嵌入式激光位移传感器及其归一化处理方法

本发明涉及的是一种位移测量技术领域的传感器，具体是一种嵌入式激光位移传感器及 归一化方法。

目前，制造业作对各种在线检测手段也提出了越来越高的要求，除了高精度、非接触、 数字化等测量性能要求之外，对于稳定性、通用性、互换性等维护性能的要求也是与日俱增， 以期不断降低维护成本，已经成为公认的在线检测领域的未来趋势。其中，位移是一项重要 的测量内容，被广泛应用在工业检测的各个领域中。激光三角位移传感器作为光电检测中的 一种非接触式测量方法，具有测量速度快、精度高、抗干扰能力强、测量点小、适用范围广 等优点，受到越来越广泛的关注。其中最具代表性的是日本Keyence、德国米铱、美国Banner、 美国MTI、日本0mron等生产高精度测量仪器公司，都将其列为重要高技术产品，并已推出 系列化的激光位移传感器。

但是目前世界上现有的激光位移传感器通常都是由测头及电箱两个部分组成，通过电缆 相连，结构比较复杂，体积(特别是电箱的体积)大，成本高。在使用过程中，需要额外安 装电箱及其显示环节，对有些场合并不适合，操作不够方便。特别是，由于现场使用过程中， 测头的损坏概率和损坏程度均远远高于电箱，因此经常需要更换测头。但是现有各种激光位 移传感器的测头与电箱经过出厂前的仔细标定与校准，是一一对应的，测头的数据为各自特 有形式化规格的数据，同一厂商不同传感器的测头与电箱之间不能互换。因此，无法满足嵌 入式测控系统的要求。

德国米依首先提出一体化激光位移传感器概念，并先后推出ILD1400和ILD1700两个系 列的处理电路的一体化集成激光位移传感器。但是这种一体化传感器处理电路的处理结果仅 仅是光斑成像在线阵CCD上的位置信息，而不是真正的位移值。需要在上位机进一步的处理， 并对原理上存在的非线性进行校准，才能最终得到被测位移值。这不仅增加了上位机的运算 工作量，而且无法满足即插即用和免运算的嵌入式按照要求。

另一方面，现有的激光位移传感器在测量不同目标时，由于目标表面特性的不同(例如 颜、粗糙度、纹理等)，一般会造成接收信号波形质量的不同甚至大幅度下降，因此带来很 大的测量误差，甚至导致传感器无法工作。这也是此类激光位移传感器的共同缺陷所在。

本发明的目的在于针对现有激光位移传感器存在的上述问题，提出一种可实现嵌入式安 装的激光位移传感器。该激光位移传感器的组成只有一个测头和电缆，将传感器的数据采集、 数据处理、标定校准等全部功能集成在传感器测头之中，并采用标准的数字接口输出，输出 结果为规格化、标准化数据。同时辅以独特的归一化激光控制方法和归一化数据处理方法， 在保证传统激光传感器的原有功能和精度的同时，使整个传感器系统的结构更加简单，集成 度更高，体积更加小，而且可以实现100％互换和嵌入式安装，测量和维护更加方便灵活，使 用范围更加广泛。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明的激光位移传感器主要包括：发射滤光片、发射镜组、激光器、外壳、处理电路、 插座、电缆、光电器件、接收镜组、接收滤光片。整个系统的工作流程是：激光器发射的激 光束通过发射镜组准直和聚焦之后，照射到被测目标的表面并形成一个光斑，该光斑通过接 收镜组成像在光电器件上，光电器件将成像位置信号转换成数字信号并传送到处理电路，处 理电路通过一定的算法得到被测物体的位移测量结果，并将位移测量结果形成标准数字信号， 通过电缆传送给其他设备。

本发明的激光器是一种小型激光器件，优先选用半导体激光器，要求输出光强和光束截 面形状的持续稳定。同时，为了满足测控要求，该激光器不仅是可以持续发光的，而且是可 以连续调制的，调制频率和脉冲宽度均为连续可调的。

本发明的光电器件可以采用线阵CCD，其像素数目可根据测量精度来选用，其采样速度 可根据传感器的测量速度要求来选用。

本发明的激光位移传感器有两组镜组：发射镜组和接收镜组。发射镜组是产生光强分布 均匀、尺寸合适的光斑，接收镜组将物体表面的光斑成像在光电元件上。

本发明的发射滤光片和接收滤光片的作用，主要是滤除其他环境杂散光，减少环境光的 干扰和影响，一个传感器工作的稳定性和可靠性。

本发明的外壳的作用，一方面是保证各个单元器件之间相互位置关系的准确和稳定，另 一方面是具有防水、防尘、防环境光干扰的作用，保证传感器具有更高的可靠性和防护等级。

本发明的插座和电缆的作用，一方面是为测头提供所需的电源，另一方面是负责将处理 电路形成的标准化的数据传送到外部设备，因此，插座和电缆均需要采用防水型器件，并采 用标准的通用数字接口。

