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明川大学颂十学位论文 基于空间滤波的工件在线检测方法 光学专业 研究生万堑指导教师曹益平 先进制造技术的迅猛发展对产品检测技术和检测手段提出了更高的要求， 在线、动态、数控、自动化测量已成为趋势；计算机硬件水平的提高与新型传 感器的应用，使得在生产现场对大量信息的处理成为可能。采用合适的装置将 被测工件的光学图像转换成数字信号，进一步对其分析以得出有关被测要素的 数值，可以明显地提高检铡效率和检测适应性。 为此，本文提出了一种基于空间滤波的工件在线检测方法，并结合s 一5 1 单片机与通用串行总线技术实现了对工件误差的自动分级与处理。 该方法将标准工件与待测工件对称放置于光学4 f 系统输入面的两侧，频谱 面上放置精确移动了1 4 个周期的正弦光栅，这样在输出平面的中心部位就得 到了两个物体相减的图像。用视场光阑空间滤波后，经过一缩放光学系统只保 留携带有两物体差异信息的光强信号，用光电池探测其光强并经i v 转换、前 置放大、限位与a d 转换后输入到单片机上进行处理。 本文做了以下几方面的工作： 1 建立了该测量方法的数学模型。 2 用m a t l a b 模拟验证了其可行性，指出了同步信号的产生与准直系统的设 计过程中应该注意的问题。 3 讨论了高斯光束经准直系统后的光斑大小对测量精度的影响。对准直系 统与光学4 f 系统不共轴产生的影响也进行了说明。 4 在硬件设计方面，提出了在线检测系统的总体设计方案，介绍了该系统 中用到的主要芯片、系统硬件电路中主要模块的设计以及p c b 设计等内容。 l ! 坠生茎兰堡主兰竺堡三 塑矍 5 在u s b 2 0 协议的基础上提出了在线检测数据采集与传输系统的 c y 7 c 6 8 0 1 3 固件程序的设计思路。在完成采集系统固件程序开发的基础上，论文 对固件程序中的主程序、初始化函数、中断例程等内容进行了论述。 该方法具有快速、非接触、可在线测量的特点。 关键词：空间滤波、光学4 f 系统、无损测量、在线检测、通用串行总线、e z u s b f x 2 ，g - a x l 9 5 i l 广 i i j ： 、 f 3 四川大学硕十学位论文 m e t h o df o rw o r k p i e c eo n - l i n et e s tb a s e do i l - s p a t i a lf i l t e r i n g m a j o r ：o p t i c s g r a d u a t e ：k u nw a n s u p e r v i s o r ：y i p i n gc a o a st h er a p i dd e v e l o p m e n to fm a n u f a c t u r i n g ，m o r ea d v a n c e dd e t e c tt e c h n i q u ea n d m e a n sf o rp r o d u c t sa r er e q u i r e d o n l i n et e s t ，d y n a m i ct e s t , n u m e r i cc o n t r o la n d a u t o m a t i cm e a s u r e m e n ta r eb e c o m i n gt h et r e n d o nt h eo t h e rh a n d ，p r o c e s s i n go f m a s s i v ei n f o r m a t i o no nt h ep r o d u c t i o nf i e l di sm a d ep o s s i b l eb e c a u s eo ft h e i m p r o v e m e n to fp ch a r d w a r ea n dt h ea p p l i c a t i o no fb r a n d - n e ws e n s o r s c o n v e r t o p t i c a li m a g eo fm e a s u r e dw o r k p i e e ei n t od i g i t a is i g n a lu s i n gp m p e rd e v i c e ，t h e n o b t a i nn u m e r i cv a l u er e l a t e dt om e a s u r e dw o r k p i e c eu n d e rf b r t h e ra n a l y s i s ，t h et e s t e f f i c i e n c ya n da d a p t a b i l i t yc a nb ei m p r o v e do b v i o u s l y i nt h i sd i s s e r t a t i o n , aw o r k p i e c eo n - l i n et e s tm e t h o db a