CN1026153C - 一种测量物体直径的方法及其设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测量物体直径的方法及其设备。这种方法是在同一光路中用扫描激光束分别垂直扫过被测物体和标准挡光件，以获取二个光信号，二个光信号经放大、半峰检波、波形处理后分离，分别经A/D变换后由计算机进行相除运算后乘以预置常数即可取得测量数据。本发明公开的专用设备较之现有的测量设备是在光路中安置了一个以获取标准信号的标准挡光件，以及在电路系统中新加入了计算机数据处理设备以补偿环境变化和系统设备所造成的误差。所以采用本发明可大大提高测量精度、降低设备成本、提高产品质量，是管材、线材生产的新方法、新设备。
Description
本发明涉及一种测量物体直径的方法及其设备，它特别适用于应用激光技术来测量线材、管材直径的方法及其设备。
众所周知，应用激光技术测量线材、管材直径的方法及其设备已在工业生产中应用。其中之一就是被称之为“扫描型激光测径”的方法及设备。这种仪器设备的工作原理（测量方法）如图1所示。它是将激光束照射到电机带动的旋转镜上使激光束以匀角速度运动，当激光束通过线性扫描透镜[F（θ）透镜]，扫描激光线即由匀角速度变为匀线速度。其后光线再通过积分透镜会聚于光电探测器上。这时，在两透镜之间如置入一线材、管材或其他物体的被测件，那么在光电探测器的输出端就可得到如图2所示的时间波形。其中△t2为被测件的挡光时间。设激光扫描速度为V，则被测件直径D＝K·V·△t2（式中K为比例常数）。所以只要通过信号处理电路测得挡光时间△t2的宽度，再经校正，即可在终端设备上打印或显示出被测件的直径。电子科技大学1987年研制生产的LMD-I型激光测径仪就是采用此种方法测量线材直径的专用设备。但是，应用此种方法测量线材直径对测量设备要求甚高，测量设备中电机的抖晃、电路元器件温度的漂移都能对测试精度产生较大的不利影响。所以在季节及气候变化时，测量读数都有变化，需要经常调整。而且，应用此方法的测量设备开机后稳定时间较长，从而影响了在线操作。另外，目前国内外还有其他一些类型的测量方法及专用设备。如同步电机扫描方式、音叉扫描方式（如日本安立电气株式会社的M502A、M502B、M502C型激光测径仪）。这些方法均存在着其专用设备复杂、昂贵，然而仍然无法根本克服由于电机抖晃及电路元器件的温度漂移而影响测量精度的弊病。
本发明的任务在于针对上述现有技术上的缺点，提出一种新的测量方法和与之配套的专用设备，克服电机抖晃及电路元器件温度漂移给测量精度带来的不利影响。从而在保证测量精度的前提下降低测量设备的费用。为工业性生产提供一种性能价格比高的在线测试设备。
本发明的技术要点在于采用了一种独特、简易的光电自动补偿方法，补偿电机转速不稳、抖晃及信号处理电路中的元器件参数受温度变化而不稳定给测量精度所造成的影响。
我们知道，现有的激光扫描类型的测径仪的测量方法只获取被测件的挡光时间△t2-测量信号，然后经校正变换成被测件的直径。所以，由于电机转速不稳、抖晃以及在信号处理电路中，元器件的性能变化都会对△t2产生影响，从而影响测量的精确性。针对这一主要矛盾，本发明除了获取测量信号之外，还同时测得另一标准挡光物的挡光时间△t1-即标准信号，标准信号及测量信号处在同一光路中，二种信号经放大和波形处理后分离，各自经A/D转换为数字信号后同时进入计算
机，在计算机中实现△t2/△t1的运算。假若电机转速不稳、转速突然变化为原来的几倍，由于标准信号和测量信号同时受其影响，那么这种对电机转速波动的影响视为几乎是相同的。即标准信号变为n△t2，测量信号变为n△t1，然而他们相除的结果不变，即： (n·△t2)/(n·△t1) = (△t2)/(△t2) 。只要用一预置的常数乘以 (△t2)/(△t1) 其积的显示值就能正确地表示被测件直径的真实值。如果此值采用多次采集信号的平均值。则可以得到更好的效果。同样，由于标准信号及测量是在同一光路，也经过同一光电探测器、放大器，所以电路元器件对△t1、△t2二个信号的影响也被认为是相同的，所以经过相除运算后，电路元器件由于温漂所产生的参量不一致等对测量结果的影响也能被消除。当然，为了获得最好的补偿效果，标准挡光物在纵向应尽量与被测件处于同一平面，而在横向也应与被测件靠近，但必须有一间隔距离，以便使△t1与△t2之间有一小的时间间隔。
实现上述测量方法的测量设备包括有：激光光源;使激光束产生匀角速运动的电机及电机带动的旋转镜;使激光束从匀角运动转变为匀线运动的F（θ）透镜;产生标准信号的标准挡光物;聚积包括有标准信号与被测信号激光束的积分透镜和光电探测器;放大电路;半峰检波电路;波形处理电路;（标准信号与被测信号经上述电路分离）将标准信号和被测信号分别转化为数字信号的A/D变换器;完成数据处理-自动补偿功能的计算机以及终端设备。
