CN101726253A - 石英管壁厚光电检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种石英管壁厚光电检测系统，包括用于产生线形光束的激光发射系统、用于接收并检测经过待测石英管的管壁反射的光束的CCD测量系统和用于对CCD检测到的光束进行计算并得出石英管的管壁厚度的计算处理系统。本发明通过激光扫描技术和CCD检测技术的结合，实现了对石英管壁厚的高速、非接触的实时测量，满足了石英管生产过程中对壁厚测量的要求。

Description

石英管壁厚光电检测系统

技术领域

本发明涉及一种光电检测系统，尤其是一种对石英管壁厚进行检测的光电检测系统

背景技术

石英管主要用于光纤外皮管，石英管的壁厚尺寸直接影响光纤的寿命和特性。所以在石英管生产过程中，石英管的壁厚是一个重要参数，必须实时监控这个参数使之控制在公差范围内。石英管生产中具有高温、红热、脆性大和不易采用接触法测量的特点。因此，需要一种非接触、高速度、高精度的在线监测系统，以适应石英管生产的需要。

发明内容

本发明的目的是提供一种石英管壁厚光电检测系统，以实现石英管壁厚的非接触、高速度、高精度的在线监测。

为实现上述目的，本发明提供了一种石英管壁厚光电检测系统，包括：用于产生线形光束的激光发射系统、用于接收并检测经过待测石英管的管壁反射的光束的CCD测量系统和用于对CCD检测到的光束进行计算并得出石英管的管壁厚度的计算处理系统；

所述激光发射系统包括激光器和准直、扩束和整形光学系统；

所述CCD测量系统包括线阵CCD和扩束光学系统；

所述激光器、所述准直、扩束和整形光学系统、所述线阵CCD和所述扩束光学系统设置在待测石英管的同侧，所述激光器产生激光后经过准直、扩束和整形光学系统形成狭长的线形光束，所述线形光束以一定角度α入射到石英管的外壁上，该线性光束形成第一反射光束和折射光束，所述折射光束经所述石英管的内部反射并穿过所述石英管外壁形成第二反射光束，所述第一反射光束和第二反射光束相互平行；

所述第一反射光束和第二反射光束经过所述扩束光学系统进行扩束处理后，入射到所述线阵CCD；

所述计算处理系统与所述线阵CCD连接，用于根据线阵CCD输出的光强信号，计算所述入射到所述线阵CCD上的所述第一反射光束和第二反射光束的距离，并根据该距离计算所述石英管的管壁厚度。

由上述技术方案可知，本发明通过激光扫描技术和CCD检测技术的结合，实现了对石英管壁厚的高速、非接触的实时测量，满足了石英管生产过程中对壁厚测量的要求。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的石英管壁厚光电检测系统的实施例一的结构示意图；

图2为本发明的测量原理的示意图。

具体实施方式

本发明根据对测量原理的分析，结合激光扫描检测技术和玻璃厚度测量尺的设计经验，发明了基于CCD的检测设计方案。本发明的石英管壁厚光电在线检测系统为一种高速、高精度、非接触的测量系统。

实施例一

如图1所示，其为本发明的石英管壁厚光电检测系统的实施例一的结构示意图，该系统包括：用于产生线形光束的激光发射系统1、用于接收并检测经过待测石英管4的管壁反射的光束的CCD测量系统2和用于对CCD检测到的光束进行计算并得出石英管的管壁厚度的计算处理系统3；

所述激光发射系统1包括激光器11(优选为半导体激光器)和准直、扩束和整形光学系统12；

本实施例中激光器11可以采用650nm半导体激光器，其发出的高斯光束经准直、扩束和整形光学系统12的处理后，可以形成准直线状光束。

所述CCD测量系统2包括线阵CCD21和扩束光学系统22；

所述激光器、所述准直、扩束和整形光学系统、所述线阵CCD21和所述扩束光学系统22设置在待测石英管的同侧，所述激光器产生激光后经过准直、扩束和整形光学系统形成狭长的线形光束，所述线形光束以一定角度α入射到石英管的外壁上，该线性光束形成第一反射光束和折射光束，所述折射光束经所述石英管的内部反射并穿过所述石英管外壁形成第二反射光束，所述第一反射光束和第二反射光束相互平行；其中，0°＜α＜90°。较为优选的取值为49°左右。

所述第一反射光束和第二反射光束经过所述扩束光学系统进行扩束处理后，入射到所述线阵CCD；

所述计算处理系统3与所述线阵CCD连接，用于根据线阵CCD输出的光强信号，计算所述入射到所述线阵CCD上的所述第一反射光束和第二反射光束的距离，并根据该距离计算所述石英管的管壁厚度。

本发明实施例的对壁厚的测量原理如下：当某一光束以一定的角度入射到石英管侧面上，这束光线被分为两部分：一部分被石英管外表面反射；另一部分经外表面折射后入射到内表面上，被内表面反射再次入射到外表面，折射后形成一个平行于外表面反射光线的折射光线。这两束平行光线的空间位置与石英管的壁厚有关。通过测量这两束平行光线的空间距离就可以得到石英管的壁厚。

下面结合图2对本发明的测量原理进行进一步说明，如图2所示：

当半导体激光光束以一定角度α(空气向石英管)入射到待测石英管4上时，形成如图2所示的光路。由反射定律可知，经过所述待测石英管的外壁的反射将形成一束与入射光线对称的反射光线OC，同时有一部分光在管壁内折射，折射角为θ，根据折射定律则有