s e do ns p a t i a lf i l t e r i n gi s p r o p o s e da n dt h ew o r k p i e c ea u t o g r a d i n gp r o c e s s i n gs y s t e mi sa c c o m p l i s h e db y c o m b i n i n gm c s - 5 1s i n g l ec h i pm i c r o p r o c e s s o r ( s c m ) a n du n i v e r s a ls e r i a lb u s ( u s b ) e t c i nt h i sm e t h o d b o t ho f t h es t a n d a r dw o r k p i e e ea n dt e s t e dw o r k p i e c ea r ep l a c e do n t h ei n p u tp l a n eo fo p t i c a lp r o c e s s i n gs y s t e ms y m m e t r i c a l l y , w h i l eas i n eg r a t i n g w h i c hp r e c i s e l ys h i f t1 4g r a t i n gp e r i o di ss e to nt h es p a t i a ls p e c t r u mp l a n e ，t h e s u b t r a c to u t p u to p t i c a lf i e l dd i s t r i b u t i o no ft h e s et w ow o r k p i e c ei so b t a i n e do nt h e c e n t e r o f t h e o u t p u t p l a n e b y f i l t e r i n g o u t t h e p a r t o f s u b t r a c t o u t p u l b ya v i s u a ls t o p t h r o u g ham i n i f i c a t i o no p t i c a ls y s t e mt h ei n t e n s i t ys i g n a l t h a t o r d yc a r r yt h e d i f f e r e n c eb e t w e e nt h e s et w ow o r k p i e c ei sd e t e c t e db yp h o t r o n i cc e l l ，a f t e ri - v c o n v e r s i o n , p r e a m p l i f i c a t i o n , c l a m p i n ga n da dc o n v e r t i n g ，t h ew o r k p i e c ee r r o r i 叫川大学坝| u 学位论文 摘要 i n f o r m a t i o ni ss a m p l e di n t ot h es c mt ob ep r o c e s s e d t h em a i nr e s u l t so b t a i n e dc a l lb es u m m a r i z e da sf o l l o w i n g ： 1 t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo f t h eo n 1 i n et e s tm e t h o di se s t a b l i s h e di nd e t a i l 2 b ys i m u l a t i o nw ev e r i f i e di t sf e a s i b i l i t y s e v e r a lp r o b l e m sn e e dt ob ep a y a t t e n t i o nt oi nt h ed e s i g no fs y n c h r o n i z i n gs i g n a lg e n e r a t o ra n dc o l l i m a t i o ns y s t e mi s a n a l y z e d 3 s e v e r a li n f l u e n c ef a c t o r s d e f e c t i n g m e a s u r e m e n ta c c u r a c ya r ed i s c u s s e d ； i n c l u d i n gt h es i z eo fp h o t o s p h e r i cf a c u l ao fg a u s s i a nb e a ma f t e rc o l h m a t i o ns y s t e m ， o p t i c a lp r o c e s