本发明的处理电路主要实现功能包括：(1)控制激光器：处理电路包含有激光器驱动电 路模块，可以控制激光器的输出强度、调制频率和脉冲宽度。(2)驱动光电器件：处理电路 包含有光电驱动电路模块，可以驱动光电器件正常工作。(3)数据采集：处理电路包含有数 据采集电路模块，实现光敏元件输出信号的高速采集与存储。(4)数据处理：处理电路包含 有数据处理电路模块，实现对采集信号的高速处理，最终给出测量结果。(5)数据通讯：处 理电路包含有数据通讯电路模块，将数据处理后得到的位移测量结果转换为标准数字信号， 并通过标准数字接口与外部设备实现通信，交换数据。

与上述嵌入式激光位移传感器项适应，本发明提出一种归一化处理方法，可以实现即插 即用、免上位机运算和适应多种不同被测目标。具体地包括归一化激光控制方法和归一化的 数据处理方法。

本发明的归一化激光控制方法，就是采用自适应控制的方法控制激光器的发光强度和调 制频率。控制的方法可以采用常规的电流反馈和光强反馈两种，其中光强反馈的优点在于以 光强作为反馈，不会随着激光器使用时间的增加而影响，能提供更稳定的激光光强。反馈信 号则来源于光电器件的采样数据，通过对采样数据的处理，获得光斑成像的波形质量，并统 一采用“峰值”作为波形质量的评价依据，以此作为反馈信息，控制激光器的输出光强和调 制频率，由此实现接收信号的波形质量始终处于最佳状态，从而克服了被测目标变化带来的 测量误差，保证了测量精度的归一化。

本发明的归一化数据处理方法包含两个步骤的内容：第一步是将光斑位置信息转换成被 测位移信息，第二步是将传感器原理上存在的非线性进行归一化校正。

第一步位置信息转换采用的方法如下：首先采用高一等级精度的非接触式位移传感器作 为位移基准，将同步测量的本发明的激光位移传感器处理电路输出的光斑成像位置数字信号 一一对应起来，由此得到测量曲线。

第二步非线性校正采用的方法如下：将上述测量曲线进行多项式拟合，通过逐渐增加多 项式的阶次，逐步减小拟合曲线与测量曲线的偏差，直至该偏差小于激光位移传感器的精度 要求为止。此时的多项式拟合曲线即为符合精度要求的非线性校准曲线。

在实际的传感器测量过程中，以上述拟合曲线为标准对光斑成像位置进行校准，则可以 得到理想的线性测量结果，从而消除原理上存在的测量非线性误差，此时所有的传感器都具 有归一化的标准位移数字信息输出，可以实现100％的互换，上位机无需再进行计算，从而最 大限度地满足嵌入式的要求。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明的嵌入式激光位移传感器组成示意图；

图2为本发明的不同波形质量归一化处理方法示意图；

图3为本发明的传感器测量曲线示意图；

图4为本发明的三次多项式拟合曲线与测量曲线的偏差示意图；

图5为本发明的五次多项式拟合曲线与测量曲线的偏差示意图；

图中，1为被测目标，2为发射滤光片，3为发射镜组，4为激光器，5为外壳，6为处理电路， 7为插座，8为电缆，9为光电器件，10为接收镜组，11为接收滤光片。

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进 行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施 例。

如图1所示，本发明的激光位移传感器主要包括：发射滤光片2、发射镜组3、激光器4、 外壳5、处理电路6、插座7、电缆8、光电器件9、接收镜组10、接收滤光片11。整个系统 的工作流程是：激光器4发射的激光束通过发射镜组3准直和聚焦之后，照射到被测目标1 的表面并形成一个光斑，该光斑通过接收镜组10成像在光电器件9上，光电器件9将成像位 置信号转换成数字信号并传送到处理电路6，处理电路6通过一定的算法得到被测物体1的 位移测量结果，并将位移测量结果形成标准数字信号，通过电缆8传送给其他外部设备，例 如上位计算机、PLC或其他终端。

本发明的激光器4是一种小型激光器件，优先选用半导体激光器，要求输出光强和光束 截面形状的持续稳定。同时，为了满足测控要求，该激光器4不仅是可以持续发光的，而且 是可以连续调制的，调制频率和脉冲宽度均为连续可调的。

本发明的光电器件9可以采用线阵CCD，其像素数目可根据测量精度来选用，其采样速 度可根据传感器的测量速度要求来选用。例如，对于量程100mm、分辨力0.1μm、采样速度 1000Hz的位移传感器而言，需要采用像素数不少于10000pixel、速率不低于2000Hz的线阵 CCD器件。

