CN103673906B - 激光扫描测径仪以及测量工件外径的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光扫描测径仪和测量工件外径的方法，尤其适合测量大口径工件。激光扫描测径仪包括激光传感器和数据处理电路，激光传感器包括：第一激光器和第二激光器，分别发射激光束照射到多面体转镜上形成第一扫描扇和第二扫描扇；第一反射镜和第二反射镜，将第一扫描扇和第二扫描扇反射至第一平凸透镜和第二平凸透镜；第一平凸透镜和第二平凸透镜，将第一扫描扇和第二扫描扇分别变换为第一扫描带和第二扫描带；第一双凸透镜和第二双凸透镜聚焦扫描了工件之后的第一扫描带和第二扫描带；两个光电接收器，分别接收经双凸透镜聚焦的第一光信号和第二光信号，转换为第一电信号和第二电信号；数据处理电路，计算并输出对工件的外径测量结果。

Description

激光扫描测径仪以及测量工件外径的方法

技术领域

本发明涉及一种工业在线测量仪器，尤其涉及一种激光扫描测径仪以及一种测量工件外径的方法。

背景技术

现有技术的激光扫描测量技术的原理图如图1A所示，其关键的光学部件——扫描透镜一般采用平场扫描透镜，即f-theta透镜102。测量的原理如下：激光器101发出的光束照射到由匀速同步电机带动多面转镜109上，经反射旋转形成扫描扇110，扫描扇110通过f-theta透镜102变换为扫描带111。工件103放置在扫描带111中，被部分遮挡的扫描带111经过双凸透镜聚焦到光电接收器115上，形成了对应于扫描带111照射和被遮挡所产生的高低电平信号，如图2所示。由于带动转镜旋转的电机是匀速转动的，因此扫描扇110是由激光束以多面转镜入射点为中心进行等角速度旋转所产生的。f-theta透镜将扫描带111变换为自上而下匀速水平扫描的扫描带111。如果知道扫描带111的扫描速度并且测量出工件遮挡时间，两者相乘便可以知道工件103的外径。

算法如下：将图1A中的扫描带111中的激光束仅保留上下边界和通过工件103上下边缘的四条，如图1B所示。

理想的f-theta的成像公式如下：

y＝f′*θ，其中f′为一由f-theta透镜自身光学参数决定的常数，

从光电接收器得到扫描带111被工件103遮挡的时间Td，通过下式便可以计算出θ的大小。

其中为转镜109匀速旋转的角速度，

将θ代入前一个的公式便可算出工件103的外径y。所以决定f-theta透镜测量效果的两个参数为f′和如果这两个参数都是恒定的话就可以精确测量出工件的外径。但实际的f-theta透镜存在着f-theta畸变，f′是个与θ相关的函数，即f′为函数f′(θ)。表达式反映了这个畸变的相对大小，图3反映出这个畸变。它的横坐标以百分数为单位，可以看到一般的f-theta的畸变最大为2‰左右。因而产生的测量误差也会达到2‰。再一个就是必须恒定，这也对电机转速的稳定性要求比较高。

所以传统激光扫描测径仪主要缺陷概括为：

1、由于大口径f-theta透镜制作成本很高，因此用于测量具有大口径（100mm以上）的工件时，采用大口径f-theta透镜的测量仪器价格相对昂贵。

2、theta镜头采用三片以上的球面或非球面组成，设计和制作成本高，f-theta畸变很难控制到1‰以下，因此测量的误差很难控制在1‰以下。

3、根据上述工件外径y的计算公式可知，对工件外径y的计算依赖于电机的转速为恒定值，因此这种采用f-theta透镜测量方法对电机的稳定性要求很高。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种成本较低的激光扫描测径仪。

为了实现上述目的，本发明提供了一种激光扫描测径仪，包括激光传感器和数据处理电路，所述激光传感器包括发射端的：第一激光器101A和第二激光器101B，分别位于多面体转镜109的两侧，所述第一激光器和所述第二激光器所发射的激光束分别照射到所述多面体转镜上并由于所述多面体转镜的转动而分别形成第一扫描扇110A和第二扫描扇110B；第一反射镜107A和第二反射镜107B，分别将所述第一扫描扇和所述第二扫描扇反射至第一平凸透镜106A和第二平凸透镜106B的平面侧；所述第一平凸透镜和所述第二平凸透镜，其平面侧分别接收所述第一扫描扇和所述第二扫描扇并分别变换为第一扫描带111A和第二扫描带111B，其中所述第一扫描带和所述第二扫描带分布在工件108的待测量外径的相对侧，所述第一扫描带是随所述多面体转镜的转动沿垂直于所述工件的长度方向平行地扫描而形成的，并且所述第二扫描带是随所述多面体转镜的转动沿垂直于所述工件的长度方向平行地扫描而形成的；第一双凸透镜104A和第二双凸透镜104B，分别聚焦扫描了所述工件之后的所述第一扫描带和所述第二扫描带；和接收端的两个光电接收器105A、105B，分别接收经所述双凸透镜聚焦的对应所述第一扫描带的第一光信号和对应所述第二扫描带的第二光信号，并分别将所述第一光信号和所述第二光信号转换为第一电信号和第二电信号；所述数据处理电路，用于根据所述第一电信号和所述第二电信号计算并输出对所述工件的外径测量结果。

