CN106969717A - 对称光桥式自稳激光测径系统及其标定方法、测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种对称光桥式自稳激光测径系统及其标定方法、测量方法，该对称光桥式自稳激光测径系统包括平行激光源、对称角反射镜、两个聚光镜及两个光电探测器，平行激光源产生的平行激光被对称角反射镜分为两部分，分别反射至一个聚光镜，每个光电探测器检测聚光镜所会聚的激光的强度。本发明所述系统及方法，测量精度不受扫描速度影响，因此测量精度更高，而且测径系统的结构也更简单，成本更低。

Description

对称光桥式自稳激光测径系统及其标定方法、测量方法

技术领域

本发明涉及直径测量技术领域，特别涉及一种对称光桥式自稳激光测径系统及其标定方法、测量方法。

背景技术

激光测径技术是上世纪 70 年代出现的一种动态在线测量技术，一般是激光、机械、电子、计算机相结合的新型测试技术。随着光电子学的迅猛发展，激光测径技术也逐渐走向成熟，目前常见的激光测径仪有激光多普勒测径仪、激光衍射测径仪、激光扫描测径仪和投影成像测径仪等，其中，激光扫描测径和CCD投影测径是目前较为常用的直径测量方法。

如图1所示，目前常用的激光扫描测径系统包括激光器、准直系统、反光镜、扫描棱镜、同步电机、两个透镜及光电探测器，由激光器产生的光束，经聚焦准直系统整形后，经反光镜反射到扫描棱镜上，扫描棱镜由同步电机带动以恒定角速度旋转，形成扫描光束，扫描光束通过透镜 1 后，形成于匀速的、且光轴平行的扫描光束，并扫过待测件，然后光束经过透镜 2 聚焦后被光电探测器接收，光电探测器将光信号转换为电信号，产生一个随时间变化的光电信号输出，当扫描光束被待测件挡住时产生低电平，当扫描光束没有被待测件挡住时产生高电平，因此，测得挡光时间T ，再根据扫描棱镜的回转速度ω，即可求出被测件的直径。但是，在实际工作中，激光经过旋转的扫描棱镜反射后，其扫描光束的扫描速度并不是定值，因此其测量精度受扫描速度变化的影响，精度不够高，不适用于测量精度要求较高的场合。

在CCD投影测径系统中，平行光束照射在被测物体上，在物体后方的CCD上产生阴影，通过测量该阴影区域的宽度，从而求出被测物体的直径。该系统原理简单，无机械转动部件，结构紧凑，但测量范围取决于CCD尺寸，无法测量大尺寸物体的直径，测量精度也受限于CCD像素大小。

发明内容

本发明的目的在于改善现有技术中所存在的测量精度不高的不足，提供一种对称光桥式自稳激光测径系统及其标定方法、测量方法。

为了实现上述发明目的，本发明实施例提供了以下技术方案：

一种对称光桥式自稳激光测径系统，包括：

平行激光源，用于产生平行激光；

具有两个反射面的对称角反射镜，用于将入射的平行激光分为两部分，分别反射至一个聚光镜；

两个所述聚光镜，每个所述聚光镜用于将反射进来的平行激光会聚至一个光电探测器；

两个所述光电探测器，分别位于一个聚光镜的后焦面，用于检测接收到的激光的强度。

上述对称光桥式自稳激光测径系统的标定方法，定义所述的对称光桥式自稳激光测径系统中的两个光电探测器分别为第一光电探测器和第二光电探测器，所述方法包括以下步骤：

调整平行激光源与对称角反射镜的相对位置，使得对称角反射镜将入射的平行激光平均分为两部分，且对称角反射镜的两个反射面与入射的平行激光的夹角相等；

控制平行激光源按照恒定的输出功率输出平行激光；

沿着垂直于平行激光的方向调整对称角反射镜的位置，分别读取第一光电探测器和第二光电探测器的测量值，当第一光电探测器和第二光电探测器的测量值相同时，记录此时的测量值，两个测量值之和作为标定功率P₀，固定对称角反射镜的位置；

