Nghiên cứu, ứng dụng cơ sở lý thuyết để tính toán, thiết kế đầu đo laser 3D theo phương pháp đo theo điểm dựa trên nguyên lý tán xạ

LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC

Nghiên cứu, ứng dụng cơ sở lý thuyết để tính tốn,
thiết kế đầu đo laser 3D theo phương pháp đo
theo điểm dựa trên nguyên lý tán xạ
Research, building theoretical basis for calculation, designing
measuring 3D laser by measuring points method on the
principle of scattering
Phạm Ngọc Linh
Email:
Trường Đại học Sao Đỏ
Ngày nhận bài: 4/10/2019
Ngày nhận bài sửa sau phản biện: 24/12/2019
Ngày chấp nhận đăng: 31/12/2019
Tóm tắt
Bài báo này trình bày nghiên cứu cơ sở lý thuyết để tính tốn, thiết kế đầu đo 3D laser theo phương
pháp đo theo điểm. Phương pháp này có thể nói như là phương pháp đo từng điểm trên bề mặt của chi
tiết, sau đó ghép các điểm này lại với nhau ta thu được biên dạng của chi tiết. Chiếu tia laser lên bề mặt
của chi tiết, vệt sáng của tia laser trên bề mặt vật đo có vai trò như một vật phát sáng dạng ánh sáng
tán xạ. Sử dụng một hệ quang tạo ảnh lên bề mặt của cảm biến quang điện. Khi bề mặt tại điểm đo dịch
chuyển, thì vị trí điểm ảnh của tia laser trên cảm biến quang điện cũng dịch chuyển một lượng tương
ứng. Khi đó quỹ đạo của điểm ảnh thu được sẽ tương ứng với bề mặt của chi tiết đo.
Từ khóa: Tia laser; phương pháp đo theo điểm; nguyên lý tán xạ.
Abstract
This paper presents theoretical basis research to calculate and design 3D laser transducer according
to point measurement method. This method can be said as the method of measuring each point on
the surface of the part and then joining these points together to obtain the profile of the part. Projecting
the laser on the surface of the component, the laser beam's light on the surface of the object acts
as a scattered light emitting object. Use an optical system to create images on the surface of the
photoelectric sensor. When the surface at the measuring point is shifted, the pixel position of the laser
on the photoelectric sensor also moves the corresponding amount. The trajectory of the resulting pixel

corresponds to the surface of the measuring element.
Keywords: Laser; point measurement method; principle of scattering.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong đo lường điều khiển hiện đại, việc thu thập
và xử lý thông tin qua ảnh để nhận biết đối tượng
và điều khiển đối tượng đang được quan tâm và
ứng dụng rộng rãi, bởi phương pháp này giúp ta
có thể thu nhận được nhiều thông tin từ đối tượng
mà không cần tác động trực tiếp đến đối tượng.
Người phản biện: 1. PGS.TS. Hoàng Văn Gợt
2. PGS.TS. Trần Vệ Quốc

Việc kết hợp laser trong các thiết bị kiểm tra đo
đạc cho phép đạt độ chính xác cao, thời gian lấy
mẫu nhanh có thể đạt hàng ngàn lần trên giây [4].
Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu cơ sở lý
thuyết để tính tốn, thiết kế đầu đo laser 3D theo
phương pháp đo theo điểm theo nguyên lý tán xạ.
2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Nguyên lý của phương pháp đo
Nguyên lý chung của các cảm biến đo bằng tia

Tạp chí Nghiên cứu khoa học, Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4 (67).2019 35


NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
laser theo phương pháp tam giác lượng: tia sáng
laser chiếu lên bề mặt vật đo bị tán xạ. Vệt sáng
của tia laser trên bề mặt vật đo có vai trị như
một vật phát sáng dạng ánh sáng tán xạ [2]. Sử

dụng một hệ quang tạo ảnh lên bề mặt của cảm
biến quang điện CB. Khi bề mặt tại điểm đo dịch
chuyển một lượng ∆Z, thì vị trí điểm ảnh của tia
laser trên cảm biến quang điện cũng dịch chuyển
một lượng tương ứng [1]:
∆h = b∆Zsin(i+g)/cos(i)
Trong đó:
b: hệ số khuếch đại của hệ quang;
g: góc nghiêng của trục hệ quang với pháp tuyến
của mặt phẳng tới.
Tia lazer

Tỷ số truyền [1]:
K = b∆Zsin(i+g)/cos(i)
Sự phân bố cường độ sáng và hình dạng của
ảnh phụ thuộc vào góc tới i, góc nghiêng của trục
quang g, độ lớn của ∆Z và dạng phóng tán xạ tại
điểm đo.
Cường độ sáng của điểm ảnh tia laser phụ thuộc
vào công suất của tia laser, độ tán xạ và đường
kính vịng chắn sáng của hệ quang. Song việc
tăng đường kính vịng chắn sáng sẽ làm tăng độ
không đều của phân bố cường độ sáng của điểm
ảnh [3].
Phương pháp tán xạ chịu ảnh hưởng ít của góc
nghiêng bề mặt điểm đo song lại phụ thuộc vào
đặc điểm tán xạ của bề mặt chi tiết đo và quang
sai của hệ quang. Hiện nay hều hết các cảm biến
đều dùng phương pháp tạo ảnh.
2.2. Hàm truyền đạt

