摘要：為了提高超限檢測工作的效率、減輕超限工作人員的工作強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)超限檢測的自動(dòng)化，設(shè)計(jì)了采用德國SICK公司具有雙脈沖技術(shù)的二維激光脈沖測距傳感器的智能對動(dòng)態(tài)車輛的寬高檢測系統(tǒng)。采用激光傳感器進(jìn)行快速測量，利用PC工控機(jī)和可視化編程軟件VB的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)核與傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸及處理，同時(shí)還設(shè)計(jì)了界面友好的上位機(jī)控制軟件。現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該系統(tǒng)實(shí)時(shí)性好、測量精度高，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

現(xiàn)代儀器儀表的智能化趨勢使得各種傳感器的應(yīng)用日益廣泛。由于激光具有許多優(yōu)點(diǎn)，使得利用這些特性研發(fā)的激光檢測和控制系統(tǒng)具有先進(jìn)的技術(shù)性能、方便的使用性能和簡潔的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。激光傳感器一般是由激光發(fā)生器、光學(xué)零件和光電器件所構(gòu)成的，它能把被測物理量(如距離、流量、速度等)轉(zhuǎn)換成光信號，然后應(yīng)用光電轉(zhuǎn)換器把光信號變成電信號，通過相應(yīng)電路的過濾、放大和整流得到輸出信號，從而算出被測量。借助于激光所具有的優(yōu)點(diǎn)(如方向性好、亮度高、單色性好、相干性好等)，激光傳感器通常具有結(jié)構(gòu)簡單可靠、抗干擾能力強(qiáng)、非機(jī)械接觸、分辨率高、精度高、示值誤差小、穩(wěn)定性好、宜用于快速測量等優(yōu)點(diǎn)。

隨著科技的不斷發(fā)展，國家對治超工作的要求也不斷提高，無論是從效率還是精準(zhǔn)度來說，智能化的超限檢測工具必將得到廣泛的應(yīng)用。鑒于上述情況，設(shè)計(jì)了基于激光掃描傳感器技術(shù)的高效率高精度的智能型車輛超寬超高檢測系統(tǒng)。

1 激光測距傳感器的測量原理

激光測距是一種主動(dòng)光學(xué)探測方法。主動(dòng)光學(xué)探測的探測機(jī)制是：由探測系統(tǒng)向目標(biāo)發(fā)射波束(在光學(xué)探測中，一般是紅外或可見光)，波束被目標(biāo)表面反射產(chǎn)生回波信號。回波信號中直接或間接地包含待測信息。接收與信號處理系統(tǒng)通過接收和分析回波信號，獲得被測量。激光具有相干性強(qiáng)、亮度高、方向性好等優(yōu)點(diǎn)，因此激光出現(xiàn)后，立刻成為了絕大多數(shù)主動(dòng)光學(xué)探測系統(tǒng)的首選光源。

目前，脈沖激光測距已獲得了廣泛的應(yīng)用，如地形測量、地球到月球距離的測量等。圖1為脈沖激光測距系統(tǒng)簡圖，其工作原理如下：人機(jī)操作發(fā)出測距指令，觸發(fā)激光器發(fā)出激光脈沖，一小都分能量透過分束片，作為參考脈沖直接送到脈沖采集系統(tǒng)，作為計(jì)時(shí)的起始點(diǎn)，啟動(dòng)數(shù)字式測距計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)；另一幫分由折射棱鏡反射，射向目標(biāo)。一般發(fā)射前端有望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)，為的是減少出射光束的發(fā)散角，以提高光能面密度，增大工作距離，還可以減少背景和周圍非目標(biāo)物的干擾。到達(dá)目標(biāo)的激光束有一部分被表面漫反射回到測距儀；經(jīng)接收物鏡和光學(xué)濾波器，到達(dá)探測器APD，窄帶光學(xué)濾波器的主要作用是充分利用激光優(yōu)良的單色性，提高系統(tǒng)的信噪比；光探測器APD將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，然后將電信號進(jìn)行信號放大、濾波整形。整形后的回波信號關(guān)閉時(shí)間間隔處理模塊，使其停止計(jì)時(shí)。這樣，根據(jù)時(shí)間間隔處理的結(jié)果t即可計(jì)算出待測目標(biāo)的距離L為：