控制遮光板沿着垂直于平行激光的方向向前移动，当第一光电探测器的测量值最小时，记录此时遮光板的位置，将该位置作为系统标定的参考零点；

控制遮光板按照相同的位移量继续向前移动，每移动一个位移量记录一次第二光电探测器的测量值，直到第二光电探测器的测量值最小；

控制遮光板向后运动，返回至所述系统标定的参考零点；

控制遮光板按照相同的位移量继续向后移动，每移动一个位移量记录一次光第一电探测器的测量值，直到第一光电探测器的测量值最大；

对标定过程中第一光电探测器的测量值与遮光板的位移量进行数据拟合，得到第一光电探测器的位移-光强表达式；对标定过程中第二光电探测器的测量值与遮光板的位移量进行数据拟合，得到第二光电探测器的位移-光强表达式。

基于上述对称光桥式自稳激光测径系统的测量方法，定义所述的对称光桥式自稳激光测径系统中的两个光电探测器分别为第一光电探测器和第二光电探测器，所述方法包括以下步骤：

控制平行激光源按照恒定的输出功率输出平行激光；

控制待测工件沿着垂直于平行激光的方向向前移动，分别读取第一光电探测器和第二光电探测器的测量值，当第一光电探测器和第二光电探测器的测量值相同时，记录此时的测量值；

沿着垂直于平行激光的方向继续向前移动待测工件，当第二光电探测器的测量值最大时，分别记录此时第一光电探测器和第二光电探测器的测量值，将该两个测量值之和作为测量激光功率P₁；

将第一光电探测器的测量值乘以测量修正系数P₁/P₀后，代入第一光电探测器的位移-光强表达式中，计算得到第一位移值，将第二光电探测器的测量值乘以测量修正系数P₁/P₀后，代入第二光电探测器的位移-光强表达式中，计算得到第二位移值，第二位移值与第一位移值的差值即为待测工件的直径。

如果测量时对称光桥式自稳激光测径系统中的平行激光源与对称角反射镜的位置不合适，那么上述测量方法中，在所述控制平行激光源按照恒定的输出功率输出平行激光步骤之前，还包括步骤：

调整平行激光源与对称角反射镜的相对位置，使得对称角反射镜将入射的平行激光平均分为两部分，且对称角反射镜的两个反射面与入射的平行激光的夹角相等。

与现有技术相比，本发明实施例提供的对称光桥式自稳激光测径系统及其方法，由于测量精度不受扫描速度影响，因此测量精度更高，且测量方法简单；此外，整个测径系统的结构也更简单，成本更低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍， 应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为现有技术中激光扫描测径系统的结构示意图。

图2为本发明实施例中对称光桥式自稳激光测径系统的结构示意图。

图3为本发明实施例中对称光桥式自稳激光测径系统的标定过程示意图。

图中标记：

平行激光源11；待测工件12；对称角反射镜13；第一聚光镜14；第一光电探测器15；第二聚光镜16；第二光电探测器17；遮光板18；位移平台19。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

请参阅图2，本实施例中提供的对称光桥式自稳激光测径系统，包括平行激光源11，对称角反射镜13，两个聚光镜及两个光电探测器，本实施例中，定义两个聚光镜分别为第一聚光镜14和第二聚光镜16，定义两个光电探测器分别为第一光电探测器15和第二光电探测器17。

其中，平行激光源11用于产生平行激光。

对称角反射镜13具有两个反射面，且两个反射面之间形成一定夹角，比如该实施例中为90°，对称角反射镜13用于将入射的平行激光分为两部分，分别反射至一个聚光镜，即，如图所示，对称角反射镜13的一个反射面将上部分平行激光反射至第一聚光镜14，对称角反射镜13的另一个反射面将下部分平行激光反射至第二聚光镜16。

第一光电探测器15位于第一聚光镜14的后焦面，经第一聚光镜14会聚后的激光被第一光电探测器15接收，第一光电探测器15检测接收到的激光的强度；第二光电探测器17位于第二聚光镜16的后焦面，经第二聚光镜16会聚后的激光被第二光电探测器17接收，第二光电探测器17检测接收到的激光的强度。