关系成立(n为石英管折射率)。在石英管壁内的光线入射到内表面A处时，同样遵循反射和折射定律，形成的内反射光线会再次入射到外表面，根据折射定律形成与OC平行的光线射出。设石英管的壁厚为L，根据几何关系由ΔOAB和ΔOBC，可以求出BC值。

BC＝2K_αL

式中， $K_{\mathrm{\α}}=\tan \left[\arcsin \left(\frac{1}{n}\sin \mathrm{\α}\right)\right]\·\cos \mathrm{\α}.$

通过上述两式子，可以得出壁厚L为：

$L=\mathrm{BC}/\{2\×\tan [\arcsin (\frac{1}{n}\×\sin \mathrm{\α})]\×\cos \mathrm{\α}\}.$

光线经扩束光学系统22后，入射到线阵CCD21的光敏面上，光束的间距被放大了，BC乘以扩束系统的放大系数β，便得到实际照射在线阵CCD上光束间距。

即最终的公式如下：

$L=\mathrm{BC}\×\mathrm{\β}/\{2\×\tan [\arcsin (\frac{1}{n}\×\sin \mathrm{\α})]\×\cos \mathrm{\α}\}.$

线阵CCD输出两个这个携带有被测壁厚信息的光强脉冲信号，经计算处理系统3数据处理后，通过上述公式便可以得到所述石英管的壁厚值。

实施例二

本实施例在实施例一的基础上增加了伺服控制系统，为了充分发挥CCD测量系统高速、非接触的特点，本实施例中增加了回转运动与直线运动的伺服控制系统及相应的执行机构，使被测石英管绕轴线转动，使得CCD测量系统2可以对石英管圆周方向的不同部位进行检测，同时使CCD测量系统2和激光发射系统1沿轴向移动，对石英管轴线方向不同截面的壁厚进行检测。

伺服控制系统可以包括交流伺服电机、步进电机以及运动控制模块。具体来说，可以采用交流伺服电机驱动CCD测量系统轴2和激光发射系统1沿轴向移动，采用步进电机驱动被测石英管进行回转运动，并通过运动控制模块(具体可以采用PC机)对回转运动和直线运动进行速度、方向及位移的控制。

本实施例通过增加伺服控制系统，充分发挥CCD测量系统高速、非接触的特点，对石英管壁厚的测量数据更加全面和准确，并且可以根据具体的需要，可以方便的测量出石英管上任何位置的壁厚值，并且可以通过加权平均的方式，测量某一截面处的壁厚，也可以测量整个石英管的平均壁厚。

例如，可以使石英管仅作回转运动，而CCD测量系统2和激光发射系统1位置不动，可以测的某一界面的多个壁厚值，然后进行加权平均处理，即可得到该截面的平均壁厚。然后再沿着轴线方向移动CCD测量系统2和激光发射系统1，进行另一截面位置的壁厚测量，当测的多个截面位置的壁厚后，进行平均既可得到整个石英管的壁厚值。

其以一定的角度入射到石英管侧面上，这束光线被分为两部分：一部分被石英管外表面反射。另一部分经外表面折射后入射到内表面上，被内表面反射再次入射到外表面，折射后形成一个平行于外表面反射光线的折射光线。这两束平行光线的空间位置与石英管的壁厚有关。厚度测量原理如图2所示。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种石英管壁厚光电检测系统，其特征在于包括：用于产生线形光束的激光发射系统、用于接收并检测经过待测石英管的管壁反射的光束的CCD测量系统和用于对CCD检测到的光束进行计算并得出石英管的管壁厚度的计算处理系统；

所述激光发射系统包括激光器和准直、扩束和整形光学系统；

所述CCD测量系统包括线阵CCD和扩束光学系统；

所述激光器、所述准直、扩束和整形光学系统、所述线阵CCD和所述扩束光学系统设置在待测石英管的同侧，所述激光器产生激光后经过准直、扩束和整形光学系统形成狭长的线形光束，所述线形光束以一定角度α入射到石英管的外壁上，该线性光束形成第一反射光束和折射光束，所述折射光束经所述石英管的内部反射并穿过所述石英管外壁形成第二反射光束，所述第一反射光束和第二反射光束相互平行；其中，0°＜α＜90°。

所述第一反射光束和第二反射光束经过所述扩束光学系统进行扩束处理后，入射到所述线阵CCD；

所述计算处理系统与所述线阵CCD连接，用于根据线阵CCD输出的光强信号，计算所述入射到所述线阵CCD上的所述第一反射光束和第二反射光束的距离，并根据该距离计算所述石英管的管壁厚度。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述石英管的管壁厚度通过如下公式计算：

$L=\mathrm{BC}\×\mathrm{\β}/\{2\×\tan [\arcsin (\frac{1}{n}\×\sin \mathrm{\α})]\×\cos \mathrm{\α}\};$

其中，L为石英管的管壁厚度，BC为所述第一反射光束和第二反射光束的距离在经过所述扩束光学系统前的间距，β为所述扩束光学系统的放大系数，n为所述石英管的折射率。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于还包括伺服控制系统，用于控制所述石英管绕其轴线进行回转运动，并使所述激光发射系统和所述CCD测量系统沿所述石英管的轴线方向移动。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述伺服控制系统包括：

交流伺服电机，用于驱动所述驱动CCD测量系统和所述激光发射系统沿所述石英管的轴线方向移动；

步进电机，用于驱动被测石英管绕其轴线进行回转运动；

电机控制模块，与所述交流伺服电机和所述步进电机连接，用于控制所述轴线方向移动和所述回转运动的速度、方向及位移量。

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