L=ct/2 (1)

式(1)中，c為光速。圖1中，濾光片和光圈可以減少背景及雜閃光的影響，降低探測器輸出信號中的背景噪聲。根據(jù)式(1)，脈沖測距精度△L，可以表示為：

△L=c△t/2 (2)

由式(2)可知，系統(tǒng)處理的時(shí)間閫隔精度△t直接決定了脈沖激光測距系統(tǒng)的測距精度△L。

2 系統(tǒng)組成及數(shù)據(jù)處理

本系統(tǒng)以德國SICK公司的LMS系列戶外型非接觸式激光傳感器為數(shù)據(jù)采集設(shè)備，用工控機(jī)作為數(shù)據(jù)的處理設(shè)備，系統(tǒng)組成如圖2所示。LMS系列傳感器是一種戶外型非接觸式的高精度、高解析度外部傳感器，其工作原理是基于對激光束飛行時(shí)間的測量，其按照定義好的時(shí)間間隔發(fā)出激光脈沖，通過定時(shí)器計(jì)算發(fā)射脈沖和接收脈沖之間的時(shí)間間隔來得到與被測物體之間的距離。脈沖激光束經(jīng)過測距傳感器內(nèi)部的一個(gè)旋轉(zhuǎn)反光鏡的反射對周圍環(huán)境形成扇面掃描。目標(biāo)物體的輪廓線曲所接收到的一系列脈沖序列來確定。LMS傳感器的掃描頻率是25Hz/50Hz，角度頻率是(0.25°/0.5°，掃描角度范圍是0°～270°，最大掃描距離是20m，標(biāo)準(zhǔn)測量精度為±0.30m，安全防護(hù)等級為IP67，對人眼安全。惡劣的環(huán)境因素對測量范圍沒有影響，可用于室外溫度-30～+50℃的環(huán)境中。LMS系列激光傳感器采用激光脈沖測距的方法計(jì)算出被測物體的掃描輪廓線上若干點(diǎn)到傳感器的距離，并以極坐標(biāo)的形式實(shí)時(shí)地通過高速網(wǎng)絡(luò)接口上傳給工控機(jī)進(jìn)行后期處理。由于網(wǎng)口的數(shù)據(jù)傳輸速度可達(dá)100Mb/s，所以不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失問題，保證能實(shí)時(shí)地完整地將所測數(shù)據(jù)上傳到工控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。工控機(jī)通過可視化編程語言VB的網(wǎng)絡(luò)通訊內(nèi)核Winsock與LMS系列傳感器直接進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換。在使用Winsock控件時(shí)，首先要考慮使用TCP還是UDP通信協(xié)議。TCP通信協(xié)議控件是要求連接的通信協(xié)議，類似于電話系統(tǒng)。在開始數(shù)據(jù)傳輸前，使用者必須先建立連接，其上還有錯(cuò)誤檢查機(jī)制，避免數(shù)據(jù)被分散傳遞，因傳輸?shù)倪^程較慢而錯(cuò)誤較少。如果數(shù)據(jù)是比較重要的，使用此方式比較好。而UDP通信協(xié)議是一種不需要連接的通信協(xié)議，兩臺計(jì)算機(jī)之間的傳輸類似于傳遞郵件：信息從一臺計(jì)算機(jī)傳送到另一臺計(jì)算機(jī)，但是兩者之間沒有明確的連接。由于和TCP的方式比起來，它的錯(cuò)誤檢查比較簡單，因此速度比較快，要求速度時(shí)，使用此方式比較恰當(dāng)。