s i n gs y s t e ma n dc o l l i m a t i o ns y s t e ma r en o n - c o a x i a l 4 f o rt h eh a r d w a r ec i r c u i td e s i g n , t h eo v e r a l ld e s i g ns c h e m eo f n o l i n et e s ts y s t e m i sd e s i g n e di n c l u d i n gt h em a i nc h i p su s e di nt h es y s t e m ，t h em a i nm o d u l e so f h a r d w a r ec i r c u i ta n dt h ep c b l a y o u te t c 5 b a s e do nt h eu s b2 0s p e c i f i c a t i o n ，d e s i g ns c h e m ef o rc y 7 c 6 8 0 1 3 sf i r m w a r e i sd e v e l o p e di n c l u d i n gt h e d e s i g nm e t h o d ，d e v e l o p i n gs t r u c t u r e ，m a i np r o g r a m , i n i t i a lf u n c t i o na n di n t e r r u p tr o u t i n e t h em e t h o dw ep r o p o s e dh a st h e a d v a n t a g e so ff a s t - s p e e d , n o n - c o n t a c ta n d o n 1 i n em e a s u r e m e n t k e yw o r d s ：s p a t i a lf i l t e r i n g ，o p t i c a lp r o c e s s i n gs y s t e m ，n o n c o n t a c tm e a s u r e m e n t ， o n - l i n et e s t ，u s b 2 0 ，e z - u s bf x 2 ，m a x l 9 5 i v ， o l 四川大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题提出背景 随着科学技术的不断发展和进步，世界制造技术的水平也不断地提高，由 过去的单机床生产发展到现代的流水线生产；由原来的人工操作发展到现代的 数控机床( c n c ) 、加工中心、柔性制造系统( f m s ) 、计算机集成制造系统( c i m s ) 等先进加工方式。先进制造技术的应用，显著地提高了制造业的劳动生产率和 产品质量，逐步实现了生产过程的自动化和智能化，使得生产的规模不断扩大， 产量也随之扩大。 先进制造技术的迅猛发展对产品检测技术和检测手段提出了更高的要求， 在线、动态、数控、自动化测量己成为趋势，计算机硬件水平的提高与新型传 感器的应用，使得在生产现场对大量信息的处理成为可能。采用合适的装置将 被测工件的光学图像转换成数字信号，进一步分析以得出有关被测要素的数值， 可明显地提高检测效率和检测适应性【l “。 为此，本文提出了一种基于空间滤波的工件尺寸在线检测方法，并结合 m c s 一5 1 单片机与通用串行总线技术实现了对工件尺寸误差的自动分级与处理。 1 2 在线检测方法简述， 在生产线上，如何实现工件尺寸的在线动态无损检测，一直是人们十分关 注并努力予以解决的问题。恶劣的工况条件，使人们至今仍大多采用传统的离 线、人工的检测手段。这种检测不能实时跟踪工件尺寸的变化，会造成大批的 产品不合格和材料的严重浪费。在线检测则能很好地解决这些问题【5 1 。 1 2 1 在线检测的概念 工业上的在线检测，狭义上讲，是指在工业生产线上，加入某一环节，以 便对生产中某些参数或工况进行的检测。广义上说，在线检测应当包括检测与 控制。也就是说，在生产线上，应用各种传感器，对被生产的产品的某些参数 进行实时监测。将分析、处理测量结果所获得的信息，与预先设定的参数进行 比较，然后根据误差信号做出工艺决策，以保证产品的质量或使生产线处于最 佳运行状态l 。 明川大学硕士学位论文第一章绪论 在线检测技术的社会经济效益巨大。在线连续监测产品生产过程中的各种 质量指标，及时准确地发现各种产品质量缺陷，保证了产品质量，减少了材料 的消耗，同时降低了成本；在线检测可以减少停机检修时间和设备调整时间， 减少检测人员数量，从而提高劳动生产率；在生产环境恶劣的地方，在线检测 还可以减轻工人的劳动强度，改善工作环境。 1 2 2 工件尺寸检测概况 目前用于工件尺寸检测的方法主要有接触式测量和非接触式测量。 1 接触式测量：接触式测量通常用于静态检测，即采用机械设备或机械与 电子相结合的电子检测设备接触被测物体，获取工件的尺寸信息，这种方法需 要人工操作、检测速度慢、效率低，而且是有损检测。