在使用本对称光桥式自稳激光测径系统进行测量之前，需要先对其进行标定。其标定方法包括以下步骤：

1）调整平行激光源11与对称角反射镜13的相对位置，使得对称角反射镜13在平行激光源11发出的平行激光的中间位置，即，将入射的平行激光平均分为两部分，且对称角反射镜13的两个反射面与入射的平行激光的夹角相等。

2）控制平行激光源11按照恒定的输出功率输出平行激光。

3）沿着垂直于平行激光的方向调整对称角反射镜13的位置，在调整过程中分别读取第一光电探测器15的测量值和第二光电探测器17的测量值，当第一光电探测器15和第二光电探测器17的测量值相同时，记录此时的测量值，并将两个测量值之和作为标定功率P₀，固定此时对称角反射镜13的位置。

4）控制遮光板18沿着垂直于平行激光的方向向前移动，当第一光电探测器15的测量值最小时，记录此时遮光板18的位置，并将该位置作为系统标定的参考零点。

请参阅图3，由于在标定过程中遮光板18的位移都是细微（例如以微米级距离变化进行位移）的移动，因此具体实现时，可以将遮光板18设置在位移平台19上，通过控制位移平台19沿垂直于平行激光的方向移动来带动遮光板18沿垂直于平行激光的方向移动，位移平台19的位移量即是遮光板18的位移量。

5）控制遮光板18按照相同的位移量（例如1um,2um,3um等固定步距）继续向前移动，每移动一个位移量记录一次第二光电探测器17的测量值，直到第二光电探测器17的测量值最小。

6）控制遮光板18向后运动，返回至所述系统标定的参考零点。

7）控制遮光板18按照相同的位移量继续向后移动，每移动一个位移量记录一次光第一电探测器的测量值，直到第一光电探测器15的测量值最大。本步骤中的位移步距可以与步骤5）中相同，也可以不同。

8）对标定过程中第一光电探测器15的测量值与遮光板18的位移量进行数据拟合，得到第一光电探测器15的位移-光强表达式；对标定过程中第二光电探测器17的测量值与遮光板18的位移量进行数据拟合，得到第二光电探测器17的位移-光强表达式，完成标定过程。

在上述方法描述中，为了便于理解，对各步骤以序号进行了区分，但是各步骤之间没有严格意义上的先后顺序，各步骤的划分也可以不按照上述方式进行，例如，步骤8）中的对标定过程中第一光电探测器15的测量值与遮光板18的位移量进行数据拟合，得到第一光电探测器15的位移-光强表达式的过程，可以并入步骤5）中，也可以紧随步骤5）之后执行。

使用本实施例中上述对称光桥式自稳激光测径系统进行测量时，其方法包括以下步骤：

a）调整平行激光源11与对称角反射镜13的相对位置，使得对称角反射镜13将入射的平行激光平均分为两部分，且对称角反射镜13的两个反射面与入射的平行激光的夹角相等。

需要说明的是，本步骤不是必要步骤，如果进行测量时，对称光桥式自稳激光测径系统中的平行激光源11与对称角反射镜13之间的位置合适（例如标定之后平行激光源11与对称角反射镜13的位置没有发生变动），即对称角反射镜13处于平行激光器发出的平行激光的中间位置，可以将平行激光平均分为两部分，且对称角反射镜13的两个反射面与入射的平行激光的夹角相等，那么本步骤则不需要，只有当平行激光源11与对称角反射镜13之间的位置不合适（例如标定之后平行激光源11与对称角反射镜13的位置发生变动）时才需要执行本步骤进行位置调整。

b）控制平行激光源11按照恒定的输出功率输出平行激光。

c）控制待测工件12沿着垂直于平行激光的方向向前移动，分别读取第一光电探测器15和第二光电探测器17的测量值，当第一光电探测器15和第二光电探测器17的测量值相同时，记录此时的测量值。