进一步地，所述数据处理电路包括：计数器201，与所述光电接收器105A、105B相连，分别对第一电信号和第二电信号的整数个周期的高、低电平进行计数；计算模块202，用于根据所述计数器输出的计数结果和所述平凸透镜的光学参数来计算所述工件的外径；以及接口电路203，用于输出计算得到的所述工件的外径的数值。

进一步地，所述计算模块包括：计数值读取模块，用于读取所述计数器对所述第一电信号的整数个周期的高、低电平进行计数的第一高电平计数值SB₁、第一低电平计数值SD₁以及对所述第二电信号的整数个周期的高、低电平进行计数的第二高电平计数值SB₂、第二低电平计数值SD₂；第一中心角计算模块，根据公式：计算所述第一扫描带中未被所述工件遮挡的部分所对应的所述第一扫描扇的部分的外侧边缘的延伸线相交而形成的第一中心角θ₁x，其中N为所述多面体转镜的反射面的数量；第二中心角计算模块，根据公式：计算所述第二扫描带中未被所述工件遮挡的部分所对应的所述第二扫描扇的部分的外侧边缘的延伸线相交而形成的第二中心角θ₂x，其中N为所述多面体转镜的反射面的数量；第一距离计算模块，由所述第一平凸透镜的光学参数所确定的所述第一中心角与所述第一扫描带中未被所述工件遮挡的部分的第一距离之间的函数关系得到所述第一距离y₁x；第二距离计算模块，由所述第二平凸透镜的光学参数所确定的所述第二中心角与所述第二扫描带中未被所述工件遮挡的部分的第一距离之间的函数关系得到所述第二距离y₂x；以及外径计算模块，根据公式：Φx＝S-y₁x-y₂x来计算所述工件的外径Φx，其中S为预先存储的所述第一扫描带的外侧边缘与所述第二扫描扇带的外侧边缘之间的总距离。

本发明还提供了一种激光扫描测径仪，包括激光传感器和数据处理电路，所述激光传感器包括发射端的：第一多面体转镜和第二多面体转镜；第一激光器，位于所述第一多面体转镜侧，所述第一激光器所发射的激光束照射到所述第一多面体转镜上并由于所述第一多面体转镜的转动而形成第一扫描扇；第二激光器，位于所述第二多面体转镜侧，所述第二激光器所发射的激光束照射到所述第二多面体转镜上并由于所述第二多面体转镜的转动而形成第二扫描扇；第一平凸透镜和第二平凸透镜，其平面侧分别接收所述第一扫描扇和所述第二扫描扇并分别变换为第一扫描带和第二扫描带，其中所述第一扫描带和所述第二扫描带分布工件的待测量外径的相对侧，所述第一扫描带是随所述第一多面体转镜的转动沿垂直于所述工件的长度方向平行地扫描而形成的，并且所述第二扫描带是随所述第二多面体转镜的转动沿垂直于所述工件的长度方向平行地扫描而形成的；第一双凸透镜和第二双凸透镜，分别聚焦扫描了所述工件之后的所述第一扫描带和所述第二扫描带；和接收端的两个光电接收器，分别接收经所述双凸透镜聚焦的对应所述第一扫描带的第一光信号和对应所述第二扫描带的第二光信号，并分别将所述第一光信号和所述第二光信号转换为第一电信号和第二电信号；所述数据处理电路，用于根据所述第一电信号和所述第二电信号计算并输出对所述工件的外径测量结果。

本发明的另一个目的是提供一种利用激光测量工件的外径的方法。

本发明还提供了一种测量工件的外径的方法，包括：步骤1：产生第一激光束经过第一透镜后沿垂直于所述工件的长度方向并平行地扫描形成第一扫描带，所述第一扫描带部分被所述工件遮挡；产生第二激光束经过第二透镜后沿垂直于所述工件的长度方向并平行地扫描形成第二扫描带，所述第二扫描带部分也被所述工件遮挡；步骤2：分别聚焦经过所述工件遮挡之后的所述第一扫描带和所述第二扫描带；步骤3：接收对应所述第一扫描带的第一光信号和对应所述第二扫描带的第二光信号，并分别将所述第一光信号和所述第二光信号转换为第一电信号和第二电信号；以及步骤4：根据所述第一电信号和所述第二电信号计算并输出对所述工件的外径测量结果。