本发明的积极效果是十分明显的。首先本发明很好地解决了电机抖晃、电路元器件温漂对测量结果的影响。例如，应用现有的扫描型激光测径仪，如果扫描电机本身的参量抖动率为0.3%，在测量9mm直径的线材时，测量的不准确性仅由电机造成的影响的就有27μm，而采用本发明，包括有电机抖晃、电路元器件温漂及F（θ）透镜的非线性所造成的不准确性只有2μm。其次，采用本发明，使得对测量仪器元器件的质量要求大大降低。所以本发明的专用设备具有很高的性能价格比。目前进口的测径仪价格为2-4万美元一台，而本发明专用设备的价格仅为其十分之一。并且也低于国内生产的技术指标及性能均较差的其它同类产品。经有关部门试用证明，本发明的专用设备是高精度、高稳定度、大动态范围、高性价格比的测量设备，下面给出与国内外相应产品的对比表：（表见文后）
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
图1为现有的扫描型激光测径仪的工作原理图
图1A为在光电探测器输出端的波形图
图2为本发明的方法及涉及的专用设备的工作原理图
图2A为在光电探测器输出端的波形图
图2B为在波形处理电路输出端的波形图
图1中，1为激光光源-HeNe激光器、2为电机、3为安置于电机上的旋转反射镜、4为F（θ）透镜、5为被测件、6为积分透镜、7为光电探测器、8为放大电路、9为半峰检波电路、10为波形的模拟处理电路、11为A/D变换器、12为数字终端设备。波形图是在光电探测器输出端得到的。其中△t2为被测信号，它是被测物的挡光时间宽度。△t2经放大、半峰检波、模拟波形处理、A/D变换后即可在终端显示或打印出被测件直径的数据。
图2中，1为激光光源（这里也用HeNe激光器）、2为电机、3为安置于电机上的旋转反射镜、4为F（θ）透镜、5为被测件、6为积分透镜、7为光电探测器、8为放大电路、9为半峰检波电路、10为波形处理电路、11为A/D变换器、12为终端设备（这里采用显示设备）、13为置于光路中的标准挡光件、14为微机数据处理系统。图2A和图2B中，△t1为标准信号，它是标准挡光件的挡光时间宽度，△t2为被测信号，它是被测件的挡光时间宽度。测量步骤如下：激光光源的激光束照射到由电机带动的旋转镜上，使光束以匀速度运动，匀角速运动的激光束经F（θ）透镜后扫描光束由匀角速运动变为匀线速度，扫描光束分别垂直扫过被测物与标准挡光件后会聚于光电探测器上，那么在光电探测器上即可得到图1A所示的波形。其中△t1为标准信号、△t2为被测信号，二种信号经放大、波形处理后分离，各自经A/D变换为数字信号，经计算机实现△t1/△t2，运算后乘以一适当常数，即可在终端设备上显示出被测件直径的准确数据。为使测量数据更准确，在计算机数据处理时，本发明采用了采集信号的多次平均运算。
表
时间 国家 型号 测量范围 读数分辨率 不确定度
1986 日本 LSM-1610型 0.4～60mm 0.001mm ±3μm
1985 瑞士 2umbach 0.3～90mm ±0.02mm
1985 瑞士 2umbach 0.3～5.999mm ±0.002mm
80年代 国内 0.2～3mm 0.01mm ±0.01～±0.05mm
1987 电子科大 LMD-I 0.4～5.999mm 0.001mm ±0.004mm
电子科大 本发明 0.05～9.999mm 0.001mm ±0.002mm
10～30mm 0.01mm ±0.01mm
Claims (3)
1、一种测量物体直径的方法，其中激光光源发出的光束照射到匀角速运动的旋转镜上，使光束匀角速运动，该光束经F(θ)透镜后由匀角速运动变为匀线速运动，匀线速运动的光束垂直扫过被测物后经会聚在光电探测器上得到被测物体的挡光时间△t2，其特征在于：激光束还垂直扫过在F(θ)透镜和会聚用的积分透镜之间的标准挡光件，经会聚后在光电探测器上得到另一挡光时间△t1，由后续电路进行△t2/△t1运算后乘以预置校正常数，即得到物体直径测量值；标准挡光件与被测物在垂直光束方向上有一小间距。
2、根据权利要求1所述的测量物体直径的方法，其特征在于实现相除运算的△t2及△t1分别是多次采集信号的平均值。
3、一种为使用权利要求1方法而专门设计的测量设备，它包括激光器、使激光束转变为匀角速运动的旋转镜、带动旋转镜的电机、使激光束从匀角速运动转换为匀线运动垂直扫描的F（θ）透镜、将扫描激光束集于光电探测器的积分透镜、将积分透镜的光信号转变成电信号的光电探测器以及放大电路、半峰检波电路，A/D变换及终端显示设备，其特征在于：在F（θ）透镜与积分透镜之间安置有一标准挡光件，标准挡光件和待测物均被激光束垂直扫过，标准挡光件与被测物在垂直于激光光束的方向有一小间距;在A/D变换器与终端显示设备之间有一进行数据处理及测量误差补偿的计算机数据处理设备。
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