但机械设备具有稳定性 高、成本低、携带方便等优点，目i 箝仍被广泛应用【7 - - s 。 2 非接触式测量：在一些特殊场合，接触式测量并不适合，如连续运行的 生产线上，一些环境恶劣或被测对象不允许接触的场合，这时就要考虑用非接 触手段来完成测量。 图1 - 1 线阵c c d 尺寸测量原理 物体的非接触测量有光学、电磁，超声波和温度等几种方法。其中利用c c d 2 四川大学硕十学位论文第一章绪论 拍摄物体的图像，通过平滑滤波去噪，提取物体的边缘轮廓后，计算出物体尺 寸的方法得到了广泛的应用i 州卫。 如图l l 所示，该方法的基本原理如下：被测物体被均匀照明后，经光学 系统按一定倍率成像( 影像反映了被测件的尺寸) 在c c d 的光敏面上，c c d 器件把 光敏面上工件影像的光学信息转换成与光强成正比的电荷量。用一定频率的时 钟脉冲驱动c c d ，在c c d 输出端即可获得被测件的视频信号。视频信号中每一个 离散电压信号的大小对应着该光敏元所接收光强的强弱，信号输出的时序则对 应光敏元的位置。对视频信号进行二值化处理后，得到的矩形波宽度即与被测 工件的一维尺寸成正比。再用单片机系统对矩形波进行测量、处理，即可显示 被测件的尺寸。 但是该方法存在着增大测量范围和提高测量精度之间的矛盾，要解决这个 问题，可以采用高位数的c c d ，但是增加了成本；也可以采用“双眼”双端扫 描测量方式，但是外围辅助装置又比较复杂，并且也不能解决实时性较差的弱 点，因此我们提出了本文的方法。 1 3 基于空间滤波的工件尺寸在线检测 光学测量技术中最直观的方法是利用物体的光强分布来检测物体的尺寸、 形状和位置，它的特点是可以用于非接触的在线测量，与计算机结合能够提高 检测速度和精度。本文就提出了这样一种通过测量标准件与待测件差异大小所 表征光强的大小来获取待测件尺寸信息的方法。该方法直接探测两物体差异部 分的能量，不使用c c d 器件，降低了系统成本，同时也提高了检测速度，具有 一定的实用价值。 本文的基本思想是：利用基于光学4 f 系统的图像相减原理，在其输入面上 并行对称放置两个待相减的物体，在频谱面上放置一正弦光栅，光栅矢量必须 与两物体并行排列方向相同，且光栅条纹间距必须与两物体中心间距相匹配。 将光栅沿光栅矢量方向精确平移l 4 个周期，在输出平面的中心部位即可获得 两物体尺寸上差异( 以下简称差异) 的光场分布。用空间滤波器滤出携带两物体差 异信息的光强并通过光电探测器获取此光强，经过i v 转换、前置放大与限位 后输出到仍转换器，最后由单片机进行误差自动分级与处理。单片机中存放 有事先通过此方法获得的误差表，通过比较即可知道被测工件的误差等级。 四川大学硕士学位论文第一章绪论 1 4 论文主要内容 第一章简要介绍了课题提出的背景，对当前常用的工件尺寸在线检测方法 作了简单的概述。 第二章讨论基于空间滤波的工件在线检测方法的基本原理，包括数学模型 的建立与整个检测系统的工作流程。 第三章对本方法进行了计算机模拟，重点讨论了高斯光束经过准直后的光 斑大小对测量精度的影响，同时也对其他影响测量精度的因素进行了说明。 第四章介绍了整个测量系统的硬件电路设计，包括光电转换、同步信号的 产生、a d 转换、c y 7 c 6 8 0 1 3 的外围电路以及与m a x l 9 5 的接口。 第五章在u s b 2 0 协议的基础上提出了采集系统的c y 7 c 6 8 0 1 3 固件程序的设 计思路。 第六章对所做工作进行了总结。 4 明川大学颂十学位论文 第一二帝苯于卒间滤波的t 件存线拎碉原理 第二章基于空间滤波的工件在线检测原理 光学系统设计的好坏直接影响在线检测系统的测量精度。在我们设计的这 个系统中，主要用到了光栅滤波器在图像相减过程中的作用。它使通过频谱面 的信息沿三个不同的方向传播，使沿+ l 级衍射的图像a 的信息与沿一1 级衍射的 图像8 的信息在输出平面相干叠加。由于沿l 级传播的衍射光位相相差石，因 此在输出平面上实现了图像相减。从而在我们的系统中可以检测到标准工件和 待测工件的区别。 2 1 光栅滤波图像相减原型1 3 i 图2 - i 是用于图像相减的光学4 f 系统，将正弦光栅置于频谱平面位置，并 忽略光栅的有限尺寸，则滤波函数可以写为： 肌量驯_ o - - 0 5 + 0 5 c 5 + 0 2 5 0 8 e x p 簇羡x 2 + o 2 5 e x p - j ( 2 u 专o x ：】1 ) = o l ，( 2 刀磊+ 唬) 】+ o ：+ 丸) 】 1 斤_ 只 ， 2 厅2 u 秒u 形 f l i - f l一 ， k i 一 ， 图2 - i 光栅滤波图像相减原理 式中：手= 并2 ，r = y ：，矽；厂是透镜焦距；磊是光栅频率；九表示初相位， 它决定了光栅相对于坐标原点的位黄。物体a 和b ( 子母e 和f ) 在4 f 系统输入 面上，沿而方向相对于原点对称放置，其中心点与原点的距离为6 = 编，输入 光场分布可表示为： 网川大学硕十学位论文第二章基于窄问滤波的t 件在线检测原理 f ( x ，y 1 ) = 以( x i 一6 ，y 1 ) + 厶( 而4 - 6 ，y i ) ( 2 - 2 ) 则入射到光栅上的光场复振幅是上式的傅立叶变换： f ( 掌，7 ) = 只( f ，r ) e x p ( 一，2 而孝) + 冗( 六r ) e x p ( j 2 m b f ) ，。 = 只( 善，t ) e x p ( 一j 2 ，q o x o + 兄( 善，r ) e x p ( j 2 x 春o x 2 ) ” 经光栅滤波后的频谱为： f ( 善，7 ) 厅( 善，r ) = 0 2 5 f , ( f ，j 7 ) e x p u 丸) + e ( ，r ) e x p ( 一_ ，c o ) 】+ o 5 【冗( 善，7 ) e x p ( 一j d r g o x 2 ) + ( 善，) e x p ( _ ，2 7 曦x 2 ) 】+ ，on o 2 5 e ( f ，t ) e x p 一j ( 4 9 看o x 2 + 九) + 。 o 2 5 昂僧，r ) e x p j ( 4 ，r 者o x 2 + 丸) 】 只平面上输出光场分布是上式的逆傅立叶变换： g ( x 3 ，y 3 ) = o 2 5 e x p ( j o ) f a ( x 3 ，乃) + 厶( x 3 ，y 3 ) e x p ( 一j 2 丸) 】+ o 5 l ，j ( x 3 - b ，y 3 ) + 厶( 而+ 6 ，y 3 ) 】+ ( 2 5 ) o 2 5 【厶( x 3 - 2 b ，y 3 ) e x p ( 一j 痧o ) + 厶( 石3 + 2 b ，y 3 ) e x p ( j # o ) 】 当光栅的初相位o = ；, r 2 ，即光栅偏离光轴1 4 周期时，因子e x p ( - j 2 丸) = 一l ， 上式中的第一项表明，在只平面的中心部位实现了图像相减，两物体的差异引 起的光场复振幅可表示成： e ( x 3 ，乃) = 0 2 5 j f a ( 岛，y 3 ) 一厶( 而，y 3 ) 】 ( 2 - 6 ) 此时两物体的差异引起的光强可表示成： 。 l ( x 3 ，y 3 ) = 0 0 6 2 5 l f ( x 3 ，y 3 ) 一厶( x 3 , y 3 ) 】2 ( 2 - 7 ) 2 2 工件尺寸的在线检测原理 由上述原理可知，我们在工件检测中，只需要将标准件与待测件对称放置 于输入面的两侧，通过上述光学4 f 系统后，在输出平面上就可得到5 个光场分 布，其中心部位即是表征物体a 与b 差异的0 级光场分布。本文的目的是为了 对流水线上的工件进行在线检测并自动对工件分级，不需要知道工件的具体细 节，所以我们没有选择用c c d 来拍摄物体的图像的方法，而是采取更加直接的 方法，即探测差异的能量。 如果两个物体完全相同，那么在输出平面的中心部位将是一片空白，光场 为零；如果两个物体之阳1 有差异，那么输出平面的中心部位就有差异的光场分 布存在。此时若能探测到整个差异的能量，我们就可以建立起能量与差异之间 6 l 硐川大学硕十学位论文 的关系，达到了用 第二章基于卒间滤波的工件在线榆铡原理 一个单一的物理量来表征两个物体差异大小的目的。 “i ：窀问滤波罂 一d 一莆j | 一 一戈： 图2 - 2 空间滤波 因为只有0 级光场分布才携带有两物体差异的信息，所以我们紧接着输出 平面设置了一个空间滤波器( 如图2 - 2 中的虚框) ，只保留携带两个物体差异的 光场，滤除掉其它的信息。之后还需要使用一个光学积分器将整个差异的能量 叠加起来，为光电转换及后续的处理提供信号。为此，我们选择了响应时间短、 转换效率高的硅光电池作为光学积分器，用公式表示为： ，= i ，。( x 3 ，y ，如 ( 2 8 ) 其中s 为光电池的受光面积。 由于物体的尺寸相对于光电池的受光面积来说较大，因此我们需要使用一 个光学缩放系统将其缩放成适合光电池探测的大小。为了消除背景光的干扰， 我们还需要在空间滤波器后面加一个滤色片，让光电池只对h e - n e 激光器波长 附近的光强有响应，同时把空间滤波器后面的所有器件，包括光学缩放系统， 光电转换电路、a d 转换等统统放在一个黑匣子里面，从而尽可能地减小背景光 的影响。 获得该光强后，经过i - v 转换、前置放大与限位电路，转换成易于处理的 电压信号，到此为止，我们就得到了表征差异大小的电压与差异之间的关系。 最后经a d 转换后传给单片机处理，根据要求对误差大小进行分级，合格的工 件送下一道工序，不合格的反馈回流水线重新加工，实现智能控制。 在实际检测之前，用上述方法获得具有己知误差的工件与标准工件之间的 电压一差异表，存储于单片机中，并根据要求分级后作为判断误差的依据。当流 7 明川i 大学硕士学位论文 第二章基于空间滤波的丁件在线检测原理 水线上的标准件与待测件对称放置于输入平面两侧时，得到差异所代表的电压 值，两者相比较即可得知待测件的误差属于哪一个级别。 整个在线检测系统的框图如2 3 所示。 图2 - 3 在线检测系统框图 四川大学硕士学位论文第三章光场分布对存线检测系统测量精度的影响 第三章光场分布对在线检测系统测量精度的影响 在工业生产中，根据加工精度的不同，所能容许的误差大小也就不同。