进一步地，所述步骤4包括：步骤41：分别对第一电信号和第二电信号的整数个周期的高、低电平进行计数；步骤42：根据所述计数结果以及所述第一透镜、所述第二透镜的光学参数来计算所述工件的外径；以及步骤43：输出计算得到的所述工件的外径数值。

进一步地，所述步骤42包括：步骤420：读取所述计数器对所述第一电信号的整数个周期的高、低电平进行计数的第一高电平计数值SB₁、第一低电平计数值SD₁以及对所述第二电信号的整数个周期的高、低电平进行计数的第二高电平计数值SB₂、第二低电平计数值SD₂；步骤421：根据公式：计算所述第一扫描带中未被所述工件遮挡的部分所对应所述第一透镜的入射部分的外侧边缘的延伸线相交而形成的第一中心角θ₁x，其中N为所述多面体转镜的反射面的数量；步骤422：根据公式：计算所述第二扫描带中未被所述工件遮挡的部分所对应所述第二透镜的入射部分的外侧边缘的延伸线相交而形成的第二中心角θ₂x，其中N为所述多面体转镜的反射面的数量；步骤423：由所述第一透镜的光学参数所确定的所述第一中心角与所述第一扫描带中未被所述工件遮挡的部分的第一距离之间的函数关系得到所述第一距离y₁x；步骤424：由所述第二透镜的光学参数所确定的所述第二中心角与所述第二扫描带中未被所述工件遮挡的部分的第一距离之间的函数关系得到所述第二距离y₂x；以及步骤425：根据公式：Φx＝S-y₁x-y₂x计算所述工件的外径，其中S为预先存储的所述第一扫描带的外侧边缘与所述第二扫描带的外侧边缘之间的总距离。

本发明的有益效果为：由于不需要使用造价高昂的大口径f-theta透镜，因此大幅降低了激光扫描测径仪的成本；并且，由于所采用的光学透镜没有类似f-theta透镜所固有的f-theta畸变，因此，有利于提高测量的精度。

附图说明

图1A是现有技术中利用f-theta透镜的激光扫描测径仪的结构示意图；

图1B是现有技术中利用f-theta透镜的激光扫描测径仪的原理示意图；

图2是表示f-theta透镜的畸变的图；

图3是现有技术中利用f-theta透镜的激光扫描测径仪中的光电接收器输出的波形图；

图4是本发明一个实施例的激光扫描测径仪的结构示意图；

图5是本发明另一个实施例的激光扫描测径仪的结构示意图；

图6是本发明实施例的激光扫描测径仪中的数据处理电路的结构示意图；

图7是本发明实施例的激光扫描测径仪中的光电接收器输出的波形图；

图8是本发明实施例的激光扫描测径仪中的平凸透镜的光学参数示意图；

图9是本发明实施例的激光扫描测径仪中的数据处理电路的一种硬件结构图。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明，下面参照附图对本发明的实施例进行详细说明。

图4是本发明一个实施例的激光扫描测径仪的结构示意图。本实施例的激光扫描测径仪，包括激光传感器和数据处理电路，激光传感器包括发射端的：第一激光器101A和第二激光器101B，分别位于多面体转镜109的两侧，第一激光器和第二激光器所发射的激光束分别照射到多面体转镜上并由于多面体转镜的转动而分别形成第一扫描扇110A和第二扫描扇110B；第一反射镜107A和第二反射镜107B，分别将第一扫描扇和第二扫描扇反射至第一平凸透镜106A和第二平凸透镜106B的平面侧；第一平凸透镜和第二平凸透镜，其平面侧分别接收第一扫描扇和第二扫描扇并分别变换为第一扫描带111A和第二扫描带111B，其中第一扫描带和第二扫描带分布在工件108的待测量外径的相对侧，第一扫描带是随多面体转镜的转动沿垂直于工件的长度方向平行地扫描而形成的，并且第二扫描带是随多面体转镜的转动沿垂直于工件的长度方向平行地扫描而形成的；第一双凸透镜104A和第二双凸透镜104B，分别聚焦扫描了工件之后的第一扫描带和第二扫描带；和接收端的两个光电接收器105A、105B，分别接收经双凸透镜聚焦的对应第一扫描带的第一光信号和对应第二扫描带的第二光信号，并分别将第一光信号和第二光信号转换为第一电信号和第二电信号；数据处理电路，用于根据第一电信号和第二电信号计算并输出对工件的外径测量结果。

