（物理电子学专业论文）激光扫描测径仪的试验探索.pdf

摘要 激光扫描测径技术在现代工业生产检测中有着非常重要的作用和应用。本论 文对激光扫描技术进行了全面论述，就激光扫描测量系统的工作原理、产生精度 误差的原因等方面进行了详尽的理论分析，并且基于本实验室的实际条件就实验 工作进行了具体实践，做出了有意义的实验探索。 围绕激光扫描测量系统，本文主要进行了以下几个方面的工作： 1 从光学扫描理论出发，详尽分析了激光扫描测量系统的工作原理，就系统各 个工作部分的原理进行了详细的阐述。并就激光扫描测量技术和一些传统测 量技术( 如c c d 接收测量技术) 的优劣进行了理论和可行性方面的比较。 2 基于激光扫描测量系统的原理进行了实验研究，分解系统各个部分：光学部 分、光电转换部分、单片机信号处理部分等，并分别进行实验实践，找出了 切实可行的工件、配件和实验方法等。 3 对实验系统的精度误差进行了分析，包括理论分析和实验分析，找出造成误 差的具体原因包括理论误差和机械工艺误差，并提出解决的方法。包括详细 分析了激光束的聚焦和准直，一透镜的应用原理等。 4 最后就实验的情况进行了分析总结，对实验的下一步进展提出了展望。 总之，本文在对激光扫描测量系统进行的理论和实验的工作，在系统各个工 作部分都取得了一定的实验成果，对后期实验的进行积攒了丰富的实践经验，具 有一定的实验参考价值。 关键词：激光扫描、c c d 、半导体激光器、f 一目透镜 a b s t r a c t l a s e r - s c a n n e dd i a m e t e r - p r o f i l i n gt e c h n o l o g yp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nm o d e m i n d u s t r ym e a s u r e m e n t ，a n di su s e dw i d e l y i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，l a s e r - s c a nt e c h n o l o g y i sp r e s e n t e di nd e t a i l ，t h ew o r k i n gm e c h a n i s mo ft h el a s e r - s c a nm e a s u r i n gs y s t e ma n d t h er e a s o n so fm e a s u r e m e n te r r o r sa r ea l s op r e s e n t e d ，a n dl a s e r - s c a nm e a s u r e m e n t e x p e r i m e n ti sp r a c t i c e d ，w h i c hi sb a s e d o nm yl a bc o n d i t i o n s k e e p t ot h e s ep o i n t s ，s e v e r a lw o r k sa r ec a r r i e do u ta sf o l l o w s ： 1 f i r s t l y , s t a r t i n gf r o mt h eo p t i c a l - s c a nt h e o r y , t h ew o r k i n gt h e o r yo ft h ew h o l e l a s e r - s c a nm e a s u r e m e n ts y s t e ma n de v e r yw o r ks e c t i o ni nt h es y s t e ma r e e x p o u n d e d a n d ，s o m et r a d i t i o n a lm e a s u r e m e n tm e t h o d sa r ec o m p a r e dw i t h l a s e r - s c a nm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yi nt h e o r ya n df e a s i b i l i t y , s u c ha st h ec c d m e t h o d 2 e x p e r i m e n ti sp r a c t i c e db a s e do nt h ew o r k i n gt h e o r yo fl a s e r - s c a nm e a s u r e m e n t ； t h es y s t e mi sd i v i d e di n t os e v e r a ls e c t i o n s ：o p t i c ss e c t i o n ，o p t i c s - e l e c t r o n i c s t r a n s f o r ms e c t i o n ，a n