在 本章里，我们首先模拟测量一个匮形工件的内径，设定一系列有误差的待测工 件，经过上述在线检测系统后，看是否能得到电压与差异之间一一对应的关系， 从而验证该方法是否可行。之后讨论了经准直后的高斯光束光斑大小以及系统 不共轴时对测量精度的影响。 3 1 理想情况下的模拟结果 我们模拟的是一个内径为r 的圆形工件，设置1 0 0 个待测件，其内径误差 f r f 从0 o 1 尺，即每隔1 o r 测定一次。模拟中选用输出功率为2 毫瓦的激光 光源，转换范围是0 v 计5 v 的1 6 位串行a d 转换器。 为了计算上的方便，同时也为了定性地说明该方法的可行性，我们假设激 光器输出的是强度均匀的平行光，实际的高斯光束情况我们将在3 3 节给出模拟 结果 图3 1 输入面上的光场分布图3 - 2 空间滤波前的光场分布 图3 - l 是当l r l = 0 0 2 5 r 时光学4 f 系统输入平面上的光场分布，左边的是 标准件，右边的是待测件。图3 2 是经过光撕滤波后，在空间滤波之前输出平 面上的光场分布。包含标准件和待测件差异信息的0 级光场分布位于图的中心 9 p 1 川大学硕十学位论文 第二章光场分布对有线榆测系统测量精度的影响 部位，其经过空间滤波后的光场分布示于图3 3 。用光电池探测整个光场分布， 经前置放大与限位后得到表征两物体差异大小的电压值。 1 睬1 6 r 0 图3 - 3 空间滤波后输出平面上的光场分布 图3 - 4 是作为分级标准的待测件内径差异与电压之间的关系。横坐标是以 被测工件最大尺寸的千分之一为单位。从图中可以看出，两者近似于线性关系。 斜率越大，说明灵敏度越高，待测件与标准件之间很小的差异都能通过较大的 电压值体现出来。因此也就可以通过电压的大小来判断待测件误差的大小。 在图3 - 4 中，电压的最大值被限制 5 在了+ 5 v ，这罩一方面是为了保护a d 转换器，另一方面是为了获得较高的测 量灵敏度。假设加工过程中所允许的最3 大误差为o i r ，那么超过0 i r 的工震 件肯定是不合格的，必须重新加工。这训 时设计前置放大的电压放大系数，使得 1 当i a r i = 0 i r 时，输出电压刚好等于 a u 转换器的最大输入电压+ 5 v ，而超过 所允许误差范围的测量值都被限位电 路限制在了+ 5 v ，这样就可以在不损坏 o 2 0 工僻翼寸误器两 1 0 0 图3 - 4 误差分级 a d 转换器的前提下尽可能地提高测量的灵敏度。 1 0 j i i 大学硕十学位论文第三章光场分布对在线检测系统测量精度的影响 我们把误差分为5 级，即每隔2 r 为一级，接着我们模拟一个 r l - o 0 7 5 r 的工件，理论上应属于第4 级。通过计算后得到电压值为3 7 7 8 8 v ，如图3 - 4 中的 所示确实是属于第4 级，与理论结果一致，从而验证了该方法的可行性。 3 2 同步与准直系统的设计 3 2 1 同步系统 由2 2 节的在线检测原理可知，两物体必须严格对称的放置于输入平面的 两侧，这样才能准确地测量出标准件与待测件之间的差异。在我们的系统中， 因为是在流水线上现场操作，标准件和待测件的位置对称只有一瞬间，过早或 过晚采集都会导致人为的误差，因此设计好同步控制是一个非常关键的环节。 v c c 管待测件 。卜o p ? 肖半导体激光器 图3 - 5 同步装置 我们设计的同步装置如图3 - 5 所示。在垂直方向上，可以通过在流水线上 安装固定装置来保证杯准件与待测件的对称性；在水平方向上，设置激光对管 装置使得当半导体激光器发出的光刚好从标准件边缘通过而被p i n 光电二极管 接收，这时p i n 光电二极管导通，输出电平为低：当待测件移动到与标准件对 称的位置上时，其遮挡住了半导体激光器发出的光，p i n 光电二极管截止，输 出电平为高。这样就能很容易地通过输出电平的高低来判断待测件是否与标准 件在位置上达到了对称。同时也将这一电平信号作为一个中断信号，通知单片 四川大学硕十学位论文第三章光场分布对在线检测系统测量精度的影响 机开启激光器与a d 转换器，实现了整个系统的同步工作。图中的电阻r e 用来 调节p i n 光电二极管的接收灵敏度。 我们使用的半导体激光器是型号为e l 6 5 l 0 5 i p i 的一字线式激光器，波长为 6 5 0 n m ，在l 米处的线宽小于l 毫米，外形尺寸为口7 1 5 ( m ) ，适应2 米以内 的距离用。其参数基本满足需要，为了提高精度，我们还可以在激光器静加一 个狭缝或者设计一个压缩系统以进一步减小线宽，提高同步的准确性，使得两 物体严格对称。 3 2 2 准直系统 3 2 2 1 准直的必要性 在实际应用中，我们使用的光源是波长为6 3 2 8 n m 的h e - n e 激光器。激光 作为一种纯正的单色光源，具有单色亮度高，方向性好的特点，但是自然的激 光光束在传播过程中，随着传输距离的增加，并非一条笔直的细光束，其光波 波阵面由平面波逐渐变成曲面波，光斑大小不断扩大而形成具有一定发散角的 发散光束。这就要求我们设计一套准直系统，改变光束的腰斑半径矾，压缩光 束的发散角吼，使得在整个测量范围内光束尽量接近平行光，也就是说，要求 高斯光束的准直长度要大于整个系统的长度，且其发散角要小。