应当理解的是，扫描扇并不表示同时具有多个激光束组成的扇面，而是由于转镜的转动而形成的，换句话说，它是按照时间顺序产生的位于不同位置的激光束而形成的扇面，即在一个时间点上，只产生了一条激光束。同样地，扫描带也不表示同时具有多个激光束组成的激光带，在一个时间点上，也只有一条激光束对工件进行扫描。

在一个特定实施例中，激光传感器包括，安置在二维可调的调整架上的激光器，传感器的光源采用半导体激光器，上下激光器发出经过准直的激光束照射到直流无刷电机带动旋转的8面金属转镜上，转镜反射的扫描扇经由上下反射镜和上下平凸透镜变换为上下扫描带，被工件遮挡的上下扫描带经过上下双凸透镜聚焦在光电接收器转产生电平信号，由数据处理电路进行处理。

由于不需要使用造价高昂的大口径f-theta透镜，因此大幅降低了激光扫描测径仪的成本；并且，由于所采用的光学透镜没有类似f-theta透镜所固有的f-theta畸变，因此，有利于提高测量的精度。

特别地，第一平凸透镜的第一光轴与第一双凸透镜的光轴平行；第二平凸透镜的第二光轴与第二双凸透镜的光轴平行；并且，第一光轴与第二光轴平行。

当平凸透镜的光轴与相应双凸透镜的光轴平行时，能够保证经过该双凸透镜的光能够很好地聚焦在焦点处，更优选地，第一光轴与第二光轴平行，保证了第一扫描带与第二扫描带平行，从而被第一扫描带与第二扫描带之间的工件并不需要固定在某一特定位置（例如平凸透镜与双凸透镜的中间位置）而被测量。尤其是，当在线测量管状工件等时，由于其并非牢固地固定在生产线上，因此，即使由于其形状的原因而发生些许滚动，也不会影响到测量的精度。

进一步地，第一光轴经第一反射镜所成的镜像与转镜的第一交点和第一激光器所发射的激光束在转镜上的第一入射点重合；第二光轴经第二反射镜所成的镜像与转镜的第二交点和第二激光器所发射的激光束在转镜上的第二入射点重合。

按照这种设置，可以保证，经反射镜反射、并经平凸透镜折射后得到的扫描带能够实现与平凸透镜的光轴平行，从而更好地利用了平凸透镜的光学特性，保证测径仪测量的精确性。在该设置的基础上，光电接收器105A、105B分别被布置在第一双凸透镜和第二双凸透镜的焦点处。这是由于，扫描带与平凸透镜的光轴平行，也与双凸透镜平行，因此通过双凸透镜折射后的光聚焦在焦点上，此时只需要将光电接收器设置在双凸透镜焦点处即可完备地接收光信号。由于固定光电接收器的位置，因此给该测径仪的应用带来方便。值得说明的是，光电接收器的位置显然也可以与双凸透镜焦点有一定偏离，只是，需要相应增加光电接收器的接收面积，在一定程度上可能导致增加光电接收器的成本。

通常，多面体转镜可以为4棱转镜（即4个反射面）、6棱转镜或8棱转镜，便于绕转镜对称设置本发明的激光扫描测径仪的激光器、反射镜等部件，当然，本发明实施例的多面体转镜也并不一定限于上述4棱、6棱或8棱转镜，显然也可以有其他类型的转镜，只需要根据具体的转镜来设置（或者调整）激光器、反射镜的位置即可。

图5是本发明另一个实施例的激光扫描测径仪的结构示意图。本实施例的激光扫描测径仪，包括激光传感器和数据处理电路，其特征在于：激光传感器包括发射端的：第一多面体转镜109A和第二多面体转镜109B；第一激光器101A，位于第一多面体转镜109A侧，第一激光器101A所发射的激光束照射到第一多面体转镜109A上并由于第一多面体转镜的转动而形成第一扫描扇（未示出）；第二激光器101B，位于第二多面体转镜109B侧，第二激光器101B所发射的激光束照射到第二多面体转镜109B上并由于第二多面体转镜109B的转动而形成第二扫描扇（未示出）；第一平凸透镜106A和第二平凸透镜106B，其平面侧分别接收第一扫描扇和第二扫描扇并分别变换为第一扫描带和第二扫描带（未示出），其中第一扫描带和第二扫描带分布工件108的待测量外径的相对侧，第一扫描带是随第一多面体转镜的转动沿垂直于工件的长度方向平行地扫描而形成的，并且第二扫描带是随第二多面体转镜的转动沿垂直于工件108的长度方向平行地扫描而形成的；第一双凸透镜104A和第二双凸透镜104B，分别聚焦扫描了工件之后的第一扫描带和第二扫描带；和接收端的两个光电接收器105A、105B，分别接收经双凸透镜104A、104B聚焦的对应第一扫描带的第一光信号和对应第二扫描带的第二光信号，并分别将第一光信号和第二光信号转换为第一电信号和第二电信号；数据处理电路，用于根据第一电信号和第二电信号计算并输出对工件的外径测量结果。

