一種基于平晶掃描的環(huán)境光自適應激光測徑裝置制造方法
【專利摘要】一種基于平晶掃描的環(huán)境光自適應激光測徑裝置，是一種采用平行平晶掃描方法解決激光束的自準直問題，同時對環(huán)境光進行自適應處理；利用邊界檢測算法來解決邊界信號的采集和邊界檢測的實現(xiàn)，對信號的處理更為科學，采集的信號更靈敏、有效的激光測徑裝置。最后對實驗數(shù)據(jù)采用刀口標定RBF擬合法對數(shù)據(jù)進行處理，實驗精度極大提高，誤差范圍縮小在±2μm內。本實用新型在一般光學實驗室條件下就能搭建，能夠實現(xiàn)高精度測徑，具有自準直、系統(tǒng)成本低，測量精度高、誤差范圍小等特點。
【專利說明】一種基于平晶掃描的環(huán)境光自適應激光測徑裝置

【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及一種測量固件直徑的裝置，特別是利用一種新手段新技術測量高 精度測量固件直徑的裝置，屬于光學測量領域。

【背景技術】
[0002] 軸類工件直徑測量是最基本的尺寸測量任務之一，常見的接觸式測量設備包括三 坐標測量機和圓柱度儀，經過實驗研宄分析，接觸式測量效率低，難以實現(xiàn)在線測量；常見 的非接觸測量方法包括投影法衍射法和激光掃描法，后者在工件外形尺寸測量中應用較為 廣泛，且采用基于反射原理的方法居多，如依賴電機勻速轉動的轉鏡掃描測量系統(tǒng)、適合較 大徑向尺寸測量的拋物面反射式測量系統(tǒng)、轉鏡反射面關于旋轉中心呈非對稱設計的差動 式測量系統(tǒng)，此類系統(tǒng)在安裝時容易產生離焦現(xiàn)象；由兩個掃描單元利用角度參數(shù)計算工 件直徑的無掃描物鏡測量系統(tǒng)涉及敏感環(huán)節(jié)較少，測量精度和穩(wěn)定性較高，但是系統(tǒng)不易 擴展。
[0003] 激光掃描測徑儀是一種基于光學技術、現(xiàn)代激光、計算機、精密機械等多學科技術 于一體的檢測系統(tǒng)，它是用可見激光作為光源，把被測對象的幾何尺寸經過掃描光學系統(tǒng) 和光電變換系統(tǒng)轉變成電信號，再由計算機進行實時數(shù)據(jù)處理，給出測量結果?？梢苑奖銓?現(xiàn)在線檢測工件的尺寸，具有高速度、高精度、非接觸測量等特點，目前已被廣泛應用于生 產領域。


【發(fā)明內容】

[0004] 本實用新型的目的在于針對現(xiàn)有技術的不足，提供一種用平晶作為激光掃描發(fā)射 器的核心元件以實現(xiàn)激光的出射與掃描；采用邊界檢測方法，提高信號邊界檢測的動態(tài)特 性和準確度，從而有效抑制原測量信號幅值漂移對測量結果的影響。本發(fā)明利用普通光學 透鏡就能實現(xiàn)高精度測徑，具有系統(tǒng)成本低，測量精度高且準確性高等特點。
[0005] 本發(fā)明解決上述技術問題所采用的技術方案為：
[0006] 本實用新型裝置包括激光器、平行平晶、斬光盤、掃描電機、接收物鏡、光電信號接 收和轉換器件。
[0007] 所述的激光器是一種電激勵式的紅光半導體激光器，其運轉方式為連續(xù)型激光 器，供電電壓為3-5V直流電，輸出功率范圍為0. 4-5mW，發(fā)散角范圍為0. 5-2mrad，激光器的 出射激光平行于水平面向左。
[0008] 所述的平行平晶是一種表面粗糙度數(shù)值和平面度誤差都極小的玻璃平面，它的作 用主要是產生光波干涉條紋，測量直徑范圍為45-150mm，有效長度為200mm，其置于激光器 和斬光盤中間。
[0009] 所述的斬光盤置于激光光束束腰附近，通過掃面電機帶動勻速旋轉對激光束進行 調制，用來模擬激光束掃描待測工件所產生的掃描信號。
[0010] 所述的接收物鏡可使掃描光束經過透鏡后衍射光斑半徑大小為〇. 2_左右，而硅 光電二極管的光敏面積一般為1mm2,與光電檢測器件光敏面積尺寸匹配較好，可以保證邊 界?目號提取的精確度。
[0011] 所述的光電信號接收和轉換器件選用與接收物鏡光敏面積匹配較好的硅光電二 極管，將其放置于接收物鏡的焦點處，它的主要作用是將光信號轉換成為電流信號。
[0012] 本實用新型中通過激光掃描測量工件厚度或直徑，這是成熟技術。本發(fā)明的發(fā)明 點在于提供一種綜合利用平晶作為激光掃描發(fā)射器的核心、環(huán)境光自適應算法以及刀口標 定RBF擬合的誤差分析方法快捷有效的來消除光束能量變化緩慢的影響，抑制信號幅值的 漂移對測量結果的影響，有效改善邊界的衍射問題，降低了重復誤差對實驗測量值的影響， 提高了測量精度。
[0013] 與現(xiàn)有技術相比，本實用新型的優(yōu)點：
[0014] (1)采用平晶作為激光掃描發(fā)射器的核心元件，激光透射轉動的平晶產生掃描光， 利用內建環(huán)境光自適應算法使之轉化為高度平行的掃描光，通過平晶繞自身回轉軸線的轉 動，出射光便會沿垂直光軸方向移動從而實現(xiàn)掃描；平晶轉動一周，出射光掃描兩次，通過 兩次掃描范圍的差值便可大致估算出被測工件的直徑。此方法安裝調試簡單、掃描光平行 度高，便于搭建；
[0015] (2)采用邊界檢測方法實現(xiàn)邊界檢測，對信號的處理更為科學，采集的信號更靈 敏、有效；測量結果更為準確剔除了掃描轉鏡局部轉速非勻速問題，降低了抖動誤差；
[0016] (3)采用刀口標定RBF擬合法對數(shù)據(jù)進行標定擬合，可以實現(xiàn)誤差的均方根分析， 多次測量后重復誤差大幅降低，測量精度隨之提高；
[0017] (4)設備對光學器件要求不高，成本不高，一般實驗室條件下就能搭建；

