基于线阵CCD和FPGA的多激光光斑位置探测装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于线阵CCD和FPGA的多激光光斑位置探测装置及方法，装置包括激光发射模块、CCD传感器模块、FPGA信号处理模块、数据存储与传输模块和上位机。方法包括：激光发射模块垂直发射多束线激光至待测件表面；CCD传感器模块采集待测物件反射的激光，并进行光电转换；FPGA信号处理模块对模拟电信号进行放大及模数转换，并实现多激光光斑中心定位，且将处理后的数据传输至数据存储与传输模块和上位机；上位机根据定位结果并利用激光三角法求取每个光斑对应的位置信息，最终获得待测件的几何信息并输出结果。本发明专利技术具有非接触性、高灵敏度、高精度、实时性强和自动化程度高等优点，能满足工业生产的要求，且成本低、结构简单，具有广阔的应用前景。

Multi-Laser Spot Position Detection Device and Method Based on Linear CCD and FPGA

【技术实现步骤摘要】
基于线阵CCD和FPGA的多激光光斑位置探测装置及方法
本专利技术属于光电测量
，特别是一种基于线阵CCD和FPGA的多激光光斑位置探测装置及方法。
技术介绍
位置探测在诸多工业
如测厚、测宽和面形检测等都具有重要的意义，传统的位置探测方法包括人工测量、机械测量等，这些方法测量效率低、精度低、且不能进行实时测量，而且有的测量方法是与被测物件直接接触，会对被测物件有二次损伤，这些方法已不能适用于现代化的工业生产。随着光电技术和机械电子等技术的发展，基于激光三角测量的位置探测技术逐渐得到了应用。光电测量的方法具有非接触性、精度高和测量速度快等优点。传统的基于激光三角测量的位置探测技术，在工业领域如测厚和测宽中，其是使用单点对射的方式检测位置信息，进而获取厚度值和宽度值等。这种方法是无可非议的，但若将其应用到面形检测领域，将会出现问题，这是由于在工业面形检测领域中，使用单点激光检测将无法避免因被测物件的上下跳动而带来的位置检测误差，因而影响面形检测结果。FPGA(FieldProgrammableGateArray，现场可编程门阵列)以并行运算为主，通过硬件描述语言来实现，它集成度高、逻辑功能强、灵活性大以及运行速度快，目前已被广泛的应用于数字电路的设计。结合FPGA进行位置探测具有重要的研究意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种具有非接触性、处理速度快、实时性高、探测精度高、成本低等优点的位置探测装置及方法。实现本专利技术目的的技术解决方案为：基于线阵CCD和FPGA的多激光光斑位置探测装置，包括激光发射模块、CCD传感器模块、FPGA信号处理模块、数据存储与传输模块和上位机；所述激光发射模块，用于垂直发射多束线激光至待测物件的表面；所述CCD传感器模块，用于接收待测物件反射的激光，并进行光电转换，完成光信号的采集与转换；所述FPGA信号处理模块，用于对光电转换之后的模拟电信号进行预处理以及模数转换，并实现多激光光斑中心定位；所述数据存储与传输模块，用于存储FPGA信号处理模块的图像数据，并将多激光光斑中心定位结果传输至上位机；所述上位机，用于获取FPGA信号处理模块的结果数据，利用激光三角法求取每个光斑对应的位置信息，最终获得待测件的几何信息并输出结果。基于线阵CCD和FPGA的多激光光斑位置探测方法，包括以下步骤：步骤1、上位机控制激光发射模块垂直发射多束线激光至待测物件的表面；步骤2、CCD传感器模块采集待测物件反射的激光，并进行光电转换；步骤3、FPGA信号处理模块对光电转换之后的模拟电信号进行放大预处理以及模数转换，并实现多激光光斑中心定位，且将处理后的数据传输至数据存储与传输模块；步骤4、FPGA信号处理模块将多激光光斑中心定位结果传输至上位机，上位机根据定位结果并利用激光三角法求取每个光斑对应的位置信息，最终获得待测件的几何信息并输出结果。本专利技术与现有技术相比，其显著优点为：1)激光发射模块采用线激光器，以垂直的方式发射多束线激光，一次获取多点的位置信息，相互修正位置探测的结果，大大减少面形等几何信息检测结果的误差，且其由上位机控制，有机的结合了激光发射模块与其它模块，提高了自动化、智能化程度；2)光电信号的处理基于FPGA完成，利用FPGA的高速性能，在FPGA里嵌入多激光光斑中心的定位算法，处理多个光斑信号，快速获得各个光斑的像素位置信息，不仅提高了信号处理的速度，而且减少了信号处理模块开发的成本；3)与上位机的通信是基于千兆以太网传输，大大提高了数据的传输速率，提高了检测装置显示的实时性；4)测量装置基于激光三角法，并采用多束激光探测的方式，可以实现非接触性的在线实时测量，且精度高。下面结合附图对本专利技术作进一步详细描述。附图说明图1为本专利技术基于线阵CCD和FPGA的多激光光斑位置探测装置的结构框图。图2为本专利技术位置探测装置的工作原理图。图3为本专利技术光电信号处理的原理框图。图4为基于FPGA信号处理的多激光光斑中心定位方法流程图。具体实施方式结合图1，本专利技术基于线阵CCD和FPGA的多激光光斑位置探测装置，包括激光发射模块、CCD传感器模块、FPGA信号处理模块、数据存储与传输模块和上位机；激光发射模块，用于垂直发射多束线激光至待测物件的表面；CCD传感器模块，用于接收待测物件反射的激光，并进行光电转换，完成光信号的采集与转换；FPGA信号处理模块，用于对光电转换之后的模拟电信号进行预处理以及模数转换，并实现多激光光斑中心定位；数据存储与传输模块，用于存储FPGA信号处理模块的图像数据，并将多激光光斑中心定位结果传输至上位机；上位机，用于获取FPGA信号处理模块的结果数据，利用激光三角法求取每个光斑对应的位置信息，最终获得待测件的几何信息并输出结果。进一步优选地，激光发射模块包括由位于同一水平面上且同轴设置的N个线激光器构成的激光器阵列，且激光发射模块通过上位机控制。进一步示例性地，线激光器采用自适应变功率的调节技术控制，激光器可以根据线阵CCD接收光斑能量大小的反馈，自适应的调节激光器的输出功率，以确保线阵CCD接收到能量合适的光斑信息。由此抑制了因光强过大或过小CCD信号的过饱和或太弱问题的出现。进一步优选地，CCD传感器模块包括依次设置的避免杂光进入的滤光片、控制曝光量的孔径光阑、光学镜头以及线阵CCD传感器；且光学镜头与线阵CCD传感器的轴线间存在使得CCD传感器模块满足恒聚焦光路条件的夹角θ。进一步地，FPGA信号处理模块对光电转换之后的模拟电信号进行预处理，具体为：利用运算放大器对模拟电信号进行放大处理。进一步优选地，数据存储与传输模块将数据传输至上位机，具体为：基于以太网PHY芯片实现网络通信，并通过UDP协议及千兆网口将数据传输至上位机。结合图2、图3，本专利技术基于线阵CCD和FPGA的多激光光斑位置探测方法，包括以下步骤：步骤1、上位机控制激光发射模块垂直发射多束线激光至待测物件的表面；步骤2、CCD传感器模块采集待测物件反射的激光，并进行光电转换；步骤3、FPGA信号处理模块对光电转换之后的模拟电信号进行放大预处理以及模数转换，并实现多激光光斑中心定位，且将处理后的数据传输至数据存储与传输模块；步骤4、FPGA信号处理模块将多激光光斑中心定位结果传输至上位机，上位机根据定位结果并利用激光三角法求取每个光斑对应的位置信息，最终获得待测件的几何信息并输出结果。进一步地，结合图4，步骤3中FPGA实现多激光光斑中心定位，具体为：步骤3-1、对数字信号进行滤波；步骤3-2、根据滤波后信号的峰值对多激光光斑进行分割，获得若干个单激光光斑；步骤3-3、利用质心法求取每个激光光斑的中心。示例性优选地，步骤3-1中滤波具体采用均值滤波法。本专利技术基于线阵CCD和FPGA的多激光光斑位置探测装置及方法，基于激光三角测量技术实现，采用多束激光探测的方式，并将FPGA作为CCD传感器模块的主控器，具有非接触性、高灵敏度、高精度、实时性强和自动化程度高等优点，能够满足工业生产的要求，且成本低、结构简单，具有广阔的应用前景。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于线阵CCD和FPGA的多激光光斑位置探测装置，其特征在于，包括激光发射模块、CCD传感器模块、FPGA信号处理模块、数据存储与传输模块和上位机；所述激光发射模块，用于垂直发射多束线激光至待测物件的表面；所述CCD传感器模块，用于接收待测物件反射的激光，并进行光电转换，完成光信号的采集与转换；所述FPGA信号处理模块，用于对光电转换之后的模拟电信号进行预处理以及模数转换，并实现多激光光斑中心定位；所述数据存储与传输模块，用于存储FPGA信号处理模块的图像数据，并将多激光光斑中心定位结果传输至上位机；所述上位机，用于获取FPGA信号处理模块的结果数据，利用激光三角法求取每个光斑对应的位置信息，最终获得待测件的几何信息并输出结果。