在该实施例中，由于对应每一个激光器分别使用了一个转镜，因此，该实施例中可以省略反射镜。

如图5所示，在上述各实施例中，数据处理电路可以包括：计数器201，其与光电接收器105A、105B相连（未示出），用于分别对第一电信号和第二电信号的整数个周期的高、低电平进行计数；计算模块202，用于根据计数器输出的计数结果和平凸透镜的光学参数来计算工件的外径；以及接口电路203，用于输出所计算的工件的外径。

由于电信号对应于光电接收器所接收的光信号，当激光（扫描带）扫描到工件上时（即，光被工件遮挡时），此时光电接收器无法接收到光信号，转换成的电信号就为低电平电信号；而当第一扫描带扫描到工件外时（即，光未被工件遮挡时），此时光电接收器无法接收到光信号，转换成的电信号就为高电平电信号，由此可知，电信号的高、低电平分别反映了扫描工件时的透光时间、未透光时间。此外，第一扫描带和第二扫描带扫描工件的方向可以是相同或相反的，如第一扫描带从上至下（从图5中看）外扫描，而第二扫描带从从下至上扫描，由于并不会影响扫描工件时的透光时间和未透光时间，因此不会影响最终的测量结果。

计算模块可以具体包括：计数值读取模块，用于读取计数器对第一电信号的整数个周期的高、低电平进行计数的第一高电平计数值SB₁、第一低电平计数值SD₁以及对第二电信号的整数个周期的高、低电平进行计数的第二高电平计数值SB₂、第二低电平计数值SD₂；第一中心角计算模块，根据公式：计算第一扫描带中未被工件遮挡的部分所对应的第一扫描扇的部分的外侧边缘的延伸线相交而形成的第一中心角θ₁x，其中N为多面体转镜的反射面的数量；第二中心角计算模块，根据公式：计算第二扫描带中未被工件遮挡的部分所对应的第二扫描扇的部分的外侧边缘的延伸线相交而形成的第二中心角θ₂x，其中N为多面体转镜的反射面的数量；第一距离计算模块，由第一平凸透镜的光学参数所确定的第一中心角与第一扫描带中未被工件遮挡的部分的第一距离之间的函数关系得到第一距离y₁x；第二距离计算模块，由第二平凸透镜的光学参数所确定的第二中心角与第二扫描带中未被工件遮挡的部分的第一距离之间的函数关系得到第二距离y₂x；以及外径计算模块，根据公式：Φx＝S-y₁x-y₂x来计算工件的外径Φx，其中S为预先存储的第一扫描带的外侧边缘与第二扫描扇带的外侧边缘之间的总距离。图5中标示出了第一中心角θ₁x、第一距离y₁x、第二中心角θ₂x、第二距离y₂x、总距离S以及外径Φx。

具体地，计算模块可以由DSP电路实现，DSP电路控制计数器的输出；接口电路将DSP电路所输出的TTL电平数字信号转换为工业总线信号，并将其输出至远端显示器。

下面详细描述获得总距离S的过程。将外径为Φs的工件（Φs已知）放入测量范围内，通过两个光电接收器输出两路电信号，该信号为高低电平交替出现的波形图，波形图见图7；然后利用计数器对两路波形的高低电平分别计数；然后，计算出两个扫描扇110A和110B的中心角θ1和θ2；参见图8，将平凸透镜的参数（曲率r1、折射率e1、中心厚Te1、焦距L）、中心角θ的顶点到平凸透镜的平面侧的距离fb以及激光的波长λ输入到光学软件（例如本领域公知的zemax软件）中，可计算得到θ和y对应关系，将包含有θ和y对应关系的表格存放在DSP电路中，DSP程序完成输入θ1查找y1以及输入θ2查找y2的工作，如下表所示。

角度θ	高度y
		0.000	0.0000
0.001	0.0040
		0.002	0.0080
0.003	0.0121
		0.004	0.0161
0.005	0.0201
		……	……

