经典双脉冲交会理论,给出一种两航天器多脉冲交会算法.结合激光雷达的测量值设计相对导航EKF滤波器.仿真结果表明通过滤波,激光雷达能够为航天器交会对接提供足够精度的相对位置和相对速度信息.

作 者：陈韵 周军 Chen Yun Zhou Jun 作者单位：西北工业大学航天学院,西安,710072刊 名：航天控制 ISTIC PKU英文刊名：AEROSPACE CONTROL年，卷(期)：200624(1)分类号：V448.22关键词：激光雷达 多脉冲交会 相对导航 EKF

激光测径仪测量阀类零件误差分析 第5篇

关键词：激光 误差 膨胀系数 温度 测量方法 折射

中图分类号：TG806 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）11（c）-0051-01

“激光”一词是“LASER”的意译。LASER原是Light amplitioation by stimulated emiasi on of radiation取字头组合而成的专有名词，1960年5月15日，美国加利福尼亚州休斯实验室的科学家梅曼宣布获得了波长为0.6943μm的激光，这是人类有史以来获得的第一束激光，梅曼因而也成为世界上第一个将激光引入实用领域的科学家，1960年7月7日，梅曼宣布世界上第一台激光器诞生。激光技术是现代科学技术发展的结果，激光是20世纪与原子能、计算机、半导体齐名的四项重大发明之一，在装备制造业、汽车工业、医学、航天等行业中。激光技术应用越来越广泛，几乎涉及到当今科技的各个方面。

1 误差产生的原因种及分类

误差的产生有多方面的原因，从误差的性质和来源上可分为系统误差和随机误差两大类。

1.1 系统误差产生的原因

（1）所用仪器、仪表、量具的不完善性，这是产生系统误差的主要原因；（2）实验方法的不完善性或这种方法所依据的理论本身具有近似性；（3）实验者个人的不良习惯或偏向（如有的人习惯于侧坐、斜坐读数，使读得的数据偏大或偏小），以及动态测量的滞后或起落等。

1.2 隨机误差产生的原因

（1）随机的和不确定的因素的影响，或环境条件微小的波动；（2）实验操作者的感官分辨本领有限。

2 激光测径仪的测量原理

该仪器内带有高速旋转的He-Ne激光发射器和激光接收器，激光发射器发出的激光束通过一组透镜处理变成平行光，平行光投射到工件上，工件只要挡住光束，在接收器上就有信号产生，通过光电传感器将此信号传到专用计算机处理器上，就可读出所测量的直径值。

3 测量环境的影响

3.1 测量时，若零件的测量温度不能满足20℃的要求

标准件测量温度满足20℃要求，这时需考虑温度差对零件尺寸的影响，温度与零件尺寸之间的关系可参见公式4-1：

Lt=L20[1+a（t-20）] （4-1）

其中a为零件的材料膨胀系数（单位：mm/℃）；

t为环境温度；

L20为零件标准温度20℃时尺寸；

Lt为零件在温度t时尺寸。

3.2 测量时不满足温度条件

若测量标准件时的温度与测量零件时的温度都不在20℃且温度不一样时，还应考虑温度对标准件、被测零件的综合影响，它们之间的关系可参见公式4-2：

△L=（L2）20-（L1）20= （L1）20[1+a1 （t1-20）]- （L2） 20[1+a2（t2-20）]

=（L1）20 a1（t1-20）- （L2）20 a2（t2-20）

△L≈（L1）20[a1（t1-20）-a2（t2-20）] （4-2）

中△L为因温度变化产生的测量误差；

a1为标准件材料的膨胀系数；

a2为零件的材料膨胀系数；

t1为测量标准件时的测量温度；

t2为零件测量时的测量温度；

（L1）20为标准件20℃时尺寸；

（L2）20为零件20℃时尺寸。

从上述公式4-1、4-2可以看出，零件尺寸受材料膨胀系数影响以及温度变化影响，温度变化越大、偏离标准温度越多，零件尺寸随温度的变化量就越大，因此，保证测量环境温度的一致性及无限靠近标准温度，可适当减少测量误差的出现。

4 其它因素影响

由于激光测径仪的光源发射器使用的是单模He-Ne激光器，光源在空气中会受到气压、温度、湿度、压强、大气成分以及震动等因素影响激光在空气中的传播方向而产生折射，因此，对测量房间这些因素的控制对减小测量结果误差也是比较有意义的。另外，激光测径仪采用的是无接触式扫描测量，对于测量精度在10-5要求中，尘埃也是影响测量结果一个不可忽视的重要因素。

5 误差因素的消除

为了减小环境对测量的影响，我们在实际操作过程中做出了以下规定。

零件在测量前对零件的恒温时间不小于6h，同时为减小温度变化过大对测量产生影响，我们在测量房间内放置两个温度计，一个放置在离测量地点相对较远的地方，一个放置在测量点附近，当发现两温度计温度差在1℃以上时，即停止测量。

零件自身清洁度对测量结果也是有影响的，对于这类因素，我们要求在测量零件时必须使用不掉纤维的仿鹿皮擦拭零件表面。

在测量零件时必须使用穿戴手套，不允许围观，避免人体温度以及人员走动所带起的灰尘对测量结果产生影响。

为了确保测量精度，减小激光源对测量的影响，应周期性的对激光测径仪的光源进行校验。

为了避免空调吹出的气流直接作用到仪器上引起温度的剧烈变化，同时减小气流对空气密度波动所产生的激光折射，我们利用屏风以及双层门对测量仪器进行环境保护。

6 测量系统分析

在满足上述测量环境的条件下，并对工装、校准方法以及测量位置进行统一的情况下，我们选取了公司生产的10个零件，将其与标准件放置在（20±1）℃的环境下恒温24 h后，做了一次测量系统分析，数据分析的结果表明，测量系统完全可用，测量误差满足要求。

7 结论

该文在简述激光测径仪仪的工作基础上，分析了温度、测量工装等方面对测量结果所产生的影响，同时也针对这些问题总结了一些减少误差产生的方法和办法，希望这些能对在今后需使用激光测径仪测量的朋友中起到借鉴作用。

参考文献

[1]李学东.高速精密激光测量的研究现状及其关键技术[J].航空机密制造技术，1998，34（6）：29-34.