Cảm biến
quang

Hình 1. Sơ đồ nguyên lý đo theo phương pháp
tán xạ [2]

Sơ đồ đo của đầu đo laser như hình 2 [1].
Ta sẽ có hàm truyền của ảnh khi đo với các số liệu
biết trước là:
Điểm M’(0,0) là điểm gốc ban đầu do ảnh của vết
ảnh là điểm M, tâm ảnh OMi của vết ảnh Mi’ có tọa
độ là (0,∆y) ứng với dịch chuyển điểm đo so với
góc chiếu đo Mo là X.

Hình 2. Sơ đồ tạo ảnh [2]
Từ sơ đồ trên, bằng phương pháp tốn học ta tìm
mối quan hệ giữa ∆y và X [2].

𝑔𝑔𝜙𝜙& =

!!
$

(1)
!

𝜙𝜙& = 𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑔𝑔( !)
$
𝑎𝑎𝑔𝑔(𝛷𝛷& + 𝛺𝛺) =

(2)

!! "#
$

(3)
!! "#

(𝛷𝛷& + 𝛺𝛺) = 𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑔𝑔(
! "#

$

)

(4)
!

!! "#

𝛺𝛺 = 𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎(

$

!

) − 𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 + $! ,

𝐿𝐿& +

+ 𝑋𝑋
𝑋𝑋
𝐿𝐿
′
𝑎𝑎𝑎𝑎(𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎( &
)
𝛥𝛥𝛥𝛥 =
= 𝑂𝑂𝑀𝑀
𝑂𝑂𝑀𝑀%%′′ .. 𝑎𝑎𝑎𝑎𝛺𝛺
𝛥𝛥𝛥𝛥
𝑎𝑎𝑎𝑎𝛺𝛺 =
= 𝑂𝑂𝑀𝑀
𝑂𝑂𝑀𝑀%%′ .. 𝑎𝑎𝑎𝑎(𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎(
𝐻𝐻 )
𝐻𝐻
!∘

!∘
−𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎(
))
−𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎( ))
$

$



(5)

(6)

Đây chính là phương trình hàm truyền đạt của
phương pháp đo. Từ phương trình hàm truyền ta
cũng đưa ra được hàm xác định giá trị thực từ các
giá trị đo [2].

𝛺𝛺 = 𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑔𝑔( ! ) − 𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑔𝑔 . ! /
$
$
36 Tạp chí Nghiên cứu khoa học,Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4 (67).2019
!∘
! "#
𝛥𝛥𝛥𝛥 = 𝑂𝑂𝑀𝑀%′ . 𝑎𝑎𝑔𝑔𝛺𝛺 = 𝑂𝑂𝑀𝑀%′ . 𝑎𝑎𝑔𝑔(𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑔𝑔( !$ ) − 𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑔𝑔( $ ))


LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC
!! "#

⇒ 𝑎𝑎𝑎𝑎 "𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 (

$

!! "#

⇒ "𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 (

$

%&

!

) − 𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 ( $!)+ = '(′
!

) − 𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 ( $! )+ =

%&

'("′

"

(7)

2.3. Khảo sát các thông số ảnh hưởng đến
hàm truyền đạt

(8)

Từ phương trình hàm truyền, ta thấy kết quả đo sẽ
phụ thuộc vào các thông số như L (khoảng cách
từ đầu đo đến chi tiết), H (khoảng cách từ nguồn
laser đến đầu đo), f (độ phân giải của đầu đo).
Khảo sát L, H, f để đạt được thiết kế hợp lý. Để
khảo sát các đường đặc tuyến biểu thị mối quan
hệ của L, H, f với ΔZ, ta sẽ thay đổi các giá trị của
L, H, f và cho giá trị Z biến đổi rồi tính ra sự biến
đổi của Y.

𝐿𝐿! + 𝑋𝑋
𝐿𝐿!
𝛥𝛥𝛥𝛥
, = 𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 ' , + 𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 /
4 (9)
𝐻𝐻
𝐻𝐻
𝑂𝑂𝑀𝑀"′
𝐿𝐿!
𝛥𝛥𝛥𝛥
⇒ 𝑋𝑋 = 𝑡𝑡𝑡𝑡(𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑡𝑡𝑡𝑡( ) + 𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑡𝑡𝑡𝑡(
))𝐻𝐻 − 𝐿𝐿!
(10)
𝐻𝐻
𝑂𝑂𝑀𝑀"′
Độ cao của điểm Mi’ so với điểm M được xác định
theo: h = Xsina
Như vậy, từ hàm truyền và hàm xác định giá trị
thực từ các giá trị đo ta tính được tọa độ tâm ảnh
của vết ảnh ứng với mỗi vị trí của vết laser khi màn
chắn dịch chuyển 1 khoảng X. Và ngược lại khi
biết tọa độ tâm ảnh ta sẽ tính được khoảng dịch
chuyển của màn chắn.
⇒ 𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 '

- Với L: cho L thay đổi từ 40 đến 50 mm với giá trị
một lần thay đổi là 0,5 mm. Sau khi khảo sát thu
được đồ thì đường đặc tuyến biểu thị mối quan hệ
giữa L và ΔZ (hình 3).