然后利用下式得到总得扫描区域的长度S，作为一个标准值存储起来。

S＝y1+Φs+y2

对于未知外径的工件，设其外径为Φx，先得到θ1x和θ2x然后查上述表格得到y₁x和y₂x，利用下式便可以得到工件的外径Φx。

Φx＝S-y₁x-y₂x

下面将描述实施例中的数据处理电路的一种硬件配置方案。计数器电路U10型号为XC95144的，芯片内配置了四个16位计数器，对从管脚INPA和INPB输入的方波信号的高低电平分别进行计数。计数结果通过D00到D15输出，通过SEL0、SEL1以及SET管脚选择四个计数器中的一个输出。U10的CLR脚用来对计数器清零，每次读完一个计数器的数值便对该计数器进行清零。DSP电路U11型号为TMS320F206。它的INT2、IO0和U10的INPA相连；INT3、IO1和U10的INPB相连；D00到D15和U10的D00到D15相连；A00、A01分别与U10的SEL0、SEL1相连；IO3和U10的CLR相连。每当管脚INT2和INT3接收的信号高低电平发生变化，U11判断需要读取哪一路信号（上一路还是下一路）的哪一种电平（高电平还是低点平），再利用它的A00和A01输出选择读取U10的四个计数器中的一个。读取一组数据后，利用根据平凸透镜的光学参数编写的DSP程序计算出工件的外径，该数值通过U11内部的UART接口发送给工业接口电路。工业接口电路U12型号为MAX485，它的DI接U11的TX脚，DO接U11的RX脚，将TTL电平转换RS-485信号。

值得说明的是，在此仅仅是给出了一种具体的硬件配置方案，本领域技术人员显然可以根据各模块功能自行选择能够实现该功能的硬件，因此，所提供的具体的硬件配置不应当认为是对本发明实施例中的数据处理电路的一种限定。

本发明实施例的激光扫描测径仪具有以下特点：

1、采用双光路结构，用平凸透镜代替f-theta透镜，尤其是替代价格昂贵的大口径f-theta透镜，降低仪器的成本，减小了仪器的体积。

2、克服了f-theta透镜所固有的畸变，保证了测量精度。

3、由于转镜在转过一个面的角度内它的速度可以认为是恒定的，因而可以由公式计算得到中心角θ，可以看出θ与电机速度的绝对大小没有关系，因此对电机速度稳定性要求不是很高，降低了对电机的要求。

此外，值得说明的是，在待测工件的外径较小，即，不足以被第一扫描带和第二扫描带扫描到时，可以将工件放置在任意一个扫描带所覆盖的区域中，即类似于传统方法，仅使用单光路结构，也可以测得工件的外径。因此，本发明实施例的激光扫描测径仪的适用范围非常广泛。

由此可见，本发明实施例的激光扫描测径仪，由于不使用f-theta透镜并且采用双光路结构，经测试，测量的工件的外径范围可达30～160mm。测量的分辨率为0.01mm，整个测量区域的线性度可以达到±0.03mm。因此，使用本发明实施例的激光扫描测径仪既降低了成本，还提高了精度，又扩大了测量区域。

本发明实施例还提供了一种测量工件外径的方法，包括：步骤1：产生第一激光束经过第一透镜后垂直于所述工件的长度方向并平行地扫描形成第一扫描带，所述第一扫描带部分被所述工件遮挡；；产生第二激光束经过第二透镜后垂直于所述工件的长度方向并平行地扫描形成第二扫描带，所述第二扫描带部分也被所述工件遮挡；步骤2：分别聚焦经过工件遮挡之后的第一扫描带和第二扫描带；步骤3：接收对应第一扫描带的第一光信号和对应第二扫描带的第二光信号，并分别将第一光信号和第二光信号转换为第一电信号和第二电信号；以及步骤4：根据第一电信号和第二电信号计算并输出对工件的外径测量结果。

进一步地，步骤4可以包括：步骤41：分别对第一电信号和第二电信号的整数个周期的高、低电平进行计数；步骤42：根据计数结果以及第一透镜、第二透镜的光学参数来计算工件的外径；以及步骤43：输出计算得到的工件的外径数值。

更进一步地，步骤42可以包括：步骤420：读取计数器对第一电信号的整数个周期的高、低电平进行计数的第一高电平计数值SB₁、第一低电平计数值SD₁以及对第二电信号的整数个周期的高、低电平进行计数的第二高电平计数值SB₂、第二低电平计数值SD₂；步骤421：根据公式：计算第一扫描带中未被工件遮挡的部分所对应第一透镜的入射部分的外侧边缘的延伸线相交而形成的第一中心角θ₁x，其中N为多面体转镜的反射面的数量；步骤422：根据公式：计算第二扫描带中未被工件遮挡的部分所对应第二透镜的入射部分的外侧边缘的延伸线相交而形成的第二中心角θ₂x，其中N为多面体转镜的反射面的数量；步骤423：由第一透镜的光学参数所确定的第一中心角与第一扫描带中未被工件遮挡的部分的第一距离之间的函数关系得到第一距离y₁x；步骤424：由第二透镜的光学参数所确定的第二中心角与第二扫描带中未被工件遮挡的部分的第一距离之间的函数关系得到第二距离y₂x；以及步骤425：根据公式：Φx＝S-y₁x-y₂x计算工件的外径，其中S为预先存储的第一扫描带的外侧边缘与第二扫描带的外侧边缘之间的总距离。

