CN100386594C - 一种厚／宽度非接触测量方法及系统 - Google Patents

一种厚／宽度非接触测量方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明是一种厚/宽度非接触测量方法及系统，该方法是将准直光源发出的光束经非对称扫描转镜形成扫描光束，扫描光束被待测工件反/散射后，由接收物镜汇聚至光电接收元件，通过测量反/散射光在待测工件上的持续时间，通过特定测量方程得到工件厚/宽度。该系统是由准直光源、非对称扫描转镜、接收物镜、光电接收器依次相互连接组成，光电接收器还通过信号线与计算机相连接。本发明使用子非对称的转镜扫描，无扫描物镜，制造简单，系统误差可通过计算机实现有效补偿，系统工作稳定性好，安装调试及维护方便，成本低，还可方便地实现便携结构。

Description

一种厚／宽度非接触测量方法及系统
技术领域
本发明涉及几何量光学非接触测量技术领域，具体是指一种厚/宽度非接触测量方法及系统。
背景技术
已有的光学非接触厚/宽度测量技术，可分为扫描测量和成像测量两类。扫描测量方法及系统：由准直光源、反射转镜、扫描物镜、接收物镜和光电器件组成，其工作过程为：准直光源发出的光束投射在偏转镜上偏转，再经扫描物镜后成为扫描测量光线，通过测量扫描光线扫描工件截面的时间求出被测工件厚/宽度。成像测量方法及系统：使用光源照明工件，通过测量光电阵列器件上的工件像计算出工件厚度，或通过飞像扫描方式(即在成像物镜后设置旋转反射镜，光电器件接收工件边沿信号测得工件尺寸)确定工件厚/宽度。现有技术在设计制造和实用中存在以下问题：1.扫描测量方法需要一个适当的线性扫描物镜，结构比较复杂；2.扫描测量方法的物镜设计、制造和装配都比较困难，故生产效率低、制造成本高；3.扫描测量系统使用时对环境要求高，在一般生产现场环境中，系统可靠性不高；4.扫描测量范围的扩大受限于扫描物镜尺寸；5.基于成像原理的测量技术，则要求工件与测量系统之间的位置相对固定，不易获得高精度，也难于实现便携式结构。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述现有技术中存在的不足之处，提供一种新的厚/宽度非接触测量方法及系统。该系统制作工艺简单，无扫描物镜，调试与使用方便、容易扩充测量范围，还可制作成为便携式，能够更有效地推广至各类检测控制场合。
本发明是通过如下技术方案件来实现的：所述一种厚/宽度非接触测量方法是，将准直光源发出的光束通过非对称扫描转镜形成扫描光束，扫描光束在待测工件截面反/散射后，由接收物镜汇聚至光电接收元件，通过测量反/散射光在待测工件上的持续时间(反映在对θ2、θ3的测量中)，按照下式测量得到工件厚/宽度H：
H＝2·h·tan(θ2/2)·tan(θ3/2)/(tan(θ3/2)-tan(θ2/2))
其中，h为非对称扫描转镜两反射面到旋转轴中心距离之差；θ2、θ3分别为非对称扫描转镜两反射面反射点对待测工件截面的张角。
为了更好地实现本发明，考虑到一般应用情况下，上述测量式进一步校正为
H＝2·h·tan(θ2/2)·tan(θ3/2)/(tan(θ3/2)-tan(θ2/2))+γ(α，θ1，θ2)
其中，α是待测工件截面中心至非对称扫描转镜反射面中心之间连线与待测工件中心法线之间的夹角，γ(α，θ1，θ2)是由于α引起的误差项，通过计算或标定的方法补偿，补偿后的残差是关于α，θ1，θ2的高阶小量。
所述一种厚/宽度非接触测量系统，是由准直光源、非对称扫描转镜、接收物镜、光电接收器依次相互连接组成，光电接收器还通过信号线与计算机相连接。
为了更好地实现本发明，所述非对称扫描转镜由两个反射面组成，两反射面分别至扫描旋转中心之距离不相等(有一个距离差h)；所述非对称扫描转镜与准直光源之间还可以增加有使光束改变方向的反射镜；所述准直光源是激光光源或LED光源；所述接收物镜采用反射式或折射式或两者的组合；所述光电接收器前可以加装滤光片或防尘保护性玻璃或两者的组合或其它透明或非透明材料制作的防尘、防冲击或防热/湿防护装置；所述非对称扫描转镜包括两边长不等的长方形反射镜或边长不等的三角形反射镜(这些都属于不对称反射面显而易见的变形，如使用两边长不等的长方形反射镜，其相邻两反射面可视为一对不对称反射面，仍不失为一种有效的结构)。
本发明中无扫描物镜，通过使用独特的非对称转镜扫描测量方法，消除系统误差。本发明结构简单，制造、使用与维护方便，制造成本相对降低，便于推广应用至一般应用场合，可用于板件厚度和工件宽度的非接触测量。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1.本发明使用了一个非对称扫描转镜，有一定间隔的两平面反射转镜相对于转轴呈非对称安装，测量结果只与不对称量有关，对工件与测量系统之间的距离无特别要求。
2.本发明无扫描物镜，容易实现较大的测量动态范围，也能够实现便携式结构。
3.本发明使用非对称扫描结构，结构简单，系统稳定性能好，适用于一般工厂环境下的在线检测。
4.本发明制造、调试及维护更加简单方便。
5.本发明制造成本有效降低，便于推广应用。
附图说明
图1是本发明的测量原理图；
图2是本发明有系统误差时的测量原理图；
图3和4是现有技术的测量原理图。
图5是本发明实施例中非对称扫描转镜的原理结构示意图；
图6和7是本发明中非对称扫描转镜另外两种结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明做进一步地详细说明。
如图1所示，本发明所述一种厚/宽度非接触测量系统由准直激光源1、非对称扫描转镜(由反射面2、3组成，各反射面分别至扫描旋转中心的距离不相等)、接收物镜5、光电接收器6依次相互连接组成，光电接收器6还通过信号线与计算机相连接。非对称扫描转镜与准直光源1之间还可以增加有使光束改变方向的反射镜。接收物镜5采用反射式或折射式或两者的组合。光电接收器6前可以加装滤光片或防尘保护性玻璃或两者的组合或其它透明或非透明材料制作的防尘、防冲击或防热/湿防护装置。如图5所示，非对称扫描转镜中的反射面2和3相对于旋转中心O非对称。如图6所示，非对称扫描转镜也可以采用两边长不等的长方形反射镜的形式，其相邻两反射面10和12、11和13均可视为一对不对称反射面，相对于旋转中心O非对称，仍不失为一种有效的结构。如图7所示，非对称扫描转镜还可以采用边长不等的三角形反射镜的形式，其相邻两反射面14和15、16和15均可视为一对不对称反射面。相对于旋转中心O非对称。事实上，本发明也可使用各种具有非对称反射面对的锥体反射转镜，取代柱体反射转镜。
工作时，准直激光源1发出的激光束经非对称扫描转镜(反射面2、3)形成扫描光束，扫描光束被待测工件4反/散射并被接收物镜5汇聚至光电接收器6，光电信号送计算机处理，通过测量反/散射光在待测工件上持续时间可求得工件厚/宽度。其中，反射面2、3分别到旋转中心O的距离之差为h，两反射面分别对应扫描角度为θ2、θ3，则厚/宽度H可由下式计算：
H＝2·h·tan(θ2/2)·tan(θ3/2)/(tan(θ3/2)-tan(θ2/2))    (1)
如图2所示，一般测量情况下，理论上仍可得到严格的测量式，此时较(1)式有更为复杂的形式，考虑到实际测量对精度的要求，可以使用下式计算：
H＝2·h·tan(θ2/2)·tan(θ3/2)/(tan(θ3/2)-tan(θ2/2))+γ(α，θ1，θ2)  (2)
其中，γ(α，θ1，θ2)是由于α引起的误差项，可通过计算或标定的方法补偿，补偿后的残差是关于α，θ1，θ2的高阶小量，测量结果由计算机计算补偿后输出。
如图3所示，现有技术是将准直光源1发出的光束投射在偏转镜8上偏转，再经线性扫描物镜7后成为匀速扫描测量光线，当扫描角为θ、线性扫描物镜焦距f时，通过下式测量出被测工件4的厚/宽度。
H＝2·f·θ    (3)
由此可见，线性扫描物镜7是现有技术中一个必不可少的测量元件，而这恰恰是现有技术中存在诸多缺陷因素的关键。
如图4所示，现有技术还可以采用成像物镜9，可通过式(4)求得工件厚/宽度。
H＝L1/L2·H’    (4)
其中，L1、L2分别为工件截面和工件截面像到物镜的距离，H’为工件像的尺寸。由此可见，为得到准确结果，L1必须保持恒定，否则将产生误差。
由上述可知，本发明通过采用非对称扫描转镜的使用，在不使用线性扫描物镜7的情况下，消除了系统误差，而突破了现有技术中的技术瓶颈，大大提高了测量技术的水平。
如上所述，即可较好地实现本发明。

