J试验二用光学扫描法测量金属杆直径文档良心出品

1、J实验二 用光学扫描法测量金属杆直径2人 目的： 一用不同的方法测量金属杆的直径；二用激光扫描测量金属杆直径要求： 一几何阴影是如何确定的； 一试分析光线经过金属杆外表是怎样传播 的.二如何得到测量金属杆较好的实验效果？提示：单边衍射原理激光扫描测量直径 马国欣华南理工大学电子与信息学院,广东广州510640 摘要：提出一种应用光电共轲原理实现边界检出并进行激光扫描测量直径的新方法.采用该方法的测量系统中,参考信号是测量信号的反向共轲函数,两函数的一对交点与被测工件边 界相对应,工件直径可通过测量两函数交点之间的距离获得.实践验证了该方法的可行性,其边界检出精度士 1 m,连续工作漂移不大于土

2、 5 科m.关键词：直径测量；激光扫描； 光电共轲方法中图分类号：TN24 TG806文献标识码：A Laser ScanningSystem for Diameter Measurement MA Guo-xin College of Electronics and Information Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China Abstract: Signal characteristics of the measuring system is described and a ne

3、w method based on photo-electric conjugate principle to distinguish boundaries is studied. In the new method, the reference signal is conjugate with scanning one, and two functions have a couple of cross points which are responding to the boundaries of object to be measured, so the diameter can be o

4、btained via measuring the distant between two cross points. The feasibility of the method is tested by practice with the accuracy of boundary distinguishing up to +/ 1micron, and measuring error within +/5micron for continuous working . Key words:Diameter measurement; Laser scanning; Photo-electric

5、conjugate method 1 测量原理使用激光扫描方法测量圆形工件直径尺寸,具有准确、快速及良好的动态特性,已有效应用于通讯光缆、通讯电缆及类似的管线材生产限制领域,在保证产品质量、提升生产水平方 面,发挥了重要作用.激光扫描直径测量系统的根本工作原理见图1.工作过程：准直激光束被扫描转镜偏转,再经扫描物镜f- 0透镜后成为线性扫描光束.假定待测试工件 的直径为 d,扫描光束在工件边沿相对于主光轴的夹角0 ,那么有以下测量方程式10fd2= 1式中f为扫描透镜的焦距.在光路后端放置一个稳定性良好的光电探测器,当激光束扫描工件时、光电器件输出一个与工件直径相对应的光电阴影信号,经其后的电

6、子线路处理并经计算机计算补偿后可获得工件直径d,如何准确可靠地判定扫描边界是保证测量精度和稳定度的关键.收稿日期：2 0 0 3 0717; 收到修改稿日期：20 0 3 - 1 1 - 2 1作者简介：马国欣1963 ,男汉族,洛阳人,高级工程师,博士,主要从事光电子技术教学与研究.E-mail: 图1激光扫描直径测量系统工作原理图Fig.1 Laser scanning for diameter measuring Scanning mirror Objectdiameter is d f 0 Lens Photo-Detector Focusing lens

7、.扫描边界判定是实现准确可靠 测量的关键技术,常用的方法有过零检出法标准电平切割法和二次微分法波峰波谷检 出法2, 3.前者在确定工件边界时,使用了一个稳定的标准切割电平来实现零点检出, 此时标准电平为扫描激光束无遮挡时光电输出电平的二分之一,该方法在理论上可以到达较高的精度,也比拟容易实现,但在实际使用中发现,测量结果受环境的影响较大,尤其在长期工作时,系统漂移难以限制不大于10 m;后者是利用边界处扫描信号二次微分为零的特性实现边界检出,该方法在扫描光束较宽时,不确定度大,易受环境噪声影响,同时也不利于动态测量范围的扩大.本文描述了一种新确实定扫描信号边界的光电共轲方法,该方法具有较高的工

8、作稳定性,理论灵敏度较标准电平切割法提升一倍,和二次微分法相比, 可实现大的动态测量范围,以下对该方法的原理和实验结果进行描述和分析.2 激光扫描测量的光电信号特征激光扫描外径测量系统,多使用 He-Ne激光器或半导体激光器LD作为光源,扫描激光束强度在空间呈高斯型分布,测量光束束腰一般在测量场内. 为便于分析,选取束腰位置为坐标原点,此时扫描光束的空间光强分布解析式可表示为 22221exp0,0,3/yx/zEzyxE+2式中z,E00 为测量平面光束中心点处的光强,3为测量平面0, 0, z处激光束腰半径.2 1220 0e413 z +=3/3式中z为离开原点的距离,0 3是扫描光束束

