摘要:以点激光位移传感器为对象，研究其在自由曲面测量中的应用。针对激光位移传感器因测量点倾角而导致的测量误差，提出了可量化的倾角偏差模型。根据照射点激光三角法的原理，阐述了激光光路的几何关系，从聚集点光能质心的偏差中推导出倾角偏差模型。随后，激光位移传感器采用高精度激光干涉仪和正弦规校对测试，测量结果采用偏差模型进行补偿。数据显示，激光位移传感器的测量精度在补偿后得到了显著提高。透镜测量了一个非球。μm，满足在自由曲面测量中使用激光位移传感器的需要。
关键字：激光位移传感器;自由曲面测量;非接触测量;三角法测量;误差补偿
引言
激光位移传感器具有非接触、无测量力、响应速度快、检测范围广等优点。目前广泛应用于精密检测和逆向工程领域。特别是在零件复杂的曲面检测中，激光位移传感器可以替代常规的接触传感器，有效提高检测效率，无需标记或补偿测量头半径。但激光位移传感器的测量精度容易受到系统本身的非线性误差、物理表面粗糙度、物理表面颜色、测点物理表面倾斜角等诸多因素的影响。
解则晓、罗立强、刘国栋等学者对不同表面颜色的被测物品进行了研究，发现红色对传感器的影响最小，黑色最大。通过调节光强，可以减少物面颜色的偏差，建议使用红色和橙色作为被测材料表面的颜色。对于激光位移传感器检测的影响，吴剑锋、宋开臣、张国雄等学者进行了深入研究。研究发现，当被测物体表面的粗糙度值较低或较亮时，激光束会在产生漫反射的同时产生较强的镜面反射，而折射光强度会导致较大的测量误差。当表面粗糙度过大，激光束照射到表面凹凸处时，光点的形状会发生很大的变化，导致光敏元件导出不稳定，进而产生偏差，影响测量精度。对于物体表面光泽和粗糙度的影响，可以选择合适的光束入射角度来优化激光位移传感器的参数值。在0.4中，被测物面的粗糙度Ra～3μm时，对激光位移传感器的测量精度影响不大，可以免于补偿。物面倾角带入的偏差在影响激光位移传感器精度的诸多因素中最大。VukasinovicN、黄潇苹、王永清、庄葆华、王少清等学者对此进行了深入研究，但这些研究的观点都是定性研究，但需要研究和制定定性模型来有效补偿工程应用中的倾角偏差。
本文以行业内具有代表性的点激光位移传感器为研究对象，根据激光三角法原理，建立了影响测量精度的景深和倾角偏差模型。之后，在坐标测量系统中，传感器被高精度激光干涉仪校准。测量数据通过偏差模型进行调整，使传感器的测量精度达到10。μm以内。最后，曲面测点倾角的计算方法在非球面透镜型面的测量中提出，测量数据通过倾角偏差模型进行调整，显著提高了测试精度。
误差补偿模型和校对试验
建立1.1倾角偏差模型
激光位移传感器的测量原理:激光发射器发出一束平行光，聚焦在被测材料表面，产生漫反射光。一些光源通过接收透镜在CCD感光表面成像。当被测物体沿着光束的入射方向移动时，材料表面的散射光斑与显像镜的位置相比发生了变化，感光器件上的像点位置也相应地发生了变化。准确测量像点在线阵CCD感光面上的位移，可以获得被测物体的位移变化。因为测量时激光的入射光束和反射光束构成了三角形测量方法1，所以称为三角形。
图中ω这是两个反射光束的交角。中式β接收镜片轴线的入射光束和交角;φCCD感光面与接收镜片轴线的交角;L是接收镜片的物距，即A点与接收镜片前主面的距离;L“代表接收镜片的像距，即接收镜片后主面与显像面中心点的距离。当被测物体表面移动时，在参考平面下方取正号，相反取负号。
从激光三角法的测量原理可以看出，传感器的设计参数是基于垂直入射被测物面。当传感器的入射光束与被测物面不垂直时，物面的倾斜改变了散射光场与接收镜头相比的空间布局，促使聚集光点在线阵CCD感光面上的光能质心位置与垂直入射时相比发生变化。如果垂直入射时的校准模型仍然用于计算位移，则必须产生偏差，即倾角偏差。这是测量误差产生物面倾斜的主要原因。研究和补偿激光位移传感器的倾角偏差，可以有效提高自由曲面的测量精度。
如图2所示，光能质心线在线阵CCD感光面上的投射点是光能质心，光能质心接收到感光面上的聚光点。当物体表面倾斜时，CCD感光表面的光能质心与其几何中心相比有偏差，因此检测到的光能质心不是光点的几何中心。激光束在材料表面的透射非常复杂。为了便于定量分析，这里假设被测物体表面有理想的漫透射，没有吸收，然后引入光能质心线的投射点C的距离如下:
假定标定时激光位移传感器的入射光束为垂直入射，即物面没有倾斜时，θ'=θ1|α=0。当激光位移传感器标定时，α入射，即物面倾斜时，θ'=θ1|α≠0。那倾角偏差如下：
从公式(3)可以看出，变量只有物面倾角。α以及物品位移量x，其它设计参数为激光位移传感器，通过分析可以看出：
(1)激光位移传感器的测量误差随着测量物面倾角的增大而增大，当物品位移量X一定时;
(2)当物面倾斜时α激光位移传感器的测量误差随着测量景深的增大而增大;
(3)当α>0时，激光位移传感器测量误差的取值符号与位移相同;α0时，激光位移传感器测量误差的取值符号与位移相反。
以上推导是假设被测物体的表面是理想条件，符合朗伯定律，并类似于一些值。虽然理论值和实际测量值之间存在一定的误差，但从工程应用的角度来看，本文推导出的理论量化模型提高了实际的测量精度，值得应用和推广。
1.2激光干涉仪校对试验
在实验中，我们选择了某公司生产的点激光位移传感器。采用红色半导体激光(658nm)作为灯源，通过光照元件芯片上集成的原始信号处理电路的“系统芯片”技术，获得了高密度的光照元件和接近极限的响应速度，可以实现更高的分辨率。
该传感器附带的控制器功能齐全，可以优化算法，补偿测量方法和被测物体的颜色、材料、粗糙度等参数。在使用过程中，根据被测物体的特点，在操作盘对话菜单中设置相应的参数值可以减少误差。市场上很多传感器厂商都没有提供倾角偏差模型。为了促进激光位移传感器在精密检测应用领域的应用，研究了倾角误差补偿。
激光位移传感器的倾角偏差试验装置由激光位移传感器、高精度激光干涉器、正弦规则、标准测量块和研究小组开发的坐标测量系统组成。如图3所示，正弦规则表面被用作被测物体表面。通过调整标准测量块的高度，可以获得正弦规则的倾斜角度，其计算方法如下:
在△ABC中，BC=AB·sinα.(4)
从公式(4)可以看出，通过计算量块的高度，选择一定的标准量块组合，可以构建一定的物面倾角。
激光干涉仪通过激光双频干预的原理实现位移测量。激光波长具有长度测量的可追溯性，检测范围特别广，可达到纳米的测量精度;它不仅可以用来检测一些大规模、高精度的几何，还可以用来测量基准、校准和校准一些精密测量仪器或工件
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