ds i g n a lp r o c e s s i n gs e c t i o n e v e r ys e c t i o ni sp r a c t i c e di nt h e e x p e r i m e n t , f e a s i b l ec o m p o n e n t sa n db e t t e re x p e r i m e n tm e t h o d sa r ea s c e r t a i n e d t h ee r r o r si nm e a s u r e m e n tp r e c i s i o na r ea n a l y z e di nd e t a i l ，i n c l u d i n gt h e o r ya n d e x p e r i m e n t t h ee r r o rr e a s o n sa r ea s c e r t a i n e dc o n c r e t e l y , a n ds o l u t i o n s a r e p r o v i d e d s u c ha st h ec o l l i m a t i o na n df o c u s i n go fl a s e rb e a m ，t h eu s eo ff - a l e n s ，a n ds oo n 3 a tl a s t ，t h ee x p e r i m e n ti ss u m m a r i z e da n da n a l y z e d ，p r o s p e c ti sb r o u g h tf o r w a r d t os u mu p ，t h et h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lw o r ko fl a s e r - s c a nm e a s u r e m e n t s y s t e mi nt h i sd i s s e r t a t i o nh a v eb e e nd o n e ，s o m eg o o dr e s u l t si ns o m es e c t i o n s a r eg o t m e a n w h i l e ，s o m ev a l u a b l ee x p e r i e n c e si nt h i se x p e r i m e n th a v eb e e ns c r a p e d u p ，w h i c hi su s e f u lt of u t u r ew o r k k e yw o r d s ：l a s e r s c a n ，d i a m e t e r - p r o f i l e r ，c c d ，s e m i c o n d u c t o rl a s e r 一目 l e n s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 签字日期：弘p 7 年月呼e t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期：讪7 年月叶日 导师签名： 签字日期：z 年 f 宁， 月狮日 l 第一章绪论 第一章绪论 1 1 激光扫描测量技术简介 目前，高新技术产业逐渐向技术密集型产业转型，由于计算机技术的出现， 特别是计算机技术民用化的普及，使计算机技术、通信网络技术得到大规模的应 用。在越来越多的工厂生产制造过程中，以计算机技术、通信网络技术以及自动 化技术为代表的高科技正快速进入，并且发挥着越来越大的作用，而这种作用已 经超过传统的技术和产业。高科技因素在生产过程中的应用一般以计算机技术、 通信网络技术和自动化技术为主，涉及到现代科技的方方面面，这里面就包括激 光技术! 激光技术是2 0 世纪6 0 年代发展起来的一门新兴学科，是继原子能、计算机 和半导体技术之后的重大科技成果之一。自诞生第一台激光器以后近4 0 年里， 激光技术已经渗透到生物、化学、物理、医学等领域，形成激光物理学、激光化 学、激光生物学和激光医学等许多新的边缘学科。近年来激光在美容整形及烧伤 外科、美容皮肤科中的应用日趋广泛。我们知道，激光具有很多不同于普通自然 光的特点，它具有高亮度、高方向性、高单色性和高相干性等特点，正是以上特 点，使激光技术在工农业生产过程中有着越来越广泛的应用。这种应用，在本文 中就体现为激光在检测方面的应用。 产品制造过程中，各个生产环节都非常重要，一个合格的产品其质量必须合 格。而产品检测是保证产品质量的最重要手段。几何尺寸往往是最重要的测量参 数，特别是机械加工零件，用挤压、冷热轧、拔丝等工艺加工的型材的尺寸更要 加以检测。然而测试技术面临着越来越多的复杂问题，不但要有较高的测量速度 及可靠性，而且还要向自动化、数字化、智能化方向发展。这势必就使原来静态 的、接触式的测量转向动态的、非接触、在线测量。 光扫描技术是在7 0 年代中期以后出现的一种新的动态计量测试技术。