9、腰半径,入为激光辐射波长.图2,当激光束扫描工件时,测量场中光电器件输出信号为 y/y/,E/k,Ekz,yiy d21exp000e2000e2222 020/8-?-=4 式中 第一项为哪一项扫描激光束不被工件遮挡时的光强度,第二项是激光束被工件遮挡切割掉的能量值,k为光电转换系数,000,E为扫描光束束腰处中央光强度.式4说明,激光光束扫描工件后.光电器件输出的光电信号不是一个标准的方波,其边界有一定斜率的过渡区,如何有效地判定该信号的边界,是实现准确测量之关键.为了提升测量系统的测量精度、降低边界不确定误差,除了压缩扫描光束尺寸相当于压缩过渡边界宽度外,提升边界判定灵敏度,实现参考电平

10、与测量信号的同步变化,应是有益的研究方向.以下进一步描述具有上述特征的光电共轲方法的机理和实现方案.3 边界检出方法描述关于光电共轲方法的一般原理4,作者在关于高斯光分布光斑尺寸测量时已进行了较详细的论述.该方法用于激光外径扫描测量时,是关于扫描激光束被一个刀口工件切割后、判断光强峰值点的问题,情形与使 用狭缝扫描时有所不同. 根据式4构造以下参 考信号函数 y/y/E/kzyiy d21exp0,0,0e2,222 0/oo- ?-= o o o5 可以看出,式5与式4在关心的范围内,变化趋势正好相反,具有很好的相关性,两者关于0,0,0e,20Ekzyi3 =对称,可视为一对共轲函数.函数

11、5可通过一个特殊的电子线路 4实现,当该函数描述的参考信号与测量信号切割时,可得到一对共轲交点,交点位置可由4、5两式联立求解 获得,即 有下式2e2d21exp22/y/y/y 33=?- / 00 -6这是一个典型的定积分,当6式成立时,0=y 对另一个边界 y = d,即两函数交点 与扫描光束峰值位置相对应见图3,确定两交点之间的距离,即可获得待测工件直径.可以证实：此时两函数在交点处的斜率最大,光电转换灵敏度相应最高,与标准电平法切割法相比,灵敏度提升一倍. 图3中,曲线1,2分别对应于式4和式5.为实现上述 思路,必须保证曲线 1, 2关于两对共轲交点连线镜像对称且同步变化,专用的信

12、号处理电 路将来自同一光电器件的光电信号分为对称的两路,一路是测量信号,另一路经变换后作为参考信号,参考信号随测量信号同步变化,很大程度上可抑制激光强度和测量信号波动的影 响. 4影响测量精度和稳定性的几个因素主要对扫描测量中的共焦特性、参考信号与测量信号的同步特性及测量光源的噪音等问题进行分析讨论.4. 1激光扫描测量的共焦特性本文所述的边缘甄别方法,其实质仍为半功率检出法,使用参考信号切割测量电平时,应注意到激光扫描测量过程中的共焦特性,这个问题近几年有学者对其进行了更加深入的计算和研究2.当测量切割电平选择在共焦点处切割满足共焦条件时,测量误 差最小,即使工件离开测量平面仍可得到较高的测

13、量精度,此时也能够得到较大的测量范围.4. 2参考信号相对测量信号同步问题4, 5两式是理想情况下得出的,两信号幅值理想情况下相等,该情形下的理论分析和实验结果说明,应用光电共轲原理判定信号边界,几乎不受激光功率缓慢变化的影响.但是,在测量信号由于光源或环境噪声小幅度快速变化时, 或当参考信号在跟踪测量信号时存在不可防止的倍率误差时,将直接对测量结果造成影响. 从定量分析的角度出发,假定实际参考信号因上述因素误差分别等效为丫和刀用百分比表示,由此引起的偏离量在远小于扫描激光束宽度比方 e <0 3/10前提下,忽略高阶小量由此造成的误差不大于0.5%得出以下有测量误差的测量结果表式2e2