本发明的激光位移传感器有两组镜组：发射镜组3和接收镜组10。发射镜组3是产生光 强分布均匀、尺寸合适的光斑，接收镜组10将物体表面的光斑成像在光电元件上。

本发明的发射滤光片2和接收滤光片11的作用，主要是滤除其他环境杂散光，减少环境 光的干扰和影响，一个传感器工作的稳定性和可靠性。

本发明的外壳5的作用，一方面是保证各个单元器件之间相互位置关系的准确和稳定， 另一方面是具有防水、防尘、防环境光干扰的作用，保证传感器具有更高的可靠性和防护等 级。

本发明的插座7和电缆8的作用，一方面是为测头提供所需的电源，另一方面是负责将 处理电路形成的标准化的数据传送到外部设备。因此，插座7和电缆8均需要采用防水型器 件，并采用标准的通用数字接口，例如USB、RS-232、RS-422、RS-485、CanBus、Profibus 等。

本发明的处理电路6主要实现功能包括：(1)控制激光器4：处理电路6包含有激光器 驱动电路模块，可以控制激光器4的输出强度、调制频率和脉冲宽度。(2)驱动光电器件9： 处理电路6包含有光电驱动电路模块，可以驱动光电器件9正常工作。(3)数据采集：处理 电路6包含有数据采集电路模块，实现光敏元件9输出信号的高速采集与存储。(4)数据处 理：处理电路6包含有数据处理电路模块，实现对采集信号的高速处理，最终给出测量结果。 (5)数据通讯：处理电路6包含有数据通讯电路模块，将数据处理后得到的位移测量结果转 换为标准数字信号，并通过标准数字接口与外部设备实现通信，交换数据。

本发明提出用于上述嵌入式激光位移传感器的归一化方法，可以实现即插即用、免上位 机运算和适应多种不同被测目标。具体地包括归一化激光控制方法和归一化的数据处理方法。

本发明的归一化激光控制方法，就是采用自适应控制的方法控制激光器4的发光强度和 调制频率。控制的方法可以采用常规的电流反馈和光强反馈两种，其中光强反馈的优点在于 以光强作为反馈，不会随着激光器4使用时间的增加而影响，能提供更稳定的激光光强。反 馈信号则来源于光电器件9的采样数据，通过对采样数据的处理，获得光斑成像的波形质量， 并统一采用“峰值/宽度”比作为波形质量的评价依据，以此作为反馈信息，控制激光器4的 输出光强和调制频率，由此实现接收信号的波形质量始终处于最佳状态，从而克服了被测目 标变化带来的测量误差，保证了测量精度的归一化。

图2是本发明的不同波形质量及归一化处理示意图，其中理想的最佳波形质量可如实线 所示，波形特点为高而窄，其峰值为Go尽可能大，一般可取满量程的85％左右；而实际的 波形质量如虚线所示，由于不同被测目标1的表面特性不同，常常使得采样得到的波形矮且 宽，即实际波形的峰值GR一般小于理想波形的峰值Go，从而导致波形位置定位出现较大误 差，降低测量精度。本发明采用实际采样得到的波形质量(本例中采用峰值GR)作为反馈信 息，通过控制激光器4的输出，改变波形并使之重新达到理想的最佳状态(本例中是控制激 光器4的输出，使得GR加大并近似等于Go)，从而保证了测量不同目标时，采样得到的波形 质量是同一的，从而保证了测量精度的归一化。

本发明的归一化数据处理方法包含两个步骤的内容：第一步是将光斑位置信息转换成被 测位移信息，第二步是将传感器原理上存在的非线性进行归一化校正。

第一步位置信息转换采用的方法如下：首先采用高一等级精度的非接触式位移传感器作 为位移基准，将同步测量的本发明的激光位移传感器处理电路输出的光斑成像位置数字信号 一一对应起来，由此得到测量曲线，如图3所示。

第二步非线性校正采用的方法如下：将上述测量曲线进行多项式拟合，通过逐渐增加多 项式的阶次，逐步减小拟合曲线与测量曲线的偏差，直至该偏差小于激光位移传感器的精度 要求为止。

设三次多项式函数的形式为：

y＝a×x3+b×x2+c×x+d

三次多项拟合曲线与测量曲线的偏差如图4所示，图中最大偏差约为±1mm。

设五次多项式函数形式为：

y＝a×x5+b×x4+c×x3+d×x2+e×x+f

五次多项拟合曲线与测量曲线的偏差如图5所示，图中最大偏差约为±0.2mm。

以此类推，纸质拟合曲线与测量曲线的偏差达到传感器的精度要求为止。此时的多项式 拟合曲线即为符合精度要求的非线性校准曲线。

本发明的有益效果是，与现有的激光位移传感器相比，本发明将传感器的数据采集、数 据处理、标定校准等全部功能集成在传感器测头之中，并采用标准的数字接口输出，同时辅 以独特的归一化方法，输出结果为规格化、标准化、归一化的位移数字信息。这样，在保证 传感器的原有功能和精度的同时，使整个传感器系统的结构更加简单，集成度更高，体积更 小，而且可以100％互换，完全符合嵌入式测控系统的要求。