它在 刚开始的时候主要是使用白光，形成对被测物体的扫描运动；当激光技术出现并 且逐渐成熟以后，它就主要利用激光形成对被测对象的扫描运动，配合光电器件， 电子技术与计算机，构成各种精密测试的方法。这种技术适用于做精密自动计量 与远距离计量。激光扫描在线高速测量在现代工业生产和科学研究方面都有着重 要的应用。 第一章绪论 激光扫描测量应用领域主要分为两类，一类要求被测物体高速运动，不能对 被测物体进行接触式测量，例如光纤拉丝塔中正在拉制的光纤，其运动速度很快， 而且处于半熔融状态，没办法进行接触式测量，而这种测量对光纤的生产非常重 要，不可或缺。我们知道在光纤的生产过程中对光纤的直径有着严格的限制( 岫 量级) ，因此必须实时检测光纤尺寸并用负反馈来控制生产过程。第二类是被测 物体虽然保持静止，但无法使用传统的接触式测量方法。例如测量一些高温物体， 软的物体，具有放射性有毒物质或者核燃料棒等，这些物体都没办法进行接触式 测量。 目前，非接触测量根据测量精度要求的不同，方式、原理也有所不同。如果 为了测量物体的变化情况，尤其是形体的慢变状态，可以采用全息干涉技术，它 是利用物体先后两次或者多次曝光形成的干涉条纹来测量物体形变；与其类似的 还有激光散斑测量技术：测量物体的速度时，一般可利用多普勒效应，利用激光 或者声波等打在运动物体上产生的多普勒频移计算出物体的速度。 非常传统的测量物体几何尺寸的方法，可使用平行光束照射物体，在物体后 安装c c d 进行测量，物体对平行光束的阻挡范围反应了物体的尺寸。另一种比较 精确的测量方法就是本文将要进行详细介绍的激光扫描测量。一方面，随着光学， 电子，精密加工的迅速发展，对测量物体的精度要求越来越高，一些精密仪器要 求加工尺寸精确在l i r a 量级，传统测量方法无法满足测量需要。另一方面，虽对 测量精度要求不是很高，大约在0 1 l m m 之间，但无法进行接触测量。激光扫 描测量系统可以满足以上各方面的要求，虽然根据使用目的不同其设计结构有所 不同，但其基本原理是相同的。 1 2 激光扫描测量的现状 激光扫描技术是上世纪7 0 年代出现的一种动态在线测量技术，一般是激光， 机械，电子，计算机相结合的新型测试技术。随着光电子学的迅猛发展，光扫描 技术也逐渐走向成熟，下表列出了一些国外生产厂商生产的激光扫描测量仪的主 要参数和性能： 表1 - 1国外激光扫描测量仪参数性能 型号测量范围m m测量精度m m测量速度 1 3 1 5 0 0 3 ( 日本三丰) 0 2 2 5 5 0士0 0 0 5l o o r s c l t s l 2 0 ( 日本c a n o n ) l - 4 6士0 0 0 39 0 m s l m g - w( 日本t o e )1 1 4 0士o 0 26 5 r s 2 第一章绪论 l s - 7 0 0 0 ( 日本k e y e n c e ) 0 3 2 0士0 0 0 32 4 0 0 次s 5 0 1 1 9 5 ( 美l a s e r m i k e )o 3 8 5 0 士0 0 0 0 5 1 4 0 1 3 0 0 ( 美l a s e r m i k e )6 4 3 3 0 2士0 0 l s a 5 0 5 0 ( 美国t s i ) 1 o 4 8士o 0 0 1 1 1 6 7 次s 在这里边，要专门提一下表i - i 中所列的第三个厂家日本的东京光电子株 式会社( t o e ) ，我们手头有这个公司的的高速高精度激光扫描型非接触尺寸测定 器的全系列产品的详细说明书1 1 ，见表1 - 2 。 表1 - 2t o e 激光扫描测量仪说明书 参数懈1 6 i iu 岵0 6 6 i i u 岵3 0 0 i iu 临3 0 5 i i u 岵5 5 0 i i u b 6 0 6 i iu b 8 0 0 i i u 虻8 0 5 i iu 佑1 5 0 5 i i u 帖2 2 0 5 i i 光源可视半导体激光嚣，波长：6 7 0 n i 测量范围( )0 0 1 - 2 0 0 5 _ _ 6 0 2 - 3 00 5 3 00 5 5 50 硼0 5 8 00 7 8 00 7 1 5 0 0 7 - 2 2 0 最d 、值( u - ) 0 10 10 1o 10 1o 10 10 111 潮量精度 综合0 512士33士445士1 21 5 线性士0 3士o 5土1 5 2 2士2 5士2 5士48 1 2 重复 0 202士0 30 50 5士o 5士0 5 士l 22 测量回数1 8 0 0 s 扫描速度( _ b ) 4 21 1 01 7 51 7 53 3 5 03 5 04 2 05 6 04 2 0 环境温度( 。c )0 - 4 5 重量( k g ) 出光部分 1 72 72 25 4 7 52 0 o 接收部分 2 0 2 5 1 0 3 0 1 51324 56 0 平台 1 531 6434 57 0 通过表1 - 2 说明书我们可以看到日本东京光电子株式会社在激光扫描测量 方面具有强大的技术实力，其产品从l m g o l 6 1 1 到l m g w 2 2 0 5 i i 总共有1 0 个系列， 测量范围覆盖了从0 o i - 2 m m 到0 7 - 2 2 0 皿，产品系列全，测量精度高。