[2]叶升华.激光在精密测量当中的应用[M].北京：北京机械工业出版社，1980.

[3]刘先卓，王树奎，陈锦生.激光测量技术及其应用[J].机械设计与制造，2003（3），95-96.

激光光束远场发散角测量方法 第6篇

光束发散角是指光束宽度或光束直径随着离束腰位置距离的增加而增大的程度。激光的远场发散角是评估激光医疗仪器质量优劣的重要参数。一方面它反映了远距离传输时的发散特性,另一方面它与束腰的乘积则是近年来所广泛讨论的M2参数。应用ISO 11146统一规范法则

M2包含了光束质量的综合特性,较为直观地说明了该光束的可聚焦程度,能够有效评估相关的激光仪器的品质及激光的传输质量。测量M2必须测量远场发散角。激光光束发散角的减小能有效地利用激光能量,使光束达到良好的方向性和高亮度性,降低对系统发射功率和接收灵敏度等方面的要求,达到良好的激光治疗目的。所以,精确测量激光远场发散角有着十分重要的意义。

1.远场发散角测量方法

过去常规的远场发散角测量方法有套孔法、刀口法等。这些传统方法已沿用多年,传统方法在安置套孔于后焦面时有较大误差。本文从实际测量上提供了三种简单易于操作的测量激光器光束发散角的方法。所介绍的测量方法具有相当的精度,并可使实验装置大大简化,同时,测试方法属一次性测量,具有测量简便,可实时测量等特点,既可用于连续激光测量,又可用于脉冲激光测量。

所提供用于计算激光光束远场发散性的三种方法为:ISO焦长法、远场广角法、远场双点法。在不同的操作条件下每种方法都很有用,其中只有焦长法被认为是与ISO 11146兼容的,但只要使用合理,另外两种方法也是非常精确的。

1.1焦长法

为克服场地限制及功率计通光口径限制,可以采用焦长法来测量远场发散角。在保证近轴光线条件下,采用一定曲率的透镜将激光束聚焦,这种方法是基于聚焦光束光斑宽度和聚焦光学元件的焦长来计算其发散角。焦长法提供了在光束传输路径的任何点找到远场光束发散角的一种手段。

图1为焦长法测试远场发散角光路图,将被测光束通过一分光棱镜反射一小部分光再经过衰减器后通过一聚焦透镜聚焦。透镜焦距对于使用波长已知,聚焦透镜放置于光路中时,需使其光轴与待测激光光束同轴。将探测CCD相机的测量平面放置在距离聚焦元件后主平面一倍焦距f的位置上。聚焦成像于CCD的光敏面板上,将CCD在透镜后焦面附近前后移动,直至严格地符合应放置的后焦平面位置为止。并可在连续测量光斑点移动几个位置后取平均值,据此可将CCD准确地安置在透镜后焦平面上,再将光斑调回中心位置进行数据采集。CCD相机所采集到光信号转换为视频信号,输出给图像采集卡而形成光斑的数字图像。通过CCD相机采集进行图像,一方面,可以将CCD准确地放置在透镜后焦面上以减少测量误差,使测量精度上比传统方法有较大提高。另一方面,CCD像元素与远场发散角成一一对应关系,从而可迅速、准确地测出光束任一方向的远场发散角。特别对于矩形光束或其他非圆对称光束,该方法十分有效。

通过测量聚焦元件焦平面上的光束宽度或光束直径,利用光学成像公式,计算出激光器的光束发散角。发散性结果的测量是基于聚焦点光斑大小来进行的,光束发散性结果计算如下:

其中:Wf=焦长f处的焦斑宽度,

f=激光波长的成像焦长。

如上所示进行的计算非常简单,但必须非常谨慎地进行光学配置。为了满足特殊应用,应选取合适的聚焦透镜。在保证不引入衍射效应的前提下聚焦元件必须足够大以适应入射光束,也能使用折射聚焦元件,但在其他情形下CCD相机探测器必须精确放置在聚焦透镜的焦点上。

1.2远场广角法

远场广角法是假设激光光束从点源开始呈放射状传输。该方法设计用于测量装置远场发散角,如激光二极管,发散角往往很大,其单位最好以角度计量而不是以毫弧度计量。该方法假定了激光输入本质上为点源。测试过程中将CCD相机成像器置于距离光源已知的距离,并保证光束不会覆盖整个成像区域。因为这些光源在一个轴向快速发散,而在另一个轴向发散较慢,所以建议将快速发散轴置于CCD相机成像器的宽轴方向上。

远场广角法对于测量激光二极管的发散角来说是很好的近似。设置CCD相机成像器处于激光光束远场位置,同时仍能包含整个激光光束的轮廓。通常CCD相机成像器会非常接近激光光源,因此CCD相机光敏面板与激光光源之间距离的测量必须以非常高的精度来确定。利用光学成像系统将入射光成像在CCD相机的光敏面板上,此时由CCD相机对成像于光敏面板上的光斑宽度进行数据采集和记录。

通过测量CCD光敏平面上的光束宽度,利用光学成像公式,计算出大角度发散激光器的激光光束远场发散角。光束发散性结果计算如下:

