摘要：三角测量法是一种传统的位移测量方法，随着激光器、光电探测器和计算机的发展，三角测量法有了很 多新的进展和应用。对激光三角位移测量系统进行概述和讨论。根据光线的不同人射方式激光三角位移传感器主 要分为两种：直人射式和斜人射式。分别介绍了这两种方法的测量原理，并对它们各自的特点进行了比较。最后阐述了高精度激光三角位移传感器的应用方向及发展趋势。

　　关键词：三角测量法；高精度激光位移传感器；光电探测器；非接触测量

　　引　言

　　三角测量法是一种位移测量方法，其最大优点 是非接触性测量。随着激光器的诞生及新的光电扫 描技术与阵列型光电探测器的发展，计算机控制与 数据处理使这种传统的方法有了很多新的进展和应用。

　　1　激光三角位移测置法的分类及原理

　　最简单的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 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。

　　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 人射光轴移动。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。但由于传感器激光光束与被测面垂 直，因此只有一个准确的调焦位置，其余位置的像都处于不同程度的离焦状态。离焦将引起像点的弥 散，从而降低了系统的测量精度。为了提高精度，和必须满足Scheimpflug条件，即

　　式中，为横向放大率。此时一定景深范围内的被测点都能正焦成像在探测器上，从而保证了精度。

　　图1直射式光路图

　　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：

　　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；6为接收透镜后主面到成像 面中心点的距离；a为激光束光轴与接收透镜光轴之间的夹角，•氏为探测器与接收透镜光轴之间的夹角。

　　1.2　斜射式

　　图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。此时应满足的Scheimpflug条件为

　　若光点的像在探测器敏感面上移动I'，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，A为激光束光轴与被测面法线之间的夹角； A为成像透镜光轴与被测面法线之间的夹角；A 为探测器光轴与成像透镜光轴之间的夹角。

　　当&为0°时，此时为斜射直接收式，如图3 所示。光点移动Y时，被测面沿法线方向移动的距离为

　　式中各个参数的含义与图2所示相同，它属于斜射式传感器的一个特例。

　　图3斜入射直接收式光路图

　　2　两种三角位移传感器特性的比较

　　基于三角测量法的传感器称为激光三角位移传感器，具体可分为直射式激光三角位移传感器和 斜射式激光三角位移传感器。这两种传感器都可以 对被测面进行高精度、高速度的非接触测量，但比 较起来有以下几点区别:

　　(1)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。直射式由于其 接收散射光的特点，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。
　　
　　(2)在被测物体表面发生如图3所示位移X 时，斜射式人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。

　　(3)直射式的优点是光斑较小，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。斜人射直接收式传感器的体 积和直人射式相当，并且分辨率高于直射式，因此 较为常用。

　　通常用超小型、高效率、结构简单、价格便宜的 半导体激光器作为光源，光电探测器可以采用阵列 光电探测器CCD或非阵列半导体光电探测器 PSD。在具体的应用中，应该根据实际情况，如被测 面的粗糙度、工作距离、测量范围、安装位置、精度 要求等来决定选择哪种类型。

　　3　应用方向与发展趋势

　　目前国内外有很多公司都有这方面的产品，直射式有Keyence生产的LC系列和LB系列，德国 Micro-Epsilon 公司的 optoNCDT系列，美国MTI 公司的MicroTRAK系列等多种型号；斜射式激光 位移传感器有日本Keyence公司的LD系列。表1 列出了目前市场上常见的几种激光三角位移传感 器的技术指标。

　　表1激光三角位移传感器的技术指标

　　高精度激光三角位移传感器常见的应用有以下4个方面：

　　(1)振动、偏移、间隙、振荡、经向振摆、厚度;
　　(2)弯曲、变形、平整度、斜度；
　　(3)尺寸、公差、分选、另件分选；
　　(4)生产过程质量控制和尺寸检验。

　　这只是无数应用中一些基本的应用。已经研究的另一些更复杂的形貌测量技术，包括Moire轮廓 术、Fouriei•变换轮廓术、相位测量轮廓术等也最终 归结于三角测量法，只不过在不同的测量技术中采 用不同的方式从观察光场中提取三角计算中所需的几何参数。

　　由于三角位移传感器属于非接触测量，因此对 被测材料无特殊要求，既可测金属材料，也可测非 金属及柔软材料[7]，并且还可测量易污染、易磨损 的材料[8]。在恶劣环境下也可进行测量。大量研究 表明，光学三角法更适于加工表面粗糙度的非接触 测量。

　　基于三角测量法的双三角测量法，可以进行静 态三维测量。它采用两个光电探测器，目标点 分别在成一定角度的两个探测器上成像，这样就可 以得到目标点的空间坐标[11]。
由三角测量法的原理可知三角位移测量是采 用激光光点作为探头[12]，且为非接触测量，测量速 度快，加之计算机在测量中的应用，使得激光三角 位移传感器在动态扫描测量[13]方面也有长足的发 展。动态扫描测量是把激光扩束成多线光投射到被 测表面上，用光电探测器采集物体表面漫反射光， 然后转变成电信号输人计算机，利用三角几何量之 间的关系，得出物体表面的三维坐标，实现对被测 面的动态扫描测量。

　　随着工业生产的发展，激光位移传感器将向着 高速度、高精度、多功能、多参数、小尺寸的方向发 展。它将在机器视觉、自动加工、工业在线检测、产 品质量控制、实物仿形、生物医学等领域具有重要 的意义和广阔的应用前景。（作者：冯俊艳，冯其波，匡萃方）

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