优选地，步骤1可以包括：将第一激光束和第二激光束分别照射到多面体转镜上并由于多面体转镜的转动而分别形成第一扫描扇和第二扫描扇；将第一扫描扇和第二扫描扇反射至第一透镜和第二透镜；以及利用第一透镜将第一扫描扇变换为分布在工件的待测量外径的一侧、随多面体转镜的转动沿垂直于工件的长度方向平行地扫描的第一扫描带；并且利用第二透镜将第二扫描扇变换为分布在工件的待测量外径的另一侧、随多面体转镜的转动沿垂直于工件的长度方向平行地扫描的第二扫描带。

作为对上述步骤1的方法的可选方案，步骤1可以包括：将第一激光束照射到第一多面体转镜上并由于第一多面体转镜的转动而形成第一扫描扇；将第二激光束照射到第二多面体转镜上并由于第二多面体转镜的转动而形成第二扫描扇；以及利用第一透镜将第一扫描扇变换为分布在工件的待测量外径的一侧、随多面体转镜的转动沿垂直于工件的长度方向平行地扫描的第一扫描带；并且利用第二透镜将第二扫描扇变换为分布在工件的待测量外径的另一侧、随多面体转镜的转动沿垂直于工件的长度方向平行地扫描的第二扫描带。

使用本发明实施例的测量工件外径的方法，能够以较高的精度实现对工件外径的测量。

本发明不局限于上述特定实施例，在不背离本发明精神及其实质情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应改变和变形，但这些相应改变和变形都应属于本发明所附权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种激光扫描测径仪，包括激光传感器和数据处理电路，其特征在于：

所述激光传感器包括发射端的：

第一激光器(101A)和第二激光器(101B)，分别位于多面体转镜(109)的两侧，所述第一激光器和所述第二激光器所发射的激光束分别照射到所述多面体转镜上并由于所述多面体转镜的转动而分别形成第一扫描扇(110A)和第二扫描扇(110B)；

第一反射镜(107A)和第二反射镜(107B)，分别将所述第一扫描扇和所述第二扫描扇反射至第一平凸透镜(106A)和第二平凸透镜(106B)的平面侧；

所述第一平凸透镜和所述第二平凸透镜，其平面侧分别接收所述第一扫描扇和所述第二扫描扇并分别变换为第一扫描带(111A)和第二扫描带(111B)，其中所述第一扫描带和所述第二扫描带分布在工件(108)的待测量外径的相对侧，所述第一扫描带是第一激光器所发射的激光束随所述多面体转镜的转动沿垂直于所述工件的长度方向平行地扫描而形成的，并且所述第二扫描带是第二激光器所发射的激光束随所述多面体转镜的转动沿垂直于所述工件的长度方向平行地扫描而形成的；

所述激光传感器还包括接收端的第一双凸透镜(104A)和第二双凸透镜(104B)，分别聚焦扫描了所述工件之后的所述第一扫描带和所述第二扫描带；

和两个光电接收器(105A、105B)，分别接收经所述第一双凸透镜和第二双凸透镜聚焦的与所述第一扫描带对应的第一光信号和与所述第二扫描带对应的第二光信号，并分别将所述第一光信号和所述第二光信号转换为第一电信号和第二电信号；

所述数据处理电路，根据所述第一电信号和所述第二电信号计算并输出所述工件的外径的测量结果，

其中，所述第一平凸透镜的第一光轴与所述第一双凸透镜的光轴平行；所述第二平凸透镜的第二光轴与所述第二双凸透镜的光轴平行；并且，所述第一光轴与所述第二光轴平行；

所述第一光轴经所述第一反射镜所成的镜像与所述转镜的第一交点和所述第一激光器所发射的激光束在所述转镜上的第一入射点重合；所述第二光轴经所述第二反射镜所成的镜像与所述转镜的第二交点和所述第二激光器所发射的激光束在所述转镜上的第二入射点重合。