当然， 价格上也非常可观。 在扫描技术方面，可以使用的原理有很多! 最主要的是利用转镜产生扫描光 束，它利用多面体( 6 1 2 面) 的转动，激光束打在转镜表面，经反射后形成扇 第一章绪论 形扫描光束，其优点是扫描线性好，精度高。缺点是转镜加工精度要求高，驱动 电路的转速和稳定性也要求很高，从而导致价格昂贵。还有的是利用摆动式反射 镜，它利用振子的摆动来形成扫描，比较简单的就是利用音叉的振动形成扫描光 束。其优点是结构简单，成本低，但扫描精度差，扫描角度小，适用于一些测量 精度不高的小范围测量。还有利用声光调制方式的，它利用声光效应使入射光线 产生周期性偏折从而实现光扫描，其同样面临扫描角度小的问题。美国t s i 公司 的s a 5 0 5 0 激光扫描测量仪采用了全息光碟扫描技术，其专利号为4 ，3 2 9 ，3 2 6 。 它的基本原理是将一些全息光单元存储到光碟中，每一个光单元都起一个折射透 镜的作用，当光碟旋转时，激光和光碟相互作用，产生良好的线性扫描光束，提 高了扫描精度。 1 3 激光扫描技术应用目前的发展方向 近年来，这种光扫描技术发展很快，其主要原因是： 1 激光器的商品化，即价格大幅度降低，寿命大大增加，在产品上完全 可能应用。 2 电子技术发展迅速，单片机电路处理信号等日渐成熟。 3 仪器集成度高，效率高，时间短，应用方便。 激光扫描技术应用的一个很大的发展方向来自于和自动化、计算机等技术的 结合。基于生产自动化，精密测量和生产自动化的结合，使光扫描技术得到充分 应用。由于现代生产流水线自动化程度高，生产节拍快，信息量大，数据处理繁 重，控制实时性高，因此运算速度快、处理数据能力强、控制功能多的计算机一 般都成为现代生产系统的控制中枢。把检测装置和生产自动化结合在一起是未来 激光扫描检测应用的发展方向。激光扫描技术可以实现高精度、高速度、非接触 在线测量，而测量的结果可以数字显示，可以给测量结果设置范围，如果测量结 果显示超出设定范围，则可以实现自动声光报警，并可以根据预置的标称值数出 偏差的模拟信号。并且，我们可以把检测结果和整个生产线的生产控制系统连接 起来，检测系统不断对加工过程中的高温状态下的高速运动中的工件进行高速采 样测量，并捕捉到大量的尺寸信息，主控制器采集到这些信息之后，立即进行初 步的数据处理，并经通信网络传输给上位计算机，p c 机可以很好的完成这种高 速系统的实时数据处理要求。这样就可以实现生产线的闭环控制，在线调节生产 设备的有关参数，提高生产产品的质量，节约原材料。 计算机不仅可以进行高速数据处理，而且还可以对测量误差进行自动校正。 由于激光扫描测径仪是对加工中的工件进行高速测量，因此要求检测系统必须是 4 第一章绪论 高速的、实时的。当生产系统需要对加工的过程进行反馈控制时，计算机可以根 据检测数据进行计算、判断和决策，最后输出偏差的模拟反馈信号，调节生产设 备的有关参数。 现在让我们来看一下激光扫描测径和生产自动化系统在光纤生产过程中的 应用1 2 1 。 我们知道，光纤能传输光能信息和图像，具有数值孔径大，可以弯曲，结果 简单等特点。光纤的应用领域也越来越广泛。近年来随着纤维光学的发展，光纤 制造与应用的研究得到飞速发展，并且在制造工艺，传输特性和机械性能方面都 取得了显著地进展。当然，除了光纤使用的材料外，光纤的性能还取决于光纤的 生产工艺。光纤的制备主要包括预制和拉丝两个工序，光纤的传输损耗和带宽在 很大程度上依赖于光纤的制造工艺，而直径的均匀性和强度则依赖于拉丝工艺。 这里我们要说的就是激光扫描测径系统在光纤拉制过程中的应用。这个系统很好 的体现出了这种应用。这个系统综合了激光、光学、精密机械、电子学和微机自 动化等多学科技术的光电检测以及生产自动化系统。系统的原理图如图卜1 所 示：拉制光纤将预制棒送入炉内，从电炉中拉出的光纤通过绞盘卷在丝辊上面。 为保证拉制出的光纤尺寸均匀，减少光纤直径的波动，热源须稳定在2 0 0 0 1 之内，光纤拉制电机速度与拉丝速度匹配。为提高光纤的抗拉强度，保证光纤表 面不受机械磨损，通常将光纤表面涂上一层塑料，为保证光纤生产质量，必须有 检测系统对光纤尺寸进行在线实时检测与控制。为检测光纤生产中光纤涂层前后 的尺寸变化，在该装置中放置两个检测系统：一个用来检测光纤涂层前的尺寸 d ，一个用来检测光纤涂层后的尺寸d ，。则光纤丝的尺寸d 。，涂层厚度尺寸万 分别为： d o = d 1 万= 0 2 一日) ( 1 - 1 ) ( 1 - 2 ) 两个系统都设有反馈控制信号，根据测量结果和光纤尺寸要求，可对电炉温 度和光纤拉制机速度以及光纤涂层厚度进行在线实时检测与控制。比如，当光纤 直径大于要求尺寸时，可通过反馈信号提高电炉温度和减小拉制电机速度，以保 证光纤生产尺寸的要求。 第一章绪论 图1 - 1 光纤拉制生产、检测以及控制过程 整个系统总体建构布局如图卜2 所示： 通过上面光纤生产过程中激光扫描检测系统结合生产自动化系统的应用。我 们可以看出，这种检测和生产自动化的结合，不仅仅能够应用在光纤拉制过程中， 还可以在很多生产过程中推广和使用。