CN1056930A - 激光微机在线长度测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光检测技术，特别涉及激光在线检 测技术，适用于金属、非金属在生产线上计量长度。 本发明利用激光的高相干性，在测量区形成干涉条 纹，累计运动体通过时产生的脉冲数及等间距条纹的 间隔，可以得到运动体通过测点的长度。采用本发 明，可以提高有关生产厂家的测量精度，提高产品的 质量，增加产量，节约原材料，有很高的经济价值，在 有关出口产品方面，可使其计量合格，为国家多创 汇。

Description

本发明涉及激光检测技术，特别涉及激光在线检测技术，属于非接触式测量技术，适用于金属、非金属在加工过程中（在生产线上）计量长度。

现有技术中美国专利US4，400，882为一种电缆测量装置，其基本方法是按一定的间距要求打标志（机械打标、色笔打标、激光打标等），由一对与打标间距相适应的接收探头，同时接收两标志，其中一个探头由512个二极管列阵组成，即在长度方向上有一定的长度，二个二极管之间间距固定，（约为0.6mm），这样两探头同时接收两标志点的距离可较准确的测出，同时反馈给打标机，控制打标机延时或缩短时间，使打标的间距能始终保持在两探头测量间距允许之内，主要解决地下电缆连接时的准确性，短了接不上，长了又浪费，问题是标志的尺寸不会太小，二极管也有一定的宽度，因而精度不可能很高，因为打标间距与速度变化关系很大，如果速度突然变大或变小，打标间距超出或不足两探头之允许间距，那就发生故障，打标对被测物表面有损害，打标要求径粗能打上标志，对细径不能测量，该专利是把打标的标志用透镜聚焦到二极管上，如果探头对电缆之间有振动，就聚焦不好，造成错误。

本发明的目的是，提供一种非接触式的高精度的自动在线测长方法和装置，并能防振，防尘和防干扰。

图1为倾角（侧向）直接接收的光路图，

图2为正后向接收的光路图。

图3为倾角接收或正后向接收简易发射型光路图，

图4为信号处理框图，

图5、图6是两光相交区相干示意图;

图7是图3中分束器（3）的两种型式，

图8是自控调节信号幅值的原理框图。

结合附图对本装置的构成及实施例介绍如下：

本发明由光机探头、信号处理器、数据处理器、显示器及打印记录器、控制输出器组成。

本发明的光机探头（见图1、2、3）主要包括：激光器1、激光电源2、光学分束器3、发射透镜4、接收透镜7，针孔光阑8、光电倍增管9和外壳，由激光器发出一束激光，经分束器分为两束相干光，经发射透镜聚焦于被测物表面，由于激光的高相干性，相交区体积内形成干涉片体，断面即为干涉条纹，其条纹强度是按照余弦变化，其条纹是等间距的，条纹宽度△X由下式决定：△X＝λ/（2sinθ/2）

式中λ为激光波长，由选择的激光器而定，θ角为两束光相交夹角，由分束距离和发射距离而定，即光学布置一定，条纹宽度△X就定。而被测运动物体的表面相当于无相对运动的许多粒子穿越干涉条纹，而发出散光脉冲N（即脉冲数），有一个脉冲数就相当于物体通过一个条纹宽度△X，因而由获得的脉冲数N，可计算出通过测点的长度S：

S＝△X·N＝N·λ/（2sinθ/2）

光机探头通过一套接收系统收集测点运动物体发出的散光脉冲，由接收透镜将散光会聚于针孔光阑上，通过针孔射入光电倍增管阴极接收表面，光电倍增管将信号放大，将光信号转换成电信号，输给信号处理器。信号处理器为锁相频率跟踪器，将进入的信号进行予处理（放大、滤波、限幅），并通过一锁相环路控制一内部振荡器，使其输出信号的相位锁定在输入信号相位上，从而达到输出信号频率跟踪输入信号频率。内部振荡器的输出信号是规则的连续信号（正弦波、对称方波）。通过F-D变换器将其频率输出转变为数字输出，送给数据处理器（计算机）进行数据处理，计算出长度、速度，再送给显示器实时显示，送给切割或打字控制器进行定长切割或打字控制，也可送给速度控制系统控制速度。还可由打印机打印一段时间内的测量结果。测量精度主要由信号脉冲数N决定，一般在0.6‰以上，精度相当高。