其中:WC=在位置S处的光束宽度,

S=光源至CCD成像器之间的距离。

1.3远场双点法

在小直径激光光束的远场进行测量时,远场双点法能够很精确给出光束发散性。远场双点法适用于小发散角度的光束测量,最适合用毫弧度做发散角的单位。远场双点法基于如下原理:光束在远场区域扩大导致实际测量的激光光束宽度增加。使用远场双点法测量之前,首先要确保光束测量是在远场区域进行,同时与CCD相机的包含能力相比,光束尺寸不会增加太大。发散结果将会沿激光光束轴向的X和Y方向进行计算。

测量发散角使用远场双点法时需要旋转相机使激光轴向沿X轴和Y轴发散。这将消除在确定两个测量点的方向角时不确定性可能造成的任何错误。将CCD相机光敏面板置于光束路径上采集第一个光束宽度。假定第一个测试点是最接近光束束腰的位置,但仍在远场区域,因此具有最小的测量尺寸。接下来移动相机光敏面板远离束腰位置。用精密测距仪器测量出相机移动的距离作为两次测量分开的长度,采集光束宽度并记录测量数值,同时注意CCD相机成像器的位置。在新位置测量出光束宽度并查看基于光束第一个和第二个测量位置的光束宽度的几何膨胀来计算发散性结果。

通过两次测量CCD光敏平面上的光束宽度,利用光学成像公式,计算出激光光束发散性结果如下:

其中:W1=第一个测量位置的光束宽度,

WC=第二个测量位置的光束宽度,

S=两次测量位置的分开距离。

远场双点法要求在激光光束的两个均为远场的区域测量两次。第一次测量应为较小的光束宽度。相机成像器移动到第二个位置,记录好第一个位置与第二个位置之间的距离和光束宽度。光束发散性正是基于两束光束宽度的相对角度进行计算的。

2.结论

综上所述,本文给出了三种测量激光光束远场发散角的方法,根据测试样品的实际情况选取适当的测量方法,简单易于操作的测量即可确定发散角的大小,不仅适用于连续激光,而且也同样适用于脉冲激光。利用CCD相机对被测激光束进行实时有效的分析,准确测量出激光光束的光斑,通过测量光斑大小来计算所测激光束的远场发散角。经过对实际激光光束发散角检测的验证,所介绍的测试方法能够满足各类激光产品发散角测试的需要。所提供的发散角测试方法能大大地提高激光产品光学性能测试的工作效率,提高测试精度,希望能为生产企业和其他检验机构的检验工作提供一定的借鉴和帮助。同时,所提供的测试方法也可能存在不足和局限性,恳请专家和同行补充和指导。

摘要：激光光束发散角的测量对于激光测量有着重要的意义。激光光束发散角是医用激光质量的一个重要参数。本文介绍了三种激光光束远场发散角的测量方法。利用CCD相机数据采集,通过测量光斑大小来计算激光光束的远场发散角。测试方法适用范围广泛,操作简单,可以满足医用激光类产品相关标准的测试要求,为相关企业和检测机构对激光光束发散角的测试提供便利。

关键词：激光,远场发散角,测量方法

参考文献

[1]ISO11146-1:2005激光和激光相关设备激光光束宽度、发散角和光束传输比的试验方法第1部分:无像散和简单像散光束

[2]ISO11146-2:2005激光和激光相关设备激光光束宽度、发散角和光束传输比的试验方法第2部分:广义像散光束

[3]GB/T15313-2008激光术语

[4]JB/T6860-1993测量激光辐射功率能量的探测器、仪器与设备

[5]ISO13694-2000光学和光学仪器激光和激光相关设备激光束功率(能量)密度分布的试验方法

激光测量方法 第7篇

其中, 激光在对目标进行测量时, 目标面积通常只占被测区域的一部分, 方位选通的实质就是根据得到的目标轮廓确定扫描范围, 在确定的扫描范围内, 只对特征点采集部分的测量数据。这样做可以使扫描范围和数据处理压力大大减小, 测量效率得以提高。

1 系统组成原理

1.1 测距系统建立

激光测距系统由激光发射单元、接收单元、系统软件控制平台、数据处理平台。计算机通过Labview向激光发射单元发送开始测量命令, 激光照射到预置目标后随即产生回波信号, 被激光接收单元接收, 通过串行接口与FPGA通信, FPGA板将采集信号解码为距离及灰度信息, 同时通过网口传输至计算机控制系统接收, 通过对Labview编程进行一定距离范围内的数据存储及显示。

1.2 激光传感器

系统选用波长为905nm的半导体红外激光传感器测量, 具有测距精度高、抗干扰能力强、隐蔽性好的特点。每秒钟可得到约30K个数据, 测距精度可达毫米级。每组数据格式由2字节组成, 每字节首字母为校验位, 经过FPGA计算封装打包由串口向计算机控制系统传输。计算机由WIFI模块接收数据, 通过Labview进行数据处理及特征提取, 得到用户需要的有效距离信息自定义界面。

2 计算机控制系统

2.1 高速数据流串行口通信

在测控平台研究领域中, 虚拟仪器技术起着举足轻重的作用。高速串口通信计算机与传感器双方采用相同的高速波特率921600bps, 进行握手, 主机和传感器以相互应答的方式确立连接, 保证数据的有效传输, 避免丢失。

2.2 Labview控制程序设计

首先, 与基于特定波特率的串口建立连接, 向传感器发送开始命令, 请求发送数据;其次, Labview接收数据并提取出有效数据, 进行数据解析;再者, 通过Labview中判定范围并强制转换控件设置测距选通上下限, 有效减少数据量的处理及存储, 同时, 将选通的有效数据显示并存储下来;最后, 发送停止测量命令。

程序框图如图1所示。

3 系统实验测试

利用该系统进行了室外实验, 时间选择在夜间进行, 因为日间光线较强, 通过红外增强型CCD无法观察到激光传感器的测量激光, 不利于目标的确定, 而且日间噪声较大, 激光传播误差较大。此外, 由于红外波段对人眼有一定伤害, 所以选择夜间在一长约100m甬道测量目标。

