基于DSP的激光三角测距传感器研究

摘要

随着新材料的出现和加工精度的不断提高，对表面检测技术提出更多的要求，检测过程中常用的接触式检测很难对一些尺寸很小或柔软和脆性材料的工件进行测量。基于三角测量法的激光位移传感器作为一种新型的非接触式测距传感器，具有结构简单、测量速度快、精度高、抗干扰能力强、非入侵等优点，因此在自动加工、在线检测、实物仿形等工业生产领域得到了广泛的应用。 由于实际应用中，激光位移传感器存在非线性误差和激光点的散斑，并且测量精度易受被测表面倾斜角度和表面特征不同的影响、系统响应速度的影响、环境影响等，可能导致测量精度下降，甚至使传感器系统无法正常工作。 本课题从影响激光位移传感器测头工作的根本原因出发，定量或者定性的分析了各种影响因素，提出了改进的方法和措施，并进行了DSP系统设计。主要有以下工作： 1. 经过分析与比较，决定设计的三角测距传感器采用直射式，系统的光源部分使用半导体激光器，图像传感器选用高精度的线阵式CCD。根据系统技术要求，对光学参数进行设计和确定，选择能使测量精度提高的最优方案。 2. 对CCD采集到的原始图像，采用均值滤波和改进的中值滤波以得到较为稳定的图像信号。分析了各种算法，通过对CCD所采集到的数据进行修正的算法来提高CCD的分辨率，从而提高测距传感器测量精度。分析了概率法、解调法、灰度质心法、多项式插值法、多项式拟合法，以及这些经典的提高CCD的分辨率的算法的优缺点，实验证明采用平方加权灰度质心法能够得到更好的结果。 3. 提出了一种新的光强度自适应控制方法，采用FPGA控制调节激光器的驱动电流大小，该方法能够感测物体表面并将激光强度调整到最佳状态。同时设计了恒流源驱动电路，能够稳定的驱动激光器。 4. 设计和CCD匹配的AD采集电路，运用FPGA解决外部慢速器件和高速处理器的接口问题，提出显示、抗干扰和存储器扩展方案。 5. 结合系统所涉及的电气参数、测量环境和处理算法，设计基于TMS320VC5509A微处理芯片的线阵CCD微位移测量系统，完成系统软件设计。 6. 在深入分析光学三角法测量原理的基础上，研究影响测量精度的因素，对主要影响因素的影响机理进行详细的分析，并针对这些问题提出解决方案，从最大程度上减小外界环境变化和参量误差对测量的影响。