比如在电缆生产过程中，这种激光扫描检 测和生产自动化的结合就可以得到很好的应用。 6 第一章绪论 图1 - 2 光纤生产控制系统的架构 我国的激光扫描测量技术起步较晚，现有的仪器测量精度一般比国外产品低 一个数量级，一些研究机构在实验室中做出了一些高精度的测量系统，但由于受 到技术，成本的限制，并未达到工业生产的水平。比如，我们查到的文献中表明 长春光机所以及大连理工大学等科研院所就激光扫描测量作出了不错的实验结 果，但并未看到有成型产品在市面上流通。市面上流通的激光扫描精密测量的仪 器基本上是国外的产品一统天下。因此设计制造出具有自主知识产权的实用激光 扫描测量仪具有重大的现实意义。我们对激光扫描测径系统进行了卓有成效的分 析，包括系统详细的原理，系统各部分的详细工作原理。尽管没有能得出很理想 的试验结果和数值，但最主要的是，我们从各个方面详细分析了激光扫描测径系 统的测量误差产生的原理、原因，并提出了规避、解决和补偿这种误差的方法， 并对系统在实验中的可行性进行了实践，获得了很多宝贵的试验经验，为以后进 行激光扫描测径系统的研制积攒了经验。 7 第二章激光扫描测径系统的原理 第二章激光扫描测径系统的原理 2 1 扫描光学系统吲 光束传播方向随时间变化而改变的光学系统被称为扫描光学系统。扫描光学 系统在现代光学和光电技术中具有极其重要的作用。例如，使用激光束扫描装置 可实现以时间为顺序的图像电信号转变为二维目视图像。此外，在激光存储器、 激光打印机和高速摄影系统中都使用扫描光学系统。我们在这里简单的介绍一下 扫描光学系统的特性及其扫描物镜的要求。 2 1 1 扫描方程式 光束扫描的形式可由多种方法获得，如光学透镜扫描、棱镜扫描、反射镜扫 描、全息扫描和声光扫描等。但不管扫描方式如何，表征其扫描特性的只有三个 参数，即扫描系统的孔径大小d ，孔径的形状因子a 和最大扫描角o 。根据瑞利 衍射理论，扫描系统的衍射极限分辨角ao 为 秒s i n a o ：口互 d ( 2 - 1 ) 由上式可见，孔径大小d 和形状因子a 决定了扫描系统的极限分辨角ae ， 即决定了扫描系统的扫描点大小和成像质量。 对于不同的扫描系统，其扫描孔径是不一样的。例如透镜扫描系统，其扫描 孔径的形状是圆形的；棱镜扫描系统，其扫描孔径的形状是矩形或梯形的。因此， 他们的孔径因子a 值是不同的。为了精确描述各种扫描系统的衍射分辨角ao 。 下表给出了各种不同的扫描孔径的形状因子a 的数值。 表2 - 1 孔径形状矩形圆形梯形 三角形 形状因子 11 2 21 51 6 7 第二章激光扫描测径系统的原理 若扫描系统的最大扫描角( 扫描范围) 为o ，则扫描系统的扫描点数n 为 n ：= 0 a 8 ：= o d a 2 ( 2 - 2 ) 上式被称为扫描系统的扫描方程式，它表明扫描系统的扫描点数与扫描光束 的波长入和扫描系统的三个参数( a 、o 和d ) 有关。 光学扫描系统： 扫描光学系统的种类很多，在这里我们只讨论光学扫描系统。光学扫描系统 分为物镜扫描、物镜前扫描和物镜后扫描三种形式，其中以物镜的扫描形式最为 简单，只要运动物镜即可达到光束扫描的目的。物镜后扫描系统就是把反射镜位 于物镜之后，其优点是物镜口径相对较小( 只要满足扫描光束的口径要求) ，且 扫描物镜只要求校正轴上点像差即可。物镜后扫描系统的缺点是扫描像面唯一曲 面，不利于图像的接收与转换。 为了克服物镜后扫描系统的缺陷，把扫描反射镜置于物镜之前，称其为物镜 前扫描系统，只要物镜严格的校正轴上点和轴外点像差，即可获得很好的扫描成 像，且扫描成像面为一平面。因此一般的光学扫描系统多采用物镜前扫描形式。 为了保证物镜前扫描系统在扫描像面上得到均匀的像面照度和尺寸一致的扫描 像点，扫描物镜一般涉及成像方远心光路，使其像方主光线始终垂直于扫描像平 面。这种系统称其为远心扫描系统。若要保证远心扫描特性，除扫描物镜作远心 物镜设计要求外，对提供给扫描物镜的成像光束也必须满足远心光路的要求，即 只有扫描反射镜的转动轴心与扫描物镜的物方焦点重合时，才能使轴外扫描光束 的中心光线( 主光线) 通过物镜的物方焦点，构成像方远心光路【4 l 。 2 1 2 激光扫描测量技术的发展历程1 5 1 激光扫描计量原理主要是利用激光束的方向性和高能量密度，把扫描时间转 换成物体尺寸。 如图2 - 1 所示，当扫描反射镜2 以一定频率摆动时，形成激光束的扫描运动， 扫描光束通过物镜3 ，然后形成平行光，扫描待测物体4 ，然后由接收镜5 ，光 电转换6 将扫描的光信号转换成电信号，经过信号处理7 ，由8 显示。 9 第二章激光扫描测径系统的原理 2 dh 8 图2 1 激光扫描计量原理 1 一反射镜，2 扫描反射镜，3 物镜，4 待测物体，5 接收物镜，6 光电转换，7 叫言号处理，8 一 微机显示 动是 下面用数学公式来表示，当扫描物镜以c o 的角速度转动时，激光束的扫描运 1 = 一c o t 2 扫描光束通过物镜3 后，形成线扫描运动，扫描线速度是 1，=一dh=d(2f8)=2_一d8=2fdt d tdt国 设被测物体尺寸为d ，则 l o ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) 第二章激光扫描测径系统的原理 d = v f = i d h f = 2 厂缈fd t ( 2 - 5 ) 当已知，测定t ，由式( 2 - 3 ) 就可求出d 。