将被测目标分别置于约30m、40m、50m、60m、70m距离处进行测量, 目标尺寸为直径10mm目标。将激光器置于转台之上, 用以控制激光器俯仰及旋转角度。利用自制反光板及红外增强CCD预先观测测量激光束位置。图2为激光测距试验台。

4 结论

CO2激光管伏安特性测量方法 第8篇

1台使用160cm CO2激光管的雕刻机,最大输出电流为28mA,而新装配的1台同规格的雕刻机最大输出电流仅为6mA。将2台雕刻机上的CO2激光管互换后,原最大输出电流为28mA的雕刻机仅能输出6mA;原最大输出电流为6mA的雕刻机却能输出28mA。这说明激光管的性能与激光电源不匹配。

由于生产工艺的原因,CO2激光管的伏安特性离散性较大,甚至超出技术要求的上下限,这为雕刻机整机的调试工作带来不便。

2伏安特性的测量

CO2激光管伏安特性的测量是在激光雕刻机上直接进行,只要把高压直流电压表的2个探头分别夹在CO2激光管正、负端子上即可。在运动控制卡上设定CO2激光管电流,从3～32mA由小到大依次给定1个电流值,每给定1个电流值,就测量1次CO2激光管两端电压,其伏安特性曲线很快就可绘制出来。按照此办法绘制出的最大输出电流为28A的CO2激光管伏安特性曲线如图1中曲线Ⅰ所示。

由于另一根CO2激光管在原雕刻机上最大输出电流仅为6mA,调换试验后分析,可能是由于该CO2激光管的触发电压值高于原来那根CO2激光管,导致原雕刻机上激光电源输出电压达不到该CO2激光管的触发电压值。将该激光电源换成180cm CO2激光管的电源后,输出电流升到28mA,所测伏安特性如图1中曲线Ⅱ所示。

2根CO2激光管的触发电压和满载工作电压的技术要求、实测值见表1。由表1可知,2根CO2激光管完全不符合激光管的技术要求,因此都不适用于原激光雕刻机,必须改变相关环节的性能参数,尤其是激光电源的输出功率需与激光管匹配。重新设定运动控制卡的输出功率百分比和运动速度等参数,反复试验几次并加以比较,以获取最佳匹配效果。

3高压直流电压表

工作上需要1块直流高压电压表,以便随时知道用电器电压,但这类表市价高。自制1块无源型式电压表(如图2所示),其体积小、重量轻、使用方便,有优于±5%的精度指标,且不易受电磁干扰的影响。

图2中5个电阻与直流电流表A串联,然后分别接到待测电压两端。由于电阻R1～R5采用RI80-3型,电阻值为200MΩ的高压电阻,因此该电压表的内阻为1 000MΩ,即50μA的电流表满量程是50kV。该电压表每一大格是10kV,每一大格中又有5小格,因此每一小格是2kV。高压电阻的误差不大于±2%,电流表的误差不大于±2.5%,所以即使各种误差完全同向相加,该自制电压表实际总误差也将优于±5%。

5个高压电阻用铜铆钉固定在环氧玻璃布板上,环氧玻璃布板则用螺钉支撑在塑料机箱内,电阻R1和电流表A引出端的测量线采用50kV高压线,因此,导电元器件与机箱间需具备良好的绝缘性能。测量端子为红、黑两个鳄鱼夹,在待测电器开机前,把鳄鱼夹夹在待测端子上,然后再开机看电流表指针指示值。

需要注意的是,无绝缘的裸露连接点(包括紧固件中的螺钉螺帽)间应拉开距离,最高与最低电压端之间最小距离应不小于60mm。可将连接点或整板用环氧树脂灌封固化,以防高低压电位间的弧光放电。

4结束语

激光测量方法 第9篇

1 光电隐身性能的表征

光电隐身性能的表征主要内容有2个:一是材料性能的表征, 二是隐身效果的表征.评价光学隐身材料的性能需要根据具体的波段来考虑.一般情况下, 除了要求目标与背景的光谱反射率曲线尽可能一致以外, 还要求光学隐身材料具有适合的亮度和光泽度[5].

1.1红外隐身性能的表征

红外隐身是指消除、减弱、改变或模拟目标和背景之间的中远红外波段2个大气窗口 (3～5 μm、8～14 μm) 辐射特性的差别, 以对抗红外探测所实施的隐身.目标达到红外隐身的目的有以下基本途径:降低目标的红外辐射;降低红外探测器至目标光路上的大气透过率;改变目标辐射特性及调节红外辐射传输过程[6].红外隐身的方法是根据热成像系统的工作原理, 采用红外遮蔽、红外融合、红外变形等手段对目标实施红外隐身.

对于红外隐身效果的评估方法的研究主要有2条路线:指标测试与综合评价.在指标测试方面, 根据红外成像系统探测能力, 要使目标不被红外成像系统探测到的基本条件是: (1) 目标等效空间宽度对红外成像系统的张角应小于红外成像系统的空间分辨力; (2) 目标与背景的黑体等效温差应小于红外成像系统的温度分辨力.

在综合评价方面, 主要是利用红外成像系统在不同距离上对实施不同红外隐身程度的目标进行空间搜索、识别, 统计目标的发现、识别概率, 从而做出对隐身效果的评价.

1.2激光隐身性能的表征

激光隐身的目的是尽可能降低目标在激光工作波长的反射特性.为了方便, 激光隐身效果的表征通常用激光测距机的主要性能参数准确率和最大测程来共同表征激光隐身的效果.准确率是指在一定条件下利用激光测距机准确测出激光隐身目标的次数与测量总次数之比, 准确率越小, 说明隐身效果越好.

在某一准确率条件下, 激光测距机对激光隐身目标的最大测程可以称为隐身距离.目标在隐身距离之外就认为目标对测距机是隐身的, 隐身距离越小, 说明隐身效果越好.