然而发散角的 大小与准直长度之间存在着反比的关系。要保持发散角很小就不得不牺牲准直 长度【1 5 j 6 1 。 一 3 2 2 2 高斯光束的基本性质1 1 6 - t 8 高斯光束具有以下基本性质： 1 基模高斯光束在横截面内的场振幅分布按高斯函数e x p - r 2 c 0 2 ( z ) 】所描 述的规律从中心向外平滑地减小。场振幅减小到中心值l ，e 处的，值定义为光斑 半径： 州力锄。”去) 2 1 ) 可见，光斑半径( z ) 随坐标= 按双曲线的规律向外扩展。在= = 0 时，甜( z ) = o ) o ， 达到最小值。 r 一t 坠学硕十学位论文 第三章光场分布对存线检测系统测量精度的影响 3 瑞利长度( 共焦参数) 定义为： z o = 三嘲= 孕 ( 3 - z ) 其物理意义为：当h = z o 时，o j ( z o ) = j ，即在这段长度内，高斯光束可以 近似认为是平行的。 4 定义当z - - y 。o 时，高斯光束振幅减小到中心最大值l e 处与z 轴的交角 为高斯光束的远场发散角： o o ：l i r a 型：三 ( 3 3 ) 7 4 ”z , 0 3 0 由上式可以看出，对为有限大小的高斯光束，其远场发散角不能为0 ，所以 光学系统只能改善高斯光束的方向性，而不能成为完全的平行光。 3 2 2 3 用于准直的倒置望远系统 在我们设计的光学系统中需要均匀分御的激光相干光束。最常用的方法是 利用一个倒置的望远系统将高斯光束扩束后，提取其中心相对均匀的部分。 图3 - 6 为高斯光束通过调焦望远系统的情况。物方腰斑处，物距为，的 高斯光束，经倒置望远系统后变为腰斑成，像距，的高斯光束，透镜厶、工：的 图3 - 6 用于激光束准直的调焦望远系统 四川大学硕士学位论文 第三章光场分布对在线检测系统测量精度的影响 焦距分别为，l 和，2 ，当 z - ( 3 - 4 ) 时，由于入射高斯光束经l 。成像后的腰斑位于工。和：的公共焦面上，所以腰斑 为的高斯光束将被三：很好地准直。 调焦望远系统只能得到扩束比( 准直倍率) ： 一鲁一引 s ， i ，l l 为了得到更大的扩束比，可以使望远系统工作在离焦状态下l 蚓。 3 3 高斯光束情况下的模拟结果 在上一节中我们知道，激光器发出的是高斯光束而不是平行光，同时我们 也知道倒置的望远系统可以用来准直。要使高斯光束的均匀性好，可以近似看 成是平行光，那么如何才能判断高斯光束的均匀性是否达到要求。 为此我们提出了盯参数，将经过准直后的高斯光束的场振幅写为： e x p - ( x 24 - y 2 ) 0 2 限) j ( 3 6 ) 即口代表了准直后的光斑半径，且其为尺的函数( r 是待测件的尺寸) 。下亟是 确定o 参数的方法。 在工业检测中，判断一种检测方法是否可行，最基本的条件是：检测方法 本身所引起的测量误差至少应该比被检测工件的尺寸小一个数量级以上，而且 是越小越好。假如下式成立： 瞻一l a v 1 0 ( 3 7 ) 那么我们就认为这时的o 值即是我们所要找的临界值。其中a v 是如图3 - 5 所示 电压与差异曲线中相邻误差等级之间的平均电压差，和分别为对同一个待 测件，在平行光照射和在高斯光束照射情况下的电压值。也就是说，用光斑半 径为。的高斯光束替代平行光所引起的误差，与相邻误差等级之间的平均电压 差相比，小了一个数量级，不至于引起误判。由图3 5 可以看出电压与差异成 正比的关系，并且所允许的工件尺寸上的差异最大为o 坎，因此我们就以 l 劂- o 1 r 的物体作为被测件来确定。的大小。 图3 - 7 是当取临界值3 3 1 r 时，经准直后的高斯光束形状，图3 8 是其截 面图，已经相当接近平行光。 1 4 图3 - 7 准直后的高斯光束 图3 - 8 准直后高斯光束的截面图 图3 - 9 是我们用z e m a x 设计的两级放大系统的初始结构图。 图3 - 9 准直系统 h e n e 激光器发出的高斯光束经过凹透镜厶与胶合透镜厶后完成第一级放 大，聚焦透镜厶与准直透镜厶则是典型的用于准直的倒置望远系统，采用两级 四川大学硕十学位论文 第三章光场分布对在线榆测系统铡量精度的影响 放大的好处是可以实现很大的放大倍数而尺寸尽可能地小。 为了提高测量的精度，可以通过更大的仃值来实现。例如将盯的判断标准 改为昨一l = a v 1 0 0 ，即测量精度提高了l o 倍，但是这样做会造成准直系统 设计上的困难。 图3 一l o 是当l a r i = o 0 2 5 r 对，在光学4 f 系统输出平面上的光场分布及其 截面图，对比图3 2 ，其光场分布已经具有了高斯分布的形状。 图3 1 0 空间滤波前输出平面上的光场分布及其截面图 3 4 影响系统测量精度的几个因素 3 4 1 激光器输出功率波动 在光学测量、光电检测等应用中，需要激光具有很高的功率稳定度( 约1 左右) ，但是h e n e 激光器因电网电压的波动，激光电源电路的不稳定、热影响、 频率漂移和放电噪声等因素的影响，其输出功率的波动都大于5 ，因此在应用 中受到了限制【3 7 0 舯。 