Hình 3. Đồ thị quan hệ giữa L và ΔZ
Qua đồ thị ta thấy được: Với L càng lớn thì độ
nhạy của đầu đo càng lớn tức là độ nhạy của
đầu đo càng cao, kết quả đo càng chính xác. Tuy
nhiên, khi L càng lớn thì kết cấu của đầu đo càng
cồng kềnh, phức tạp.

- Với H: Cho H thay đổi từ 25 đến 45 mm. Khảo sát
sự thay đổi của H ta thu được biểu đồ mối quan hệ
giữa H và ΔZ (hình 4).

Hình 4. Đồ thị quan hệ giữa H và ΔZ
- Với f: ta cho giá trị của f thay đổi từ 600 đến 800
pixel. Sau khi khảo sát ta thu được đồ thị mối quan

hệ giữa f và ΔZ (hình 5).

Tạp chí Nghiên cứu khoa học, Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4 (67).2019 37


NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

Hình 5. Đồ thị quan hệ giữa f và ΔZ
Tương tự ta cũng thu được biểu đồ thể hiện mối
quan hệ của f và ΔZ thông qua các đường đặc
tuyến khi cho Z thay đổi và tìm sự thay đổi của Y
với mỗi giá trị f khác nhau, f lớn thì độ nhạy của
đầu đo cũng tốt hơn. Nhưng số liệu f phụ thuộc
vào thông số của camera sử dụng, với f càng lớn
thì yêu cầu về độ phân giải của camera càng lớn

và giá thành càng cao. Do đó, tùy thuộc vào các
điều kiện thực tế ta chọn camera sẽ có được giá
trị f theo camera.
Như vậy, từ các số liệu thu được này ta có kết
luận rằng kết cấu đầu đo phụ thuộc vào các thông
số L, H, f. Khi ∆Z càng lớn, đường đặc tuyến càng
nghiêng thì độ nhạy của đầu đo do các thông số
ban đầu càng thể hiện rõ nét.
3. KẾT LUẬN
Nghiên cứu này đã đưa ra được mối quan hệ giữa
sự thay đổi bề mặt chi tiết với các điểm ảnh thu

được trên cảm biến, xây dựng được hàm truyền
đạt của đầu đo và phân tích được các yếu tố
ảnh hưởng đến hàm truyền đạt, từ đó áp dụng
vào trong các trường hợp cụ thể để lựa chọn các
thông số của đầu đo cho phù hợp.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]

Trần Đình Tường, Hoàng Hồng Hải (2006),
Quang kỹ thuật, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ
thuật.

[2]

Hoàng Ngọc Hai, Mai Xuân Toàn (2013), Thiết
kế máy đo quét laser 3D, Đồ án tốt nghiệp đại
học, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.

[3]

Nguyễn Văn Vinh (2007), Bài giảng Laser,
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.

[4]

Nermina Zaimovic-Uzunovic (2010), Samir
lemes - influences of surface parameters on laser
3D scanning, University of Zenica, Fakultetska.

THÔNG TIN VỀ TÁC GIẢ
Phạm Ngọc Linh
- Tóm tắt q trình đào tạo, nghiên cứu (thời điểm tốt nghiệp và chương trình đào tạo,
nghiên cứu):
+ Năm 2010: Tốt nghiệp Đại học chuyên ngành Máy chính xác, Trường Đại học Bách
khoa Hà Nội
+ Năm 2013: Tốt nghiệp Thạc sĩ ngành Cơng nghệ kỹ thuật cơ khí, Trường Đại học Bách
khoa Hà Nội
+ Năm 2018: Tốt nghiệp Tiến sĩ ngành Cơng nghệ và Máy móc khai thác rừng và lâm
nghiệp, Trường Đại học Tổng hợp Kỹ thuật lâm nghiệp Saint - Petersburg mang tên
X.M. Kirov
- Tóm tắt cơng việc hiện tại: Giảng viên Khoa Cơ khí, Trường Đại học Sao Đỏ
- Lĩnh vực quan tâm: Kỹ thuật đo, công nghệ 3D, tính tốn thiết kế máy
- Email:
- Điện thoại: 0387456386

38 Tạp chí Nghiên cứu khoa học,Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4 (67).2019