这就是光扫描计量的基本关式。 为保证测量的高精度，光扫描计量系统，必须满足以下三点基本要求： ( 1 ) 激光束应垂直照射被测物体表面； l ( 2 ) 光束必须对物体表面做匀速直线扫描运动，即v = 半= 常数： d t ( 3 ) 扫描时间必须测的很准确。 为保证激光束的扫描始终垂直于被测物体表面，采用的方法就是在激光束的 光路中加入旋转的光学元件，当激光束在摆动的反射镜上反射时，就产生光束的 扫描运动。此时激光束在物体表面上的扫描长度为y 和反射镜的转角。之间的关 系如下： y = = r t g ( 2 0 ) 式中：r 为反射镜摆动中心到物面的距离； o 为反射镜转角。 2 2 激光扫描测径系统工作原理f 6 】1 7 】 ( 2 - 6 ) 以下部分以旋转镜式扫描测量系统为主，分别介绍了扫描测量系统的整体组 成以及各部分的作用。 激光扫描测径的基本原理是利用激光束的方向性和高能量密度，把扫描时间 转化成物体的尺寸，其原理简图如图2 - - 2 所示： 第二章激光扫描测径系统的原理 m 1 图2 - 2 激光扫描测径仪原理简图 激光束由反射镜m 1 反射后打在高速旋转的多面镜上，由于反射角的变化， 反射光束呈现扇形扫描，当入射点放置在透镜l 1 前时，扇形光束经准直成为平 行扫描光束，透镜l 2 将平行光束汇聚到光电转换器上。透镜l 1 和l 2 之间为测 量范围，当有测量物体时，由于测量物体的遮挡，测量时间内将没有光照射到光 电接收器上，扫描速度可以通过电机的转速得到，因此遮挡时间反应了物体的尺 寸信息，光电接收端产生一个方波信号。若扫描速度为v ，扫描时间为t ，则被 测物体的尺寸为： d = 1 ，t( 2 7 ) 时间t 的测量可由信号处理部分完成，光电接收器将光信号变成电信号后， 经整形放大送入信号处理器，信号处理器经过运算求得物体尺寸并显示输出到显 示装置上。 从式( 2 7 ) 看来，系统的测量原理很简单，只要测量出t ，计算出v 再进 行相乘即可，实际上，速度v 跟许多因素有关，而且并不是一个常数，它随着测 量方法，激光入射角和转镜旋转角，转镜转速的变化而变化。整个测量系统主要 分为由激光器，光学机械扫描器和透镜组成的扫描光束产生部分，由光电转换设 备和整形电路组成的扫描光束接收部分，以及以单片微型计算机为核心的信号处 理与显示部分组成，以下分部分具体讨论。 2 3 扫描光束产生部分 对于扫描光束，有两点总的要求： 第一，是激光束应该垂直照射被测物体表面 第二，光束必须对物面作匀速直线运动，即v = _ d h = 常数 讲 第二章激光扫描测径系统的原理 式中h 为扫描光束通过透镜l 1 所成的像。 激光束反射后照射到以角速度c o 旋转的扫描转镜上，经反射后照射到准直透 镜上，其理论扫描速度v - - - - 2 f ，其中( - ) 为转镜角速度，f 为透镜焦距。当角速 度确定后扫描速度为一个常数。但实际扫描光束在测量范围内的速度并不是恒定 不变的，激光束沿扫描平面的速度，也即象高h 随时间的变化率由光学原理f 8 】可 以推出： v ：一d h ：【生：! ! 咝二盟二墅竺二趔竺翌二型垫! 竺! 翌二塑2 锨+v = 一= 一- 二眦十 d t c o s 2 ( 秒一2 矿) c o s ( o 一矽) 。二一2 a , f ( 2 8 ) c o s 2 ( 口一2 q o 一 式中：口= 扫描转镜上激光束的入射角 矿= 扫描转镜的角位移 r = 扫描转镜的内切圆半径 k l = c o s o ，k 2 = s i n o 其大致的速度v 与转镜旋转角度伊的曲线简图 9 1 如图2 3 所示： v 0 图2 3 扫描速度的v 一9 曲线 以上说明扫描速度v 并不等于理论速度v = 2 ( ) f ，与9 ，o ，r ，f 有关。 因此扫描范围内的不同位置，速度是变化的，从而导致测量误差。在测量精度较 低时，如在0 1 m 范围内，速度v 的变化影响较小，但在高精度测量时( 0 0 0 1 m m ) ， 必须设法减少速度的变化或者补偿速度曲线，具体方法将在第四章中论述。 第二章激光扫描测径系统的原理 2 4 扫描光束的接收部分 扫描光束经过测量区域后，经过透镜l 2 照射到光电转换装置上，光电转化 装置将带有测量信息的光信号转化为电信号。但由于光束宽度，物体表面衍射等 效应，光束经过物体表面时，光强有一定的渐变性，因此它产生的信号有一定的 畸变，其图像如图2 4 a 所示，为了便于微处理器判决，信号须经一定程度的整 形，整形后的电信号要求达到方波的形式，其图形如图2 4 b 。另外经光电变换 的信号一般比较弱，还需要一定的放大，所以实际中必须加一定的放大电路i l0 1 。 vv 0t0 a 直接测量获得的信号 b 信号整形后获得的信号 图2 4 被测物体尺寸信号 2 5 信号的处理与显示部分 在高速测量中，例如在每秒测量2 0 0 次的情况下，每次测量的最大时间为 0 0 0 5 s ，须选择测量精度高的处理器。