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018] 圖1為本實用新型的結構示意圖。
[0019] 圖2為本實用新型邊界微分信號檢測原理圖。

【具體實施方式】
[0020] 下面結合附圖和【具體實施方式】對本實用新型作進一步詳細說明。
[0021] 如圖1所示，一種用于測量工件的直徑或厚度的平晶掃描測徑包括激光器1、平行 平晶2、斬光盤3、掃描電機4、被測工件5、接收物鏡6、光電信號接收和轉換器件7、邊界檢 測8、FPGA模塊9。圖中實線為具體光路、點劃線為主光軸、虛線為對齊線，箭頭為流程。
[0022] 激光器發(fā)出的激光束經過平行平晶后，保持入射光束與光軸重合，平晶繞自身回 轉軸線轉動，通過電腦進行自適應算法擬合計算，得出高度平行的掃描光，出射光沿垂直光 軸的方向移動從而實現(xiàn)掃描；斬光盤置于激光束束腰附近，通過掃描電機帶動勻速旋轉對 激光束進行調制，以此來模擬激光束掃描待測工件所產生的掃描信號，硅光電二極管收到 的掃描光信號受到被測物直徑大小的調制，經ι/v轉換邊緣檢測放大整形之后成為與被測 直徑、電機轉速及測量范圍有關的方波信號，通過對輸出的方波信號進行邊界檢測，邊界檢 測后輸出一個與光信號寬度相對應的矩形待測信號，將該信號送入FPGA處理模塊，根據(jù)處 理后的信電平跳變情況以及時間與轉動角度的比例關系將所得時間量換算成入射角度，最 終實現(xiàn)直徑測量。
[0023] 如圖2所示，其為邊界微分信號檢測電路的原理圖，激光掃描光束掃描待測工件 邊緣時，光信號經過光電轉換為電信號，描光束在傳播方向上呈高斯分布。掃描光束的光強 度可以表示為：
[0024]

【權利要求】
1. 一種基于平晶掃描的環(huán)境光自適應激光測徑裝置包括激光器、平行平晶、斬光盤、掃 描電機、接收物鏡、光電信號接收和轉換器件、邊界檢測和FPGA處理模塊；所述的激光器是 一種電激勵式的紅光半導體激光器；所述的平行平晶是一種表面粗糙度數(shù)值和平面度誤差 都極小的玻璃平面，它的作用主要是產生光波干涉條紋，測量直徑范圍為45-150mm，有效長 度為200_，其置于激光器和斬光盤中間；所述的斬光盤置于激光光束束腰附近，通過掃面 電機帶動勻速旋轉對激光束進行調制，用來模擬激光束掃描待測工件所產生的掃描信號； 所述的接收物鏡可使掃描光束經過透鏡后衍射光斑半徑大小為〇. 2mm左右；所述的光電信 號接收和轉換器件選用與接收物鏡光敏面積匹配較好的硅光電二極管，將其放置于接收物 鏡的焦點處，它的主要作用是將光信號轉換成為電流信號。
2. 根據(jù)權利要求1所述的一種基于平晶掃描的環(huán)境光自適應激光測徑裝置，其特征在 于：所述的激光束對環(huán)境光有自適應功能。
3. 根據(jù)權利要求1所述的一種基于平晶掃描的環(huán)境光自適應激光測徑裝置，其特征在 于：所述的光電探測器的掃描信號經過邊界檢測模塊后信號的靈敏度與標準電平法相比增 大四倍。
4. 根據(jù)權利要求1所述的一種基于平晶掃描的環(huán)境光自適應激光測徑裝置，其特征在 于：所述的測量誤差可限制在±2 ym范圍內。
5. 根據(jù)權利要求1所述的一種基于平晶掃描的環(huán)境光自適應激光測徑裝置，其特征在 于：所述的斬光盤離開光束束腰位置時檢出結果的最大相對誤差為〇. 48%。
【文檔編號】G01B11/08GK204255301SQ201420528652
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年9月12日 優(yōu)先權日:2014年9月12日
【發(fā)明者】沈洋, 陳亮, 周占春, 蘇玲愛, 徐珍寶, 董艷燕, 張淑琴 申請人:中國計量學院