激光光斑大小对判定光斑存在的误差研究

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e Error Research of the Size of Laser Hare toDetermine the Existence of e FlareXIONG Jiaxin ，ZHANG Xinmin ，JU Yinghong(1.Colege of Mechanical and Electrical Engineering，Changehun University of Science and Technofogy，Changchun 130022；2.FAW Car Co.，Ltd，Changchun 130000)Abstract：In the use of laser speed principle developed door closing force tester，through the photo electric sensofimag-ing energy introduced by the size of the spot or decision time error research，the determination method is proposedbased on the energy and time conversion spot.Practice has proved a considerable role in the raethod to improve measurement precision。

Key words：laser speed；Laser flare；measurement method入射光投射在光电传感器光敏面的能量大小是光电传感器能否感知人射光存在与否以及线性度、信噪比等参数的关键，在人射光不可控时，其入射光能量大型不均匀都会导致光电传感器及后续电路难以处理使结果产生误差。

1 仪器误差引入1.1 激光测速仪工作原理激光照射在-定粗糙度的表面形成的反射光斑是朗伯辐射体 ，在研制车门闭合力测试仪中 ，我们采用激光在参照物上的反光点作为信标。仪器需要检测被反射的激光点有或无之间的时间间隔来确定被测物通过激光束的时间隅 ，其原理图如图l所示。

图 1 激光测速 工作原理Fig.1 W orking principle oI：laser measure speed当被测物以某-速度 依次通过激光光束1和2时，反射点l和2依次从参照物转移到被测物上，光接收器依次接收到由激光反射点1和2反射的因被测物和参照物光反射性能不同而带来反射光的幅值变化，并以此完成对被测物上光斑 无的判别 ' 。

1.2 系统误差在后续电路中，我们通常需要判定如图2所示 ，因为参照物反射点的微观结构以及被测物反射点的收稿 日期：2012-07-16基金项 目：吉林势技支撑项 目 (20080537)作者简介：熊家新 (1973-)，男，硕士，副教授，主要从事光电仪器仪表研究，E-mail：xjx###cust.edu cn。

82 长春理工大学学报 (自然科学版)微观结构的不-致，两个激光反射点在接收器上成像的能量有很大可能是不-致的。而电路中，为了判定两光斑的幅值改变情况 ，可以采用参考电平比较来确定发生时刻如图2所示。

蜃射光斑焖 棚 聪 弱反在接收器成像， -、 (A ) ，、～/ - 幅图2 参考电平的比较Fig.2 The comparison of reference electrical level在图2所示中，我们用 S 和S。之间的距离来表示光斑间的距离。以S 作为光斑1有无的标志，以S 作为光斑2有无的标志。从图2中可以看出，实际真正的光斑间距或光斑有无应该是以s 到5 来确定，显然用5 到s。来代替s 到s 引入了误差。

在仪器中，两束激光光束之问的距离为20mm，激光反射光斑最大直径小于3ram，最小直径大于0.5mm；那么如图2所示，反射激光光斑大小所引入的判读距离最大是 S 到S ；最小是S 到5 ，当反射光斑变化时，仪器的判读距离将在19.5mm到23ram之间变化。南此带来的误差将在2.5%到15%，而仪器要求是l 的精度显然不可能达到。

我们可以采用极点法来获取 S 和S ，这在静止态是完全可行的，但是在上述测速仪中，我们需要测量的是光斑 l和2被挡光的时刻，因此，在测量中到S 时也不能知道该时刻就是所要的时刻而不能测试。最大值的检测可以知道其数值，但很难知道发生的时刻。

2 加权平均算法在电路中选择同-个恰当的参考比较电平是较为 容 易 的 ，即 电 路 比 较 翻 转 中 四个 值 即s 、s 、s。、s 是可知的。在本仪器中，当被测目标以最大速度lOm/s通过激光光斑时，通过最大3mm直径光斑所用的时间是300/zs，通过最小0.5ram直径光斑时间是50/zs，由此对四个值的时刻测量是可行的。如冈2所示 ，对应参考电平翻转的时刻为到 ，4，真实需要的时刻为t：，lJt ，所以，选用两个计时器，对四个时刻计量。计时器l从 t 开始计量到t 停止，获得 ，.到 之问的时问，在这段时间中包括被测物通过引起的变化时间和反射光斑幅度大小引起参考比较线的时间如 sl到5 与S 到5 的变化时间；而这个距离用 S 到5 代替S 到5 引入的误差是光斑大小带来的。而计数器2从t 开始计量到 停止，获得了通过光斑大小不同时引入的时间误差；此总的无误差时刻点 S 到S 的时问就可以表示为：- - -(/4---11) (t-：；- t2-)ts ts (1) - --- -- -时刻到 时刻的时问是需要的被测量，第-项f 时刻到 Hell的时问为第-个计时器的值，第二项是 时刻到 时刻的时间即第2个计时器数值。