通常选择晶振频率高，最小测量周期小的 微处理器。例如采用1 2 m h z 晶振的m c s - - 5 1 系列单片机【l ，其最小测量周期为 l u s ，能够满足要求。为了将测量结果反馈于工业生产，测量仪器还应具备与控 制系统进行通信的功能。此外，直接获得的测量信号往往还带有一定的干扰信号， 如在转镜边缘导致的类似于测量信号的低电平方波，所以信号处理系统必须有一 定的识别能力，将测量信号与干扰信号分离。另外，为了提高测量精度，往往采 用多次测量取平均值的方法，这在微处理系统中应该较为容易实现。 2 6 其他一些测量方法以及特点 其他一些现有测径原理的介绍： 1 4 第二章激光扫描测径系统的原理 2 6 1 利用c c d 接收的方法1 1 2 l 【1 3 】 c c d 尺寸测量技术作为一种非常有效的非接触检测方法，被广泛应用于工件 尺寸的在线检测上。c c d 尺寸检测技术是一种传统的、技术非常成熟的检测技术。 所以，我们在从事激光扫描测径试验的时候，也就c c d 接收式测径的方法进行了 一些探讨和尝试。 一般系统基本都由c c d 像传感器、光学系统、微机数据采集和处理系统，它 具有一些独特的一般机械式、光学式、电磁式测量仪无法比拟的优点，这与c c d 本身的自扫描高分辨率高灵敏度结构紧凑位置准确的特性密切相关。其中关键的 技术就是光学系统的设计和c c d 输出视频信号的采集与处理。目前，我们通常见 的光学系统设计方法如果应用在测量方面，存在着很多常见的问题，诸如结构复 杂、成本高等缺点。 其实我们从各种光学测量方法( 包括激光扫描、c c d 接收等各种光学测量方 法) 的基本原理来看，在光学测量里面，宽幅度的光谱是一个很重要的方面。这 个宽幅一般要比被测物体宽，而得到这个宽幅的光谱一直是一个难题。我们实验 室结合实际的需要，并且参考了一些资料，提出了一种光学系统设计的方法，这 种光学系统设计方法很巧妙，它的巧妙在于把激光器发出的点光源，通过这套光 学系统，展宽成比较宽的光谱，从而达到测量系统所需的目的! 常规的平行扩束 器由光源和一定焦距的透镜组成，扩束精度主要由成像光学系统的放大倍数和其 象差( 如场曲、色差、象散、崎变) 决定，除非采用特殊的设计，如多片组合透 镜和非球面透镜，否则扩束和成像光学系统将引起一定的误差，常规扩束系统造 价昂贵，而且大尺寸的扩束系统很难加工，特别是对线扫描c c d 传感器应用的领 域，还必须采用柱面透镜将面状平行光源转换成线状平行光源，或者采用狭缝把 多余的光滤掉，这样则需要大大增加光源能量，对实际应用来说是一种极大的浪 费。 而我们都知道，光源发出的光都有一定的波长，除非单色性特别好的光源， 一般来说，光源的波长都是在一定的范围内的，就是说光源的单色性不是绝对的 线性的，而是一定的范围。基本这一点，我们都知道，三棱镜有一个特殊的作用， 就是可以把一定的波长展宽! 最通常的就是，阳光经过三棱镜可以展成七色光。 由图2 5 我们可以看到，一个点光源发出的光经过一个棱镜的折射，在棱镜 的另一端输出的光谱比入射的光谱宽了很多，要想得到更宽的光谱，就必须用更 大的棱镜，而我们也知道，大棱镜的制作和工艺以及成本都是很难实现的，因此 我们设计出一种很好的替代方案，用一组小的棱镜来实现同样大棱镜的效果1 1 4 1 ， 如图2 6 ： 第二章激光扫描测径系统的原理 图2 - 5 三棱镜展宽光谱图 卜 图2 - 6 替代大三棱镜方案 当然，实际实现起来，小棱镜的数量可以按照实际小棱镜的大小和所需光谱 的宽度自己增减。这样的小棱镜组合对于点光源展宽的效果和大棱镜的效果是相 同的。这种设计方案在很大程度上保证了可以得到所需的足够宽的大尺寸光谱， 而同时节省了成本，更容易实现。 这样采用数块小角度棱镜，直接将激光扩束成任意尺寸的线状平行光源，扩 1 6 第二章激光扫描测径系统的原理 束光学系统的放大倍数任意可变而且无任何像差，线状平行光源的发散角可达到 衍射极限，调整起来也很方便，而且造价仅是透镜扩束系统的十分之一。 但是，我们也知道，常用的c c d 光敏区的长度一般在2 8 r a m 左右，如果采用 单片c c d 无法完成光电转换的工作，必须采用别的方法来克服这一问题。 我们先来看一下采用c c d 测量的基本原理和方法： 图2 - 7 显示出了线阵c c d 平行光法进行非接触测量的基本原理：将线阵c c d 置于平行光路，被测物放于c c d 前方光路中，射向c c d 的光就被物体挡住一部分， 因此c c d 输出的信号就有一个凹口。显然，凹口的宽度与物体的尺寸有一一对应 的关系，我们利用数字电路设计和计算机处理就很容易的得到凹口对应的c c d 像 元数，从而计算出被测物体的尺寸。但是我们也很容易的发现一个问题：这种测 量方法要求c c d 光敏区的长度大于被测物体的尺寸，耳大尺寸的c c d 特别昂贵， 所以必须通过其他方法来实现光的接收。 平 行 光 束 被测物 c c d 光强分布 图2 - 7c c d 接收测量的基本原理 我们也发现对于这种测量系统，对我们真正有用的数据是两个边缘的附近的 数据。