2 光电隐身效果评估方法

根据以上对光电隐身性能的表征分析, 其效果的评估应从隐身材料性能参数考察和隐身效果评估2方面来设计评估方法.

2.1红外隐身效果的评估

大部分红外隐身并不是采用发射率尽量低的材料涂覆被保护目标表面, 减弱目标红外辐射强度以达到对目标的隐身, 而是研究制备各种红外发射率的材料, 然后对目标进行红外迷彩设计, 使目标的红外辐射特征分布与背景一致而实现红外隐身[4].

红外隐身效果的评价主要是对运用隐身材料按照特定目标的红外辐射特性进行隐身设计的干扰效果进行鉴定.与红外隐身效果的表征相应, 其评价也有定性和定量2种手段.

在指标测试方面, 主要是从红外成像系统的探测能力出发, 根据目标的特性和红外辐射在大气中传输的特点, 找出实现目标红外隐身的条件.假设目标与背景的黑体等效温差为ΔTos, 目标斑块间的黑体等效温差为ΔTo, 当ΔTos增大时, 目标与背景间的对比度增大, 当ΔTo增大时, 目标各部分间的对比度增大.试验中测定在不同距离时ΔTos、ΔTo的变化阈值, ΔTos、ΔTo在多大范围内变化时, 目标不被红外成像系统所探测到.试验方法如图1所示.

首先将红外成像跟踪系统布设于实施隐身的模拟目标前方, 选定某一距离, 记录试验距离和初始时刻的目标与背景及目标各斑块的温度, 使红外成像跟踪系统对选定空间范围内进行扫描搜索.若发现目标, 调整试验距离, 等待做下一次试验.若未发现目标, 则对目标加热升温, 直至红外成像跟踪系统发现并锁定目标, 记录目标当前温度.待目标冷却后, 对目标的不同斑块各自升温, 直至红外热像仪识别并锁定目标, 记录目标各斑块的温度.至此, 1次试验结束.然后可在几个不同距离上测试红外热像仪标称识别、跟踪距离, 反复进行以上试验, 对不同隐身的隐身效果进行评价.

在综合评价方面, 观察红外成像系统对实施不同隐身目标的发现、识别概率, 从而对隐身效果做出评价.

一种方法是将红外成像跟踪系统架设于海边, 隐身模拟目标于海上同一距离移动, 红外成像跟踪系统对选定海域进行搜索, 在锁定目标后, 人为使跟踪系统偏离目标, 将系统的状态改为搜索状态, 如此多次对模拟目标进行搜索探测, 统计对目标的探测概率.然后使目标改变距离, 在不同的距离上反复进行上述试验, 进而评价目标隐身的效果.

另一种方法是采用红外热像仪, 在野外采集大量包含背景的有关隐身目标的红外图像, 然后, 组织有经验的人员对红外图像进行判读, 或使用计算机数字图像处理技术对红外图像进行特征提取, 找出合适的图像特征统计参数, 目标与背景的数字统计特征参数相差越大, 目标隐身效果越差, 据此对隐身效果做出评价.

2.2激光隐身效果的评估

与红外隐身注重目标材料的辐射特性不同, 激光隐身注重目标的反射特性.由脉冲激光测距机的测距方程可知, 对于漫反射大目标, 其最大测程与目标反射率的平方根成正比;对漫反射小目标, 其最大测程与目标反射率的4次方根成正比.对激光隐身效果的评价必须从激光测距机的最大测程和目标反射率入手.

2.2.1材料隐身性能评估

材料的隐身性能评估就是对目标反射率的测量.激光测距、激光跟踪和激光测速等测量系统在测量距离的要求及其分析方法上是一致的.在试验场测量中, 通常以保证一定回波率的最大作用距离保证回波作用距离来衡量测量设备的测量能力.

此项参数可在实验室内近距离条件下测量.激光测量系统的测量方程为

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式中, Pr为激光接收系统接收功率, Kr为接收系统透过率, Ar为接收口径面积, Ps为激光器发射功率, Ks为发射系统透过率, As为目标有效反射面积, θt为激光发射发散角, T为单程大气透过率, ρ为目标反射系数, θs为反射光发散角, Fs为发射激光束强度分布函数, Fr为接收光强度分布函数, R为目标距离.

若将发射激光束近似为高斯光束, 对较大漫反射目标, 测量方程由式 (1) 可简化为

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对于激光接收系统, 漫反射目标在接收光学系统前所形成的激光辐照度 (功率密度) 为

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接收激光功率密度可由激光功率计测量给出, 在近距离忽略大气衰减时可计算出不同隐身材料的近似反射率, 从而对目标涂覆某种隐身材料的隐身效果做出评价.

2.2.2隐身效果评估

激光隐身效果的评估有2种方法, 一种方法是利用激光测距机对隐身目标进行测量;另一种是利用激光半主动导引头模拟器对实施隐身的目标进行实时探测能力的测试.

(1) 激光测距评估法

激光隐身效果可通过激光测距机测距做出评价.将实施激光隐身的目标布设于试验地点, 用GPS对试验点进行定位, 用激光测距机对目标多次测距, 以GPS给出的距离为真值, 比较激光测距机测试距离, 将准确测试次数与总测距次数相比, 测定准测率.

将激光测距机和隐身目标分开一定距离架设, 并使目标做远离测距机运动.同时激光测距机对目标连续测距, 直至无法测量时, 记录最大测试距离, 在确定准测率下对测试最大距离进行计算, 得出最大测程.

(2) 激光探测评估法

激光隐身效果可通过对激光半主动寻的器对目标的探测概率做出评价.其试验方法与红外隐身效果定量评估的方法类似, 如图2所示.