【技术特征摘要】
1.一种基于线阵CCD和FPGA的多激光光斑位置探测装置，其特征在于，包括激光发射模块、CCD传感器模块、FPGA信号处理模块、数据存储与传输模块和上位机；所述激光发射模块，用于垂直发射多束线激光至待测物件的表面；所述CCD传感器模块，用于接收待测物件反射的激光，并进行光电转换，完成光信号的采集与转换；所述FPGA信号处理模块，用于对光电转换之后的模拟电信号进行预处理以及模数转换，并实现多激光光斑中心定位；所述数据存储与传输模块，用于存储FPGA信号处理模块的图像数据，并将多激光光斑中心定位结果传输至上位机；所述上位机，用于获取FPGA信号处理模块的结果数据，利用激光三角法求取每个光斑对应的位置信息，最终获得待测件的几何信息并输出结果。2.根据权利要求1所述的基于线阵CCD和FPGA的多激光光斑位置探测装置，其特征在于，所述激光发射模块包括由位于同一水平面上且同轴设置的N个线激光器构成的激光器阵列，且激光发射模块通过上位机控制。3.根据权利要求1所述的基于线阵CCD和FPGA的多激光光斑位置探测装置，其特征在于，所述CCD传感器模块包括依次设置的滤光片、孔径光阑、光学镜头以及线阵CCD传感器；且光学镜头与线阵CCD传感器的轴线间存在使得CCD传感器模块满足恒聚焦光路条件的夹角θ。4.根据权利要求1所述的基于线阵CCD和FPGA的多激光光斑位置探测装置，其特征在于，所述FPGA信号处理模块对光电转换之后的...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈文建，李自奇，李武森，贺龙龙，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32