我们查到的文献中，有一种方法解决了这个问题。既如图2 7 所示，用两 片c c d ，分别测量出凹口的边沿，开始测量时用一标准对仪器进行校准，得出两 片c c d 之间的间距并存储；正式测量时，在确定出两片c c d 被遮挡部分的尺寸后， 和间距累加起来即得到被测物的尺寸。为适应不同的测量范围，两c c d 之间的间 距可以调整，其中一片c c d 位置固定，通过步进电机带动另一片c c d 做上下运动， 位置由测量值确定，这样的话，测量范围就大大增加了。 下面我们来看一下这种测量方法具体实现起来的系统原理， 系统由平行光产生单元，c c d 及驱动电路单元，c c d 视频信号前置放大，信 号采集及处理，步进电机及驱动电路单元，系统总控制单元等部分组成。平行光 第二章激光扫描测径系统的原理 产生单元由激光器及棱镜组构成，我们知道一般的c c d ，其参数和特点为：包含 2 0 4 8 个光敏单元，高灵敏，低暗电流，每个像元尺寸为1 4um x 1 4l lm ，像元中心 距为1 4pm 。c c d 驱动电路单元用来产生c c d 所需的工作脉冲，c c d 视频信号前 置放大器的作用是把c c d 信号输出和补偿信号输出进行差分放大，去除共模干扰 及温度变化的影响，放大器输出的信号经电平转换电路后送至信号采集及处理单 元；信号采集和处理单元的功能是将该信号数字化并存在存储器中；然后由系统 总控制单元采用适当的算法对其进行处理得到被测物的尺寸。系统总控制单元除 完成数据处理工作以外，还担负着包括l e d 显示、键盘、模拟误差信号输出、数 据存储、c c d 积分时间控制、p c 远程数据传输和控制、步进电机控制信号输出、 上下限位开关输入接口等。 下面让我们具体来看一下系统各个部分的详细的设计原理，这对我们采用激 光扫描测量的方法里面的信号处理部分是很有借鉴意义的! ( 1 ) 二相线阵c c d 需要在其相关引脚加入适当脉冲才能正常工作，主要有两相 时钟脉冲a 和中b ，转移门t c ，复位门o r ，并且要输出与c c d 输出信号同步的 脉冲，作为信号采集的同步触发信号，除此之外，由于系统中采用两片c c d 完成 光电转换工作。为了降低光强随时间的变化对测量结果的影响，要求两片c c d 驱 动脉冲完全同步工作。采用下述方法解决这个问题：首先产生主驱动脉冲( 和单 片c c d 时相同) ，然后分成两路送入可驱动大负载电容的驱动器d s 0 0 2 6 中，由 d s 0 0 2 6 输出的驱动脉冲去驱动两片c c d ，从而使两片c c d 的工作达到完全同步。 ( 2 ) c c d 信号采集与处理电路1 5 】1 1 6 1 1 7 l c c d 输出信号是一视频脉冲串，脉冲重复频率为5 0 0 k h z ，每帧有2 1 2 4 个脉 冲，其中有2 0 4 8 个脉冲是信号输出，其余的是暗电流输出和光遮蔽输出，每个 脉冲对应c c d 的一个像元。因此，信号脉冲幅度大小对应着光的强弱。在c c d 用 在测径中，由于信号电平具有比较明显的高低特征，所以常用的信号处理方法是 通过二值化处理把c c d 视频信号中图像尺寸部分与背景部分分离成二值电平。实 现c c d 视频信号二值化方法的处理由硬件电路完成，最普遍采用电压比较器，将 视频信号送往该比较器的同相端，用一个电平作为阈值送往该比较器的反相端， 对c c d 视频信号进行分割，在比较器的输出端得到视频信号的二值化处理的结 果，即视频信号电平高于阈值的部分均输出高电平，而低于阈值的部分均输出的 电平，形成了具有一定宽度的二值化电平的脉冲信号，该脉冲宽度对应被测对象 的大小：采用一个标准时钟对二值化信号的脉冲宽度进行计数，微处理器采集计 数值n 后，乘以脉冲当量即得到被测物体尺寸，二值化处理的重要问题是阈值确 定问题。由于图像边界在c c d 视频信号存在过度取，如何确定真实边界选取阈值 是影响测量精度的重要因素之一。并且，阈值的选取随环境和光源的变化而变化。 第二章激光扫描测径系统的原理 因此，这种方法的应用存在一定的局限性。问题的关键在于调整阈值不方便，另 外，本系统信号获取是用两片c c d 实现的，上述二值化方法应用起来也不太方便。 另一种方法是将每个像元信号通过模数转换器转换成数字信号，然后在微处 理器或p c 机中根据某种最优算法如边缘检测方法精确确定出被测物的尺寸【l8 1 。 这种方法的优点是：信号处理采用软件实现的，便于采用复杂算法，自适应环境 和光源变化。所以，系统采用第二种方法。系统中，c c d 输出信号重复频率为 2 0 0 k h z ，因此要求模数转换器的速率要高于2 0 0 k h z 。选用m a x i m 公司生产的 m a x l 2 0 a d 转换芯片，该芯片分辨率为1 2 位，最快转换时间为1 6us ，片内含 有采样保持和精密- 5 v 基准源，适合应用在数字信号处理、语音识别和合成，高 速数据获取、谱分析、音频核电信处理及数据记录系统。通过控制信号线的不同 接法实现五种工作模式。在这里我们采用模式2 。为实现高速转换，a d 转换器 的工作控制不用系统c p u 来完成，而是用硬