2.如权利要求1所述的激光扫描测径仪，其特征在于，所述数据处理电路包括：

计数器(201)，与所述光电接收器(105A、105B)相连，分别对第一电信号和第二电信号的整数个周期的高、低电平进行计数；

计算模块(202)，用于根据所述计数器输出的计数结果和所述平凸透镜的光学参数来计算所述工件的外径；以及

接口电路(203)，用于输出计算得到的所述工件的外径的数值。

3.如权利要求2所述的激光扫描测径仪，其特征在于，所述计算模块包括：

计数值读取模块，用于读取所述计数器对所述第一电信号的整数个周期的高、低电平进行计数的第一高电平计数值SB₁、第一低电平计数值SD₁以及对所述第二电信号的整数个周期的高、低电平进行计数的第二高电平计数值SB₂、第二低电平计数值SD₂；

第一中心角计算模块，根据公式：计算所述第一扫描带中未被所述工件遮挡的部分所对应的所述第一扫描扇的部分的外侧边缘的延伸线相交而形成的第一中心角θ₁x，其中N为所述多面体转镜的反射面的数量；

第二中心角计算模块，根据公式：计算所述第二扫描带中未被所述工件遮挡的部分所对应的所述第二扫描扇的部分的外侧边缘的延伸线相交而形成的第二中心角θ₂x，其中N为所述多面体转镜的反射面的数量；

第一距离计算模块，通过查找所述第一平凸透镜的光学参数所确定的所述第一中心角与所述第一扫描带中未被所述工件遮挡的部分的第一距离之间的对应关系表格得到所述第一距离y₁x；

第二距离计算模块，通过查找所述第二平凸透镜的光学参数所确定的所述第二中心角与所述第二扫描带中未被所述工件遮挡的部分的第二距离之间的对应关系表格得到所述第二距离y₂x；以及

外径计算模块，根据公式：Φx＝S-y₁x-y₂x来计算所述工件的外径Φx，其中S为预先存储的所述第一扫描带的外侧边缘与所述第二扫描扇带的外侧边缘之间的总距离。

4.如权利要求1～3中任一项所述的激光扫描测径仪，其特征在于，所述光电接收器(105A、105B)分别被布置在所述第一双凸透镜和所述第二双凸透镜的焦点处。

5.一种利用如权利要求1所述的激光扫描测径仪来测量工件的外径的方法，其特征在于，包括：

步骤1：产生第一激光束经过第一透镜后垂直于所述工件的长度方向并平行地扫描形成第一扫描带，所述第一扫描带部分被所述工件遮挡；产生第二激光束经过第二透镜后垂直于所述工件的长度方向并平行地扫描形成第二扫描带，所述第二扫描带部分也被所述工件遮挡；

步骤2：分别聚焦经过所述工件遮挡之后的所述第一扫描带和所述第二扫描带；

步骤3：接收对应所述第一扫描带的第一光信号和对应所述第二扫描带的第二光信号，并分别将所述第一光信号和所述第二光信号转换为第一电信号和第二电信号；以及

步骤4：根据所述第一电信号和所述第二电信号计算并输出对所述工件的外径测量结果，

其中，所述步骤4包括：

步骤41：分别对第一电信号和第二电信号的整数个周期的高、低电平进行计数；

步骤42：根据所述计数结果以及所述第一透镜、所述第二透镜的光学参数来计算所述工件的外径；以及

步骤43：输出计算得到的所述工件的外径数值，

并且其中，所述步骤42包括：

步骤420：读取所述计数器对所述第一电信号的整数个周期的高、低电平进行计数的第一高电平计数值SB₁、第一低电平计数值SD₁以及对所述第二电信号的整数个周期的高、低电平进行计数的第二高电平计数值SB₂、第二低电平计数值SD₂；

步骤421：根据公式：计算所述第一扫描带中未被所述工件遮挡的部分所对应所述第一透镜的入射部分的外侧边缘的延伸线相交而形成的第一中心角θ₁x，其中N为所述多面体转镜的反射面的数量；

步骤422：根据公式：计算所述第二扫描带中未被所述工件遮挡的部分所对应所述第二透镜的入射部分的外侧边缘的延伸线相交而形成的第二中心角θ₂x，其中N为所述多面体转镜的反射面的数量；

步骤423：通过查找所述第一透镜的光学参数所确定的所述第一中心角与所述第一扫描带中未被所述工件遮挡的部分的第一距离之间的对应关系表格得到所述第一距离y₁x；

步骤424：通过查找所述第二透镜的光学参数所确定的所述第二中心角与所述第二扫描带中未被所述工件遮挡的部分的第二距离之间的对应关系表格得到所述第二距离y₂x；以及

步骤425：根据公式：Φx＝S-y₁x-y₂x计算所述工件的外径，其中S为预先存储的所述第一扫描带的外侧边缘与所述第二扫描带的外侧边缘之间的总距离。