为了提高本装置工作的可靠性及测量精度，本发明还采取了如下措施：

1、防振动脱靶措施

在光学探头上采取如下措施：使两光相干区在被测物振动主向上的区域（长度）大于允许振动的范围，例如某物振动±20mm，设计的相干区在此振动方向上可为50mm左右，而此区域的尺寸主要由θ角决定。这样可使实际上被测物不脱靶;在接收上设计足够的接收景深，使被测物在其振动范围内的散光信号都能接收，使之接收不脱靶;还要采取更重要的措施是：应使接收成象的象斑尺寸大于空间滤光器的光阑（针孔光阑），设计变焦距接收系统，使这一比例可选，其范围为1∶2～1∶10，视振动大小选取，这样才使光电倍增管在其振动条件下不脱靶。

在信号处理器上采取如下措施：

1）自动跟踪技术，跟踪其速度变化;

2）信号幅值自动调节技术，散射光的强弱变化不影响信号幅值，采用自动调节光电倍增管高压（即自动调节信号幅值）达到此目的，维持信号幅值稳定，也就维持跟踪的稳定性。

自动调节信号幅值电路的设计也是本发明的一个重要特征。信号幅值由接收到的散射光幅值和光电倍增管的实际放大倍数决定。而接收到的散射光幅值在光学布置一定的条件下取决于散射光的强度和散射光的主向方位。由于运动着的被测物体的散射光主向是变化的，物体表面的光洁度，光亮度以及激光功率本身也是变化的等。即在线测量中实际接收到的信号幅值变化较大，会影响测量和数据的准确性。

本电路可在一定范围内维持信号幅值的稳定性，说明如下：（见图8）

首先设定较合适的光电流值（例如50μA），通过一套逻辑电路，将实际的光电流与设定的光电流值相比较，实时输出比较结果，去控制一直流电压，用此直流电压控制高压模块的输出电压，（如OV对应输出最高，4V对应输出最低）即控制了供给光电倍增管的高压，也即调节了光电倍增管的放大倍数。如果实际的光电流低于设定值，就降低直流控制电压，提高光电倍增管高压，提高实际的光电流，直到与设定值相等，反之也一样。需要指出的是：维持光电流的范围是有一定限制的，如外界散射光太强时，控制高压模块输出已达最低高压，光电流仍很大时，超限报警电路报警，立即切断高压，待调节后重新启动;如果接收的散射光太弱，高压已达最大值，光电流仍不满足信号处理器的要求时，要检查原因，待调节后再启动。

3）脱落保护技术，短时间的脱落可以不记录该数据，维持前边的数据。

4）自动搜捕信号技术，脱落超过一定时间就要重新捕获，捕获时间尽量短，并把从开始捕获到捕获闭环的时间准确计量，对数据进行补偿。

2、防尘措施

现场的粉尘烟气必须设法克服，光学探头采用密封箱体式，发射和接收透镜前设计一种气膜保护。如果光学通道也需洁净，设计一种气膜通道，而此措施对测量无任何坏作用。

3、防电磁场干扰措施

1）使信号频率很高，一般信号频率不低于10⁵Hz;