当l a r l = 0 i r 时，激光器输出功率在2 r o w _ _ 5 上下波动时引起的差异电压变 化与盯参数的变化分别示于图3 一l l ( a ) 和( b ) 。可以看出，激光器输出功率很小 的波动都将引起差异电压较大的变化，并且随着激光器输出功率的增大，差异 电压也跟着增大，两者成线性正比的关系。如果这个电压差超过a v 1 0 ，则有 可能产生误判，因此需要找出在不引起误判的条件下所允许的激光器输出功率 波动的范围。 1 6 网川i 大学顾十学位论文 第三章光场分布对在线柃测系统测量精度的影响 ( a ) 妊 始 b ( b ) 图3 - i1 激光器功率波动引起差异电压与。参数的变化 通过计算，当激光器的输出功率在1 9 6 2 m w 与2 0 3 8 m w 之间时，电压差小 于a v 1 0 ，即允许激光器的输出功率有1 9 的波动而不至于引起误判。这时 所得到的电压与工件尺寸误差之间的关系示于图3 - 1 2 ( a ) ，图3 一1 2 ( b ) 为激光 己 邕 铘 缺 制 1 7 ( a ) 四川大学硕十学位论文第三章光场分布对在线榆测系统测量精度的影响 色3 f 烂 i f - 却 j 1 0 0 器输出功率超出了所允许波动范围时的电压与工件尺寸误差之间的关系。因此 若使用的激光器输出功率波动超过了2 r o w + 1 9 ，则需要稳定功率的装置。 引起h e n e 激光器输出功率不稳定的主要原因有；放电电流的波动、工作 频率的波动和谐振腔损耗的波动。其中，放电电流的波动对h e n e 激光器的输 出功率影响最大，而工作电流的不稳定将引起激光管内部温度的不稳定。实际 工作环境电网电压的波动是经常发生的。交流电网供电时，工作电流必然受到 电网电压波动的影响，所以电流的不稳定就成为十分严重的内部温度干扰源。 因此，采用高压恒流源对激光器功率的稳定可以起到重要的作用。 除此之外，为了解决h e n e 激光器输出功率的波动问题，人们研究了很多 方法，如稳频稳流、绝热恒温、法拉第线圈稳光，以及腔外电光调制或声光调 制等等，可以将激光器的输出功率稳定在0 1 1 之间，可以满足我们的需要。 但是这些方法条件严格，结构复杂，造价高昂，调试麻烦，难以推广。还有一 种方法是通过腔外光反馈调制h e n e 激光器的放电电流，使激光器的输出功率 稳定度达到了0 i ，且结构简单，成本低廉，调试使用方便1 3 ”。 i 5 4 四川大学硕士学位论文第三章光场分布对在线榆测系统测量精度的影响 3 4 2 准直系统与光学4 f 系统不共轴 光学系统的成像质量不仅受到系统设计像差的限制，也受到加工和安装过 程中误差水平的限制，在不考虑系统像差的情况下，光学系统是否共轴成为影 响成像质量的主要因素，这也就对测量精度产生了影响，因此如何调节才能使 光学系统共轴成为一个关键的问题。下面我们就讨论当光学系统不共轴时，对 测量精度会产生什么样的影响。 图3 1 3 ( a ) 、( b ) 是当i a r i = o i r ，准直系统的光轴相对于光学4 f 系统的光 轴在水平与垂直两个方向上有偏心时得出的差异电压与偏心大小之间的关系。 从图中可以看出，当水平方向，也即是图2 1 中的五方向上有一个微小的位移 时，电压产生比较明显的变化( 图3 1 3 ( a ) ) ；而当在垂直方向上有同样大小的位 移时，电压的变化就很小( 图3 - 1 3 ( b ) ) 。在水平方向上的曲线近似为一条直线， 而在垂直方向上则是一条抛物线，造成这种差异的原因是由于在水平方向上标 准件与待测件的间距使得差异电压相对于垂直方向被拉伸了2 b 倍，因此在相同 的偏心范围内，b 越大，水平方向上的曲线越近似于直线，图中b = 3 r 。 | 、 i 笋4 ! 善一 哦 枷4 8 4 ：l 一。、 。 一 一 1 一 i 、1 、 1 、j 、1 一壶一古一盎晶 偏一c , k 4 , a y ( 田 ( b ) 图3 - 1 3 差异电压随偏心大小的变化 图3 1 4 ( a ) 、( b ) 是在相同条件下偏心大小与。参数之间的关系。同样也是 在水平方向上的偏心对盯的影响较大，而垂直方向的影响较小，并且由于相同 ；t，o 埔 协 慨 蝴 仰 埘 罗一邕掣欧椰 朋川大学硕十学位论文 第三章光场分布对打线榆铡系统测量精度的影响 的原因，在水平方向上的曲线近似为直线，而垂直方向上为抛物线。只要准直 系统与光学4 f 系统不共轴，那么为了实现共轴情况下所能达到的测量精度与测 量范围，就必须增大仃的值。 4 4 0 4 2 0 4 0 0 蒸3 s o 3 3 4 0 3 2 0 o ”偏收小o 函0 8 1 ( a ) 图3 1 4o 参数随偏心大小的变化 因此在系统的安装过程中，应使准直系统与光学4 f 系统在水平方向上共轴， 而在垂直方向上可以适当放宽要求，这样既能保证测量的精度，又减小了调节 的难度。 另外，我们还必须知道在怎样的一个范围内，偏心不会对测量结果产生影 响，即不会导致误判。 我们还是以3 7 式作为判断的标准。当水平方向上的偏心x = 1 4 r 时，对 测量精度的影响示于图3 1 5 ( a ) 。对于【捌= 0 i r 的待测件