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1、 第 3 章 激光三角测距实验3.1 实验目的学习激光三角测距基本原理；了解激光三角测距的应用；搭建激光三角测距系统，实现测量距离的显示，掌握激光三角测距技术。3.2 实验原理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。由于入射光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。3.2.1 直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入射光轴移动。接收透镜接收来 自入射光点处
2、的散射光，并将其成像在光点位置探测器(如 PSD、CCD)敏感面上。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得；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；b为接收透镜后主面到成像面中心点的距离；1为激光束光轴与接收透镜光轴之间的夹角；2为探测器与接收透镜光轴之间的夹角。3.2.2 斜射式 0 3.2 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。 若光点的像在探测器敏感面上移动 x，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
3、，1为激光束光轴与被测面法线之间的夹角；2为成像透镜光轴与被测面法线之间的夹角。为探测器光轴与成像透镜光轴之间的夹角。当2为零时，属于斜入射直接收式。3.2.3 直射式和斜射式特点比较0 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。 0 直射式接收散射光，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。0 斜射式入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。 0 直射式光斑较小，光强集中，不会因被测面不垂
4、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。斜入射直接收式传感 器的体积和直入射式相当，并且分辨率高于直射式，因此较为常用。 3.3 实验装置激光笔、二维平移台、CCD 接收器、被测样品、直尺、数码管、单片机。3.4 实验内容与要求3.4.1 实验内容基于斜入射式三角测距原理，利用上述装置搭建激光三角测距系统，对实验装置进行标定，并利用单片机和数码管进行位移控制和距离显示。3.4.2 实验步骤（1） 依据图 3.3 搭建实验系统；（2） 利用单片机编制位移台的控制程序；（3） 测距装置标定：利用单片机控制平移台运动，每移动一次，用直尺测出随平移台的被 测样品的位移，同时记录探测器上接收光点的位置坐标；（4） 利用标定数据拟合出标定曲线样品运动位移和探测面上光斑位置的关系曲线；（5） 移动平移台任意位置，记录探测面上光斑位置坐标，算出光斑位移，然后根据标定曲 线得出样品位移，同时，利用单片机实现距离的数码显示，完成测距实验。3.4.3 要求（1） 实验前必须预习；（2） 了解实验内容及其原理；（3） 完成实验报告。3.5 思考题（1）激光三角测距适合应用于哪些场合？（2）目前常用哪些方法光学测距法？试举例，并说明其优缺点。32