14、2e20/dd3 丫 3刀+=7式中 0d为满足共焦条件时测得的工件尺寸可以视为真值.4. 3误差评估注意到刀和丫都是有正负号的量,但并非严格意义上的随机量.为了在理论分析上有一个量的概念,还是按随机误差拟合的一般原那么,式7在单次测量可能产生的最或误差值表述为22 丫刀ddd?+?= ?8式中Y d?, 丫分别是Y和丫引起的测量误差.值得说明的是,误差Y d?与光电处理电路放大倍率有关,当电子线路参数确定后,其数值和符号也就相对固定,具有一定的系统误差特征,可以进行局部补偿；而Yd?是由于激光波动、器件不均匀及环境等因素引起的,除了数值不确定,其符号也在变化,具有一定的随机误差特征,实验中通

15、过屡次采样求均值的方法,降低其对测量结果的影响.由7式可以看出,适当压缩测量光斑尺寸3可降低刀,丫的影响,有益于系统精度的提升,系统设计时应引起注意.5 实验与结果分析使用波长670 nm的半导体激光器作为光源,准直光束有效直径约2mm, f- 0物镜的焦距160.5mm,该物镜的球差和线性误差已得到很好的校正,最大扫描线性误差设计值为万分之二.测量时扫描电机标准转速2400rpm ,计数时钟频率 M013253.,实验结果在表 1中列出. 分析： 1表1中,一个脉冲对应的测量当量值为1.6m,根据脉冲计数线性情况,测量误差可限制在土 2dm以内,增加测量次数、适当降低电机转速、提升计数时钟频

16、率还可进一步提升测量精度和灵敏度；2实验脉冲计数值与理论值有一个较大的差值,影响的因素较多,如直边衍射效应、工件曲面反射、表1重复性实验结果Table1 Results of repeated experiment Standard diameters d mm Theory pulse number Counted pulse No. average of 20 times Max. error for a single measurenemt Linear pulse counting %1.998 1313 1223.2 2 0.00 5.002 3286 3092.8 2 -0.05

17、7.996 5254 4959.2 30.00 *实验测量方程的获得：假定测量方程ckdn+=,分别将最大与最小的标准轴直径和对应的实验脉冲计数值代入,两个二元一次方程联立求解即可确定k=622.87, c= 21.3.扫描透镜焦距误差、扫描转镜安装定位失准等.在实际测量时,陷入繁杂的纯数值分析与计算并 不重要,关键是提升系统的重复测量精度,测量准确度可通过计量标定及计算机补偿等方法实现；3实验中,测量脉冲计数相对于测量方程出现了非线性,小直径相对于大直径测 量形成了测量负差,除了扫描透镜特性因素外,测量场扫描光束尺寸的影响是最主要的原因,在测量更小工件直径时,这种非线性有上升的趋势,此时衍射

18、效应是主要原因,可以考虑分段补偿举措,该问题对于提升测量准确度十分重要,有待进一步探讨.6 结语本文论述的边界信号处理方法,已在通信电缆芯线生产线的激光测径与限制系统中得到应用, 外径测量限制误差土 4科m 分辨力设定 1科m,长期工作漂移不大于土5师,而之前的系统漂移很难限制在土 10师 以内,说明基于共轲原理的信号处理方案具有良好的光电自适应 特性,适用于动态测量限制,是一种有效的激光扫描边界信号处理方法.3.1光学系统原理分析3.1J 激光扫描法能量原理如图3-1所示3 3-1激光拦指注注虽居酉1一激光器2反射黄3一扫描转箕4一准直透豌5一熨光镜6一光电菱收-被测H件从激光器L发出的漱光

19、光束.经反射箱2射向H描转镜箱再经扫描转黄3的反射 面反射,经过准直透镰4后.光束成为平行于光轴的平行光束对工件才进行扫描,经聚 光镜f聚光后进入光电接L攵器品最后经光电变换和电子学数笔处理系统处理.便可得1激光器2反射镜 3扫描转镜4准直透镜5聚光镜6光电接收 7被测工件从激光器1发出的激光光束,经反射镜2射向扫描转镜3,再经扫描转镜3的反射面反射,经过准直透镜4后,光束成为平行于光轴的平行光束对工件7进行扫描,经聚光镜 5聚光后进入光电接收器6,最后经光电变换和电子学数据处理系统处理,便可得到被测工件的测量结果.从图3-1中可以看出激光扫描法的测量原理,由于工件被激光扫描而产生光强调制作用,这个光 强调制信号携带有被测信息,经光电转换与数据处理,即可得到测量值.通常用此原理测量 被测工件的直径 D,此时被测工件直径 D 可由(3-1 )式给出 tvD(3-1) 式中,v为扫描速度；t为扫描时间.在v一定时,只要测出工件遮挡扫描光束的时