将激光半主动寻的器与激光目标照射器分开一定角度架设, 使实施激光隐身的目标在不同距离上运动, 激光目标照射器对目标进行照射, 记录、统计激光寻的器对目标的探测概率, 与目标不实施隐身时的探测概率相比较, 从而评价目标的隐身效果.

3 结束语

研究光电隐身效果的评估方法对提高作战目标的生存战斗能力具有重要的现实意义, 对目标的隐身设计具有指导作用.合理设计试验测量方法可以达到更加科学的效果评估.应用上述方法还可实现对光学频段的其他波段隐身性能进行测量, 部分方法亦可用于其他干扰系统对抗效果的测量与评判.

参考文献

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激光对点器在煤矿井下测量中的应用 第10篇

【关键词】激光对点器；关键技术；煤矿；精下测量

煤矿井下作业中，由于受作业条件限制，井下测量精度会降低，对中整平效果不大，尤其是在风流较大的巷道中，巷道测量和对中整平作业都会遇到难题，收效甚微。为此必须采取相应的改进措施加以解决，有效提高煤矿井下测量的精度以及对点效果。于是，激光对点器应运而生。下面对对激光对点器的技术特点及其在井下测量中的应用作详细论述。

一、激光对点器在井下测量中应用的必要性

煤矿井下导线埋设会受环境影响，一方面巷道的断面宽度和断面面积是有限的，另一方面导线埋设时还要在巷道断面上铺装电机车轨道，所以导致导线埋设位置不能在底板，只能埋设在巷道的顶板；导线埋设时要借助到特质铜桩基点，同时将对点垂球用细线绳加以悬挂，接着对中整平；需要注意的是，由于巷道会有风流，而风流极易影响对中整平的效果，所以在对点操作时必须频繁稳定小球，以免其发生对点偏差。在这样的作业条件下，煤矿井下对中整平效果会相当不好，为了解决这一问题，传统测量工作中会采取增设挡风板这一措施对对中整平效果进行控制，这种方法有一定的可行性，但效果并是特别好，仍然会影响巷道对中整平效果，且在一些风流吹动较大的巷道，增设挡风板方法并不会有效。因此在现代煤矿井下测量作业中，我们采用激光对点器进行操作，利用激光的方向性特点，切实提高井下测量精度与对中整平效果。

二、激光对点器技术特点

1、激光对点器的主要技术

激光对点器，一种利用激光来进行对点作业的仪器，目前被广泛应用在煤矿井下测量作业中。之所以要利用激光对点器进行煤矿井下测量，主要原因是因为在传统的煤矿井下作业中，井下测量一直是一个难题。井下测量要求高精度、高效率，代表着井下测量作业中巷道对中整平一定要顺利，要严格保证巷道的对点效果。而激光对点器则刚好能做到这一点。

激光是一种受激辐射而产生的光，光源质量优质，且具有方向性好、单色性好、能量相对集中的特点。激光器射出的光只会沿着一个方向传输，并且传输过程中光的发散度比其他光源要小很多倍。激光能在射出之后形成平行光速，保持良好的传输稳定性。将激光应用到井下巷道对中整平工作中，常用的步骤是，先将激光器安装在煤矿井下架站的棱镜基座上，调平，保证仪器安装质量；然后打开激光器，将激光发射到巷道顶板测量点上，同时调整棱镜基座，使激光刚好射在测量点的中心位置，保证激光点对中；最后，从棱镜基座上取下激光器，在测量仪器上放上旋转旋钮，并加以固定。

2、激光对点器的特点

与传统的煤矿井下巷道对中整平作业相比，利用激光对点器来实施井下测量，可在很大程度上提高测量效果，保证巷道对中整平精度。原因是激光对点时不会受到巷道风流的影响，激光光束具有极好的方向性，且光束发散度小，并不会出现散光现象，所以能充分保证对中整平效果，实现激光高精度测量。另外，激光对点器使用时可以安装在棱镜基座上，操作工艺相对简单、方便。

3、主要研究内容与技术效果

当前，激光对点器已经在煤矿井下测量作业中得到极为广泛的应用，就其主要研究内容分析，不难看出激光对点器的产生是解决煤矿井下测量精度不高、巷道对中整平效果差等问题的重要方法，是保证煤矿井下测量作业顺利实施、精确贯通的必要手段。传统的导线测量方法，当巷道风流过大时，垂球对点效果很难控制，且需要频繁的控制垂球的稳定性，避免其发生测量偏差，这种方法既会延搁测量进度，也不利于高精度测量结果的获得。而激光对电器引进之后，在风大等不利于垂球对中的情况下，激光对点器能很明显的减小对点误差，大大调高测量的精度和速度，为保证巷道的精确贯通奠定了良好的基础。

三、技术评价及效益评价

1、技术评价

在煤矿测量中，对点误差的大小对测量贯通的精度有很大的影响，因此减小对中误差可以提高贯通精度。在煤矿井下受到气流扰动影响，需要频繁的稳定锤球，对中较为困难，激光对点器的应用解决了这一难题。通过激光对中，可以很好地解决因风流对垂球的影响导致的对点误差，同时减少了人力和测量对中时间，提高了测量精度。

2、经济效益

（1）以前对中时需要专人挡风（2人），现在不需要人员挡风，可以节省2人，按照每人每天工时100元，一个月下井18次计算，一年可以节省：

2（人）×18（次/月）×100（元/人/天）×12（月）=4.32万元

（2）以前一次对中通常需要5-10分钟甚至更长，现在只需1-2分钟，一次对中可以节省3-9分钟（以3分钟计算），通常一次井下测量需要测3-5站甚至更多（以平均值4站计算），按照每月下井18次计算，一年可以为井下生产节省：