2）采用多次屏弊措施，如采用隔离变压器、屏蔽电缆，高频插头插座，机柜屏蔽、机箱屏蔽、插件屏蔽等。

采取上述措施，以确保在线测量的可靠和精确。

实施例1：

图1、图2、图3是三种光路型式。

图1和图2的发射均为由激光器发出的激光由集成分束器（3）将激光分为两束平行光，经发射透镜（4）聚焦于测点（5），其接收部分为：图1是倾角（侧向）直接接收（经接收透镜（7），针孔光阑（8）进入光电倍增管（9）;图2是正后向接收（经两片反射镜（6）、接收透镜（7）、针孔光阑（8）进入光电倍增管（9））。图1型式适用于远距离测量，图2型式光路稳定，被测物振动时，针孔不脱靶，适用于近距离测量。

图3的接收部分与图1或图2的接收部分同，其发射部分为简易型，激光通过一组分束器（3）（如图7两种型式）直接交于测点，不用集成分束器和发射透镜，适用于光机探头振动较轻的场合测量。

图中：

（1）是激光器：为He～Ne，TEMOO模;

（2）是激光器电源：为无变压器模块电源;

（3）是分束器：为集成分束器和分立元件分束器;

（4）是发射透镜：为双胶消球差透镜，设置有防护镜（或气膜防护器）;

（5）是测点：为两光相交区（见图5、图6）;

（6）是反射镜：将信号反射到接收系统;

（7）是接收透镜：为双胶消球差透镜，设置有防护镜（或气膜防护器）和光阑，前后位置可调;

（8）是针孔光阑：为空间滤光器，针孔直径为φ0.2～φ0.5mm，位置可调，设有观察目镜可观察;

（9）是光电倍增管：选用频响范围合适的管子;

（10）是光电倍增管的高压输入端，由图4中（19）供给;

（11）是信号输出端：输给图4中的放大器和滤波器（12）;

图4中：

（12）是放大器和滤波器，将输入的电信号进行放大，再滤掉低频和噪声，送入锁相环路，或送入信号监视器（15）;

（13）是锁相环路：能自动频率跟踪，失索时有自动信号搜捕;

（14）是电压控制振荡器（VCO）;

（15）是信号监视器：可选用双踪示波器;

（16）是数据处理器：微机用PC机或单板机，对数据进行处理，供显示器实时显示，供打印机记录数据，提供定长控制信号，反馈跟踪器控制自动量程转换，自动复位等。

（17）是显示器、打印机：实时显示被测物速度和长度累计;打印机可记录下这些数据;

（18）是控制输出器：控制切割机或打字机的定长切割、记米打印等。速度信号还可控制运行速度;

（19）是高压电源：自控高压电源，提供光电倍增管高压。并自动调节信号幅值;

（20）是低压电源：提供整机低压电源，如±15V、±5V等;

图5、图6是两光相交区相干示意图

（21）（22）经分束器分开的两束激光，即前图（图1、图2、图3）中（5）相交区的放大;

（23）两束光相交的夹角θ;决定条纹宽度△X;

（24）两光相交成椭球体示意图;

（25）相交区干涉片体示意图;

（26）是相交区X-X断面相干条纹示意图;

（27）是相干条纹宽度△X，△X＝λ/（2sinθ/2）。

实施例2

激光钢管定尺仪，用于焊管生产线定长切割中的定尺。

光机探头采用图1型式

（1）激光器：He-Ne管，全内腔，3mw，TEMOO模，发散角1毫弧度;

（2）分束器：集成分束器，分束距离为50mm;

（3）发射透镜：焦距为500mm，双胶.φ80mm;

（4）计算干涉条纹宽度

△X＝λ/（2sinθ/2）≈λ·f/D＝6.328μm

（f为发射透镜焦距，D为分束器分束距离）

（5）接收透镜：焦距为200mm，双胶，φ40mm;

（6）透镜前采用防护玻璃或气膜防护器;

（7）针孔光阑为φ0.3mm;

（8）光电倍增管：GDB-24;

（9）信号处理器采用锁相频率跟踪器，其频响范围为10kHz～500KHz，测速范围为0.06～3.16m/s;

（10）数据处理器：PC机或单板机;

（11）高压：400V-1000V;