Claims (6)

1.一种厚/宽度非接触测量方法，其特征是，将准直光源发出的光束通过非对称扫描转镜形成扫描光束，扫描光束在待测工件截面反/散射后，由接收物镜汇聚至光电接收元件，通过测量反/散射光在待测工件上的持续时间，按照下式测量得到工件厚/宽度H：
H＝2·h·tan(θ2/2)·tan(θ3/2)/(tan(θ3/2)-tan(θ2/2))
其中，非对称扫描转镜由两个反射面组成，各反射面分别至扫描旋转中心的距离不相等，h为非对称扫描转镜两反射面到旋转轴中心距离之差；θ2、θ3分别为非对称扫描转镜两反射面反射点对待测工件截面的张角。
2.根据权利要求1所述的一种厚/宽度非接触测量方法，其特征是，所述测量方式进一步校正为
H＝2·h·tan(θ2/2)·tan(θ3/2)/(tan(θ3/2)-tan(θ2/2))+γ(α，θ1，θ2)
其中，α是待测工件截面中心至非对称扫描转镜反射面中心之间连线与待测工件中心法线之间的夹角，γ(α，θ1，θ2)是由于α引起的误差项，通过计算或标定的方法补偿，补偿后的残差是关于α，θ1，θ2的高阶小量。
3.一种厚/宽度非接触测量系统，其特征是，它由准直光源、非对称扫描转镜、接收物镜、光电接收器依次相互连接组成，光电接收器还通过信号线与计算机相连接；所述非对称扫描转镜由两个反射面组成，各反射面分别至扫描旋转中心的距离不相等。
4.根据权利要求3所述的一种厚/宽度非接触测量系统，其特征是，所述非对称扫描转镜与准直光源之间安装有使光束改变方向的反射镜。
5.根据权利要求3所述的一种厚/宽度非接触测量系统，其特征是，所述接收物镜采用反射式或折射式或两者的组合。
6.根据权利要求3所述的一种厚/宽度非接触测量系统，其特征是，所述准直光源是激光光源或LED光源。
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