3 实验数据对比为了对比，选用伺服直线电机为速度源，FI本产速度计和美国光学速度计 (关门速度仪 )Model1052 Optical Velocity Meter 00-0000 1-08(美产速度计：采用 12ram，直径 3ram金属棒，与被测物表面质量无关)作为比较对象，对研制的车门闭合力测试仪(本速度计)进行测试。

表 1 被测物为正方体表面为普通打幼纸平面的比对数据 单位 ：m/sTab.1 Comparative data of when the measured isthe cubeand and the common print white pa-per plane，units：m/s电机设定速度 O 4 0.8 1 0 1.2 l 6 2.0 2.5 3，0n产速度汁 0.40 0.8()l O1 1 21 1 61 2.02 2 51 2 97荚产速度计 0.40 O 8O 1.O1 1.2l 1 61 2()1 2.30 2 98本速度21 0.40 O 8() l O1 1.2O 1.61 2.01 2.49 2Ij9表2 被测物为直径1Omm轴承钢球表面是镜面球面的比对数据 单位：m/sTab.2 Comparative data of when the diameter ofthe measured is 10 mm and the surface of be-aring steel bal is spherical surface lens，units：m/s电机没定速度 O 4 0.8 1.0 1.2 1.6 2.0 2.5 3.0日产速度i O.4 0.8 1()() l l9 1.6l 2.01 2.52 3 0l夫产速度汁 0.4 0.8 0 99 1.21 l麒) l 98 2 48 2 97本速度汁 O 4 O.8 1.01 l 20 l 60 2.O0 2.50 2 99在改进前 ，也就是使用网2中的 寸刻到 时刻的时间作为被测物经过两束激光时所产生的两个检测光斑的计量时间。实验在不同被测物表面通过时获得数据：从表 l到表4的数据可以看出：表1和表2数据说明在被测物表面反射光斑良好时，所有仪器表现良好最大绝对误差小于0.02m/s，相对误差均小于等于 1%。用表2的数据绘出仪器的相对误差第四期 熊家新 ，等 ：激光光斑大小对判定光斑存在的误差研究 83如图3所示：图3 表2数据的相对误差Fig.3 The relative error of the data of tab.2表 3中数据可以看出，当被测物反射光斑质量较差时，除了美产速度计的测量与被测物表面无关使数据还是基本保持原样外，日产速度计和用改进前程序的本速度计均有较大的误差。其中日产速度计的最大绝对误差为0.06m/s，最大相对误差为3%；本速度计的最大绝对误差为0.14m/s，最大相对误差为6.5%表3数据的相对误差如图4所示。为此日产速度计的说明书中对反射面有严格的规定，而本仪器也要求使用方对被测物表面粘贴白色反射物来避免该问题，这样对用户使用造成不便。

表3 被测物为灰黑色工程塑料表面粗糙度4的比对数据 单位：m/sTab.3 Comparative data of when the color of themeasured is black，engineering plastic，the su-face roughness is 4，units：m/s电机设定速度 O.4 0.8 1.0 1.2 1.6 2.0 2.5 3.0El产速度计 0.41 O.82 1.03 1.22 1.63 2.05 2.55 3.06美产速度计 0.40 O.80 1.00 1.20 1.60 2.00 2.51 3.00本速度计 0.38 0.78 ].0H。 1.25 1.7O 2.13 2.58 3.14图4 表3数据的相对误差Fig.4 The relative error of the data of tab.3表4中数据可以看出，经过改进算法，对同样工程塑料的检测，本速度计精度 已经恢复为正常状态。本速度计最大绝对误差为0.02m/s，最大相对误差小于1% 。表4数据的相对误差如图所示：表4 被测物为灰黑色工程塑料表面粗糙度4的比对数据 单位：m/sTab.4 Comparative data of when the color of themeasured is black，engineering plastic，the su-face roughness is 4。units：m/s电机设定速度 O.4 0.8 1.0 1.2 1.6 2.0 2.5 3.0日产速度计 0.41 0.81 1.O3 1.22 1.63 2.O6 2.54 3.O6美产速度计 O.40 0.80 1.。O 1.2O 1.6O 2.()(]2.51 3.OO本速度计 0.40 0.80 1.00 1.21 1.61 2.01 2.51 3.02图5 表4的数提 的相对误 差Fig.5 The relative ermr。of the data of tab.44 结束语实验的结果表明，通过该种算法可以将反射光斑随反射介质的变化而导致的幅值变化而引入的误差消除，使该仪器的运用环境性得到改善，仪器精度得以提升。