（12）取样时间：

要求6m定尺，6m相应的脉冲数为948k，准确数据为948167个脉冲。钢管运动速度1.5m/s开始按0.1秒取样，取样脉冲大体为23700个，约取样40次，当累计脉冲数接近948167时，改为连续取样至满额，例如按0.1秒取样35次后改为连续取样;

（13）每累计948167个脉冲就输出给切割机一个信号，让切割机切割。

本发明对于国内八大电缆厂（每厂都有多条生产线）和几十家中小电缆厂的电缆计米打印、长度计量，配线等进行技术改造，能保证测量精度，提高产品质量，增加产量，节约原材料，将获得可观的经济效益。全国几十家钢管厂，上百条钢管生产线，用此发明可准确定尺切割，确保国标，能达到国际标准，这一发明还可打入国际市场，出口创汇。

Claims (7)

1、激光微机在线长度测量方法，采用激光和微机技术实现在线长度计量，其特征在于，利用激光的高相干性在测量区内形成等距离的干涉片体，其断面为干涉条纹，被测物穿过干涉条纹时，形成散光脉冲频率，由光学接收系统接收后，通过光电倍增管将光信号放大并转换成电信号输入至信号处理器，输出信号脉冲数，再输入至计算机做数据处理，然后输出控制，打印信号和实时显示。

2、按权利要求1所说的方法，其特征在于，在光学探头上使两光相干区在被测物振动主向上的区域（长度）大于允许振动的范围，在光学接收系统上设计足够的景深，通过改变接收透镜（7）的位置，使接收成象的象斑尺寸大于针孔光阑（8）的针孔尺寸。

3、按权利要求1和2所说的方法，其特征在于，采用不低于10⁵Hz的高频信号，采用多次屏蔽措施，隔离变压器、屏蔽电缆、高频插头插座、机柜、机箱、插件屏蔽等以防电磁干扰。

4、激光微机在线长度测量装置，由光机探头，信号处理器，数据处理器，显示器和打印记录器及控制输出器组成，其特征在于，

光机探头主要包括：激光器（1）（由激光电源（2）提供电源）发出的激光经分束器（3）分为两束平行光，经发射透镜（4）聚焦于测点（5），由接收透镜（7）通过针孔光阀（8）进入光电倍增管（9）（将光信号放大并转换成电信号（11）送入信号处理器（12）），接收透镜（7）前后位置可调，以便在光阑（8）的位置上获得足够大的象斑尺寸，在接收透镜（7）和发射透镜（4）上有防护镜或气膜防护器，信号处理器包括：放大器和滤波器（12）（对输入的信号进行放大，并滤掉低频和噪声）的输出送入锁相环路（13），其输出通过电压控制振荡器（14），放大器和滤波器（12）的输出也可送至信号监视器（15），高压电源（19），低压电源（20），信号处理器将信号脉冲数送入数据处理器（16）（采用PC微机或单板机均可）对数据进行处理后供打印机（17）记录数据，由微机（16）提供定长控制信号输入至控制输出器（18），控制切割机或打字机的定长切割，记米打印等，

5、按权利要求4所说的装置，其特征在于，在光电倍增管（9）的高压输入端设置了信号幅值自动调节电路，由控制逻辑电路、高压模块、超限报警电路构成，由逻辑电路将实际光电流值与设定值比较去控制直流电压，再控制高压模块的输出电压，然后控制共给光电倍增管的高压，改变实际是光电流值使与设定值比较，去控制直流电压，再控制高压模块的输出电压，然后控制供给光电倍增管的高压，改变实际的光电流值使与设定值一致，从而达到了自动调节信号幅值的目的。

6、按权利要求4或5所说的装置，其特征在于，光学探头装于密封箱体内。

7、按权利要求4或5所说的装置，其特征在于，发射部分不用分束器，由激光器发出的光直接通过棱镜及两片反射镜聚焦于测点（5）;或直接由一半透半反镜和一反射镜，将激光器发出的光聚焦于测点。

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