4（分钟/次）×5（站/井）×18（井/月）×12（月）=4320分钟=72小时

按照岩巷每天掘进2.5米计算折合为进尺，2.5×72÷24=7.5米，岩巷单价0.8万元/米，一年可节省：

7.5米×0.8万元/米=6.0万元

一年总计节省：4.32+6.0=10.32万元。

3、社会效益

激光对点器直接安装在棱镜的基座上即可使用，激光对点器发射的激光束不受风流影响，直接投射到测点上，操作方便快捷，对点精度高。

激光对点器的应用，大大节省了人力、物力和劳动强度，提高了劳动效率。

4、推广应用的条件和前景

激光对点器本身具有环境适应能力强、激光方向性好、单色性好、对点能力强的特点，且当其应用于煤矿井下测量中时，具有操作简便、快捷，激光发散度小、稳定性高的特点，能顺利完成井下巷道对中整平操作，并保证获得良好的对中整平效果。在目前的研究工作中，激光对点器已经能被广泛应用于煤矿井下测量，并且能保证测量效果。分析激光对电器的推广应用前景，估算在未来某段时间，激光对点器将完全取代导线测量方式，成为煤矿井下测量作业所应用的主要方法。

四、结束语

激光对点器，它是直接安装在棱镜的基座上即可使用。激光对点器发射的激光束不受风流影响，直接投射到测点上，操作方便快捷，对点精度高，可以很好地解决因风流对垂球的影响导致的对点误差，同时减少了人力和测量对中时间，提高了测量精度和效率。

参考文献

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[2]曲兴华，戴建芳，张福民.基于激光测距的大尺寸测量应用研究[J].仪器仪表学报，2009（03）

[3]罗小燕，姜志宏，王芸，邢聪文.大型回转类工件形位误差的激光在线测量研究[J]. 制造技术与机床. 2010（01）

作者简介

激光测量方法 第11篇

车轮是保证轨道列车安全运行的关键部件, 不仅承载着列车的全部重量而且承受运行中产生的动作用力, 因此必须保持良好的技术状态[1]。轮缘是车轮的重要组成部分, 保证列车安全可靠地通过弯道和道岔, 对列车行驶的安全性及平稳性具有重要作用。在列车运行过程中, 车轮随着营运里程的增加而产生磨耗, 从而造成轮轨关系的变化, 降低车辆动力性能和乘车舒适度[2], 因此应定期对车轮参数进行测量, 获取轮缘高和轮缘厚等数值, 判断是否超过检修限度, 对超标车轮依据维修决策进行镟修或更换, 从而保障列车行车的安全性与舒适性[3]。

在列车运行过程中, 不同车轮的轮缘磨耗不尽相同, 且同一列车中车轮的服役时间也存在差异, 因此车轮的轮缘形状变化较大, 使得轮缘测量成为车轮尺寸测量中的难题。在现有检测方法中, 主要分为接触式测量和非接触式测量两种方式。接触式测量在国内主要是第四种检查器[4]或多连杆磁爬式工具[5], 其测量原理简单但劳动轻度大、人为误差难以消除。国外厂家采用激光位移传感器研制的便携式轮缘参数测量仪, 通过横向平移的机械传动装置使激光传感器依次扫描整个踏面, 获取完整的踏面轮廓线, 从而实现轮缘参数的计算[6]。非接触式测量主要是采用PSD或CCD激光法[7,8,9,10], 采用图像识别的方式获取踏面轮廓线, 但该方法结构复杂, 受环境影响大, 可靠性较差。

本研究提出一种基于2D激光位移传感器的非接触式在线测量方法。激光位移传感器安装在轨道内外两侧, 其输出经过坐标变换与数据融合等算法处理后, 得到车轮踏面轮廓线, 并经轮廓线几何关系得到轮缘尺寸。

1 车轮轮廓线与检测方案

1.1 车轮轮廓线与轮缘尺寸

列车车轮轮廓线为车轮圆心垂向的表面曲线, 由踏面和轮缘两部分组成, 车轮轮廓线示意图如图1所示。

车轮滚压在钢轨上的接触部分称为踏面, 车轮踏面内侧有一沿圆周突起的凸缘称为轮缘。距离轮缘内侧基准线70 mm处踏面上的点被称为基点。基点和轮缘之间的高度称为轮缘高, 距离基点12 mm高处轮缘的厚度称为轮缘厚[11]。

在检修车轮时, 主要通过测量车轮外形参数来判断车轮的磨耗程度, 这些参数包括车轮直径、轮缘厚度、踏面磨耗和垂直磨耗等, 其中以轮缘厚度、踏面磨耗最为关键。为了及时掌握轮缘厚、轮缘高等尺寸的变化情况, 对轮缘尺寸进行精确检测就显得尤为必要。

1.2 检测方案

安装于轨道内外侧的两组2D激光位移传感器以一定的几何关系镜面对称安装于轨道两侧, 每个2D激光位移传感器与轨道的相对距离L1、L2均为100 mm~450 mm, 两组传感器的激光探测面处于同一平面并使得整体装置低于轨面, 每个传感器与垂线的夹角β1、β2为45°。

其安装示意图如图2所示。

2 轮缘尺寸检测算法

轮缘尺寸测量及数据处理流程如图3所示。

系统开始工作时, 传感器采集并保存数据, 将获取的数据进行踏面数据分段、数据预处理、坐标变换、数据融合、关键数据组选择等步骤的算法处理。

2.1 数据分段

列车通过检测区域时, 激光传感器处于连续采样工作状态, 因此无法直接区分每个车轮所对应的原始数据。本研究所选用的激光传感器, 其有效测量范围为特定的距离区间, 距离过近或过远时传感器均不输出数据, 因此笔者依据该特性对采集到的原始数据进行数据分段:车轮进入激光传感器有效测量范围时传感器输出数据, 离开其有效测量范围时传感器停止输出数据, 则该段数据为对应车轮的有效数据段。针对车轮润滑装置或其他异物触发的传感器数据, 由于与车轮数据明显不一致, 可在数据分段时直接滤除, 实现数据预处理。

2.2 坐标变换

激光位移传感器的安装位置与水平面及轨向均存在一定的角度, 因此直接测得的部分轮廓线曲线会存在畸变, 应对传感器输出的有效数据进行坐标变换以矫正变形的曲线。为便于理解, 本研究将传感器本身的坐标系称为物理坐标系, 坐标变换之后的坐标系称为中间坐标系, 数据融合之后的坐标系称为融合坐标系。

外侧激光传感器1和内侧激光传感器2的物理坐标系分别表示为x (1) o (1) y (1) 和x (2) o (2) y (2) , 其相对位置关系如图4所示。

外侧激光传感器1和内侧激光传感器2的中间坐标系分别表示为u (1) o (1) v (1) 和u (2) o (2) v (2) , 则外侧激光传感器1的坐标变换如图5所示。

其坐标变换公式为:

式中: (xn (1) , yn (1) ) —物理坐标系x (1) o (1) y (1) 内任意一点;θ—该点与y (1) 轴的夹角; (un (1) , vn (1) ) —该点在中间坐标系u (1) o (1) v (1) 内的坐标值。

内侧激光传感器2的坐标变换如图6所示。

其坐标变换公式为:

式中: (xn (2) , yn (2) ) —物理坐标系x (2) o (2) y (2) 内任意一点;θ'—该点与y (2) 轴的夹角; (un (2) , vn (2) ) —该点中间坐标系在u (2) o (2) v (2) 内的坐标值。

2.3 数据融合

单个激光传感器只能获取车轮轮廓线的部分, 因此需要将两个传感器的测量数据进行融合, 从而在融合坐标系中得到完整的轮廓线数据。外侧激光传感器1和内侧激光传感器2的中间坐标系u (1) o (1) v (1) 、u (2) o (2) v (2) 与融合坐标系的关系如图7所示。

其数据融合公式为:

式中:a, b—o (1) 在融合坐标系u (0) o (0) v (0) 下的横纵坐标;c, d—o (2) 在融合坐标系u (0) o (0) v (0) 下的横纵坐标。

2.4 关键数据组选择

车轮在通过传感器有效检测区域时, 随着列车运行速度及传感器采样频率的不同, 激光传感器会输出数量不等的多组数据。通过数据融合后即可得到完成踏面轮廓线, 可根据踏面几何关系得出每组数据的轮缘尺寸。对多组数据的处理应以传感器发射的激光线穿过车轮圆心时刻所对应的一组数据为关键数据组, 根据该组数据进行轮对尺寸计算。

设激光探测面过轮心时刻所测的轮缘高为h, 其他时刻所测的轮缘高为h', 激光线过轮心示意图如图8所示。

由图8可见, h'均产生了拉伸变形, h'>h, 因此在不同时刻中所测轮缘高最小值对应着关键数据组, 以该时刻的轮缘尺寸计算值作为车轮的最终轮缘尺寸值。

3 试验与分析

为了验证本研究提出的轮缘尺寸检测方法的有效性和检测精度, 笔者在广州市地下铁道总公司赤沙车辆段运转库19道进行了现场试验, 包括轮对试验和过车试验两部分。

在轮对试验中, 笔者将单独一个轮对放置在轨道上, 人工推动轮对匀速通过检测系统。该车轮的轮缘尺寸由首先由人工进行测量, 其中轮缘高为28.2 mm, 轮缘厚为32.1 mm, 然后人工推动进行6次自动系统测量, 其结果如表1所示。可见系统测量误差为±0.1 mm。

(单位:mm)

第1次测量时激光位移传感器采集的原始数据如图9所示。经过算法处理后得到的融合坐标系下的车轮轮廓线如图10所示。

2014年6月30日至7月9日, 本研究对6162车的BC车的8个车轮进行了10次轮缘厚测量试验。每次试验均进行人工测量与系统自动测量, 10次测量结果求取平均值作为测量值如图11、表2所示。轮缘厚的人工测量值和系统测量值的偏差均在0.2 mm范围之内, 证明了本研究提出的检测系统具有很高的精度;10次测量得到的轮缘厚最大值与最小值如图12所示。可见针对8个测试车轮, 人工测量的最大最小值偏差均大于检测系统的偏差, 从而证明了本研究提出的检测系统一致性优于人工测量。

(单位:mm)

4 结束语

本研究提出了一种基于2D激光位移传感的轮对轮缘尺寸测量方法, 实现了轮缘尺寸的在线非接触式测量。在轨道两侧安装激光位移传感器进行车辆踏面数据采集, 并经过分析处理获取车轮轮廓线, 从而计算得到轮缘尺寸值。

通过现场进行的轮对试验和过车试验两组试验结果, 得出该测量方法的偏差为±0.2 mm, 系统测量的一致性优于人工测量, 即系统工作的可靠性和稳定性都较好, 能满足现场实际测量要求, 为及时掌握轮缘尺寸的变化提供了保障。与传统的人工测量或图像识别法相比, 该系统具有结构简单、可靠性高和测量准确等优点, 是轨道交通车辆轮缘测量应用的有益尝试。

摘要：针对城轨列车轮缘磨耗日益严重, 人工测量轮缘尺寸工作量大精度低等问题, 采用2D激光位移传感器设计了一种在线非接触式轮缘尺寸测量方法。通过在轨道内、外两侧安装激光位移传感器进行了车辆踏面数据采集;然后采用数据分段、数据预处理、坐标变换、数据融合等算法进行了数据处理, 获取了车轮轮廓线, 并根据踏面几何关系计算了轮缘尺寸值。轮对试验和过车试验结果表明, 所提出测量方法的偏差为±0.2 mm, 测量一致性优于人工测量, 测量系统工作稳定可靠, 能够满足城轨车轮轮缘测量的实际要求。

关键词：城轨列车,轮缘尺寸,非接触式测量

参考文献

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