d）沿着垂直于平行激光的方向继续向前移动待测工件12，当第二光电探测器17的测量值最大时，分别记录此时第一光电探测器15和第二光电探测器17的测量值，将该两个测量值之和作为测量激光功率P₁。

e）将第一光电探测器15的测量值乘以测量修正系数P₁/P₀后，代入第一光电探测器15的位移-光强表达式（标定过程中已获得）中，计算得到第一位移值，将第二光电探测器17的测量值乘以测量修正系数P₁/P₀后，代入第二光电探测器17的位移-光强表达式（标定过程中已获得）中，计算得到第二位移值，第二位移值与第一位移值的差值即为待测工件12的直径。

本发明实施例提供的对称光桥式自稳激光测径系统包括平行激光源、对称角发射镜、聚光镜及光电探测器，相比于目前常用的激光扫描测径系统，本实施例提供的对称光桥式自稳激光测径系统的结构更简单，成本更低廉，其测量方法操作更简单，而且测量精度不受测量速度的影响，因此测量精度更高，可以满足高精度测量的需求。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种对称光桥式自稳激光测径系统，其特征在于，包括：

平行激光源，用于产生平行激光；

具有两个反射面的对称角反射镜，用于将入射的平行激光分为两部分，分别反射至一个聚光镜；

两个所述聚光镜，每个所述聚光镜用于将反射进来的平行激光会聚至一个光电探测器；

两个所述光电探测器，分别位于一个聚光镜的后焦面，用于检测接收到的激光的强度。

2.根据权利要求1所述的对称光桥式自稳激光测径系统，其特征在于，所述对称角反射镜的两个反射面与入射的平行激光的夹角相等，且所述对称角反射镜将平行激光平均分为两部分。

3.权利要求1所述的对称光桥式自稳激光测径系统的标定方法，其特征在于，定义所述的对称光桥式自稳激光测径系统中的两个光电探测器分别为第一光电探测器和第二光电探测器，所述方法包括以下步骤：

调整平行激光源与对称角反射镜的相对位置，使得对称角反射镜将入射的平行激光平均分为两部分，且对称角反射镜的两个反射面与入射的平行激光的夹角相等；

控制平行激光源按照恒定的输出功率输出平行激光；

沿着垂直于平行激光的方向调整对称角反射镜的位置，分别读取第一光电探测器和第二光电探测器的测量值，当第一光电探测器和第二光电探测器的测量值相同时，记录此时的测量值，两个测量值之和作为标定功率P₀，固定对称角反射镜的位置；

控制遮光板沿着垂直于平行激光的方向向前移动，当第一光电探测器的测量值最小时，记录此时遮光板的位置，将该位置作为系统标定的参考零点；

控制遮光板按照相同的位移量继续向前移动，每移动一个位移量记录一次第二光电探测器的测量值，直到第二光电探测器的测量值最小；

控制遮光板向后运动，返回至所述系统标定的参考零点；

控制遮光板按照相同的位移量继续向后移动，每移动一个位移量记录一次光第一电探测器的测量值，直到第一光电探测器的测量值最大；

对标定过程中第一光电探测器的测量值与遮光板的位移量进行数据拟合，得到第一光电探测器的位移-光强表达式；对标定过程中第二光电探测器的测量值与遮光板的位移量进行数据拟合，得到第二光电探测器的位移-光强表达式。

4.基于权利要求1所述的对称光桥式自稳激光测径系统的测量方法，其特征在于，定义所述的对称光桥式自稳激光测径系统中的两个光电探测器分别为第一光电探测器和第二光电探测器，所述方法包括以下步骤：

控制平行激光源按照恒定的输出功率输出平行激光；

控制待测工件沿着垂直于平行激光的方向向前移动，分别读取第一光电探测器和第二光电探测器的测量值，当第一光电探测器和第二光电探测器的测量值相同时，记录此时的测量值，作为第一、第二光电探测器的测量值；

沿着垂直于平行激光的方向继续向前移动待测工件，当第二光电探测器的测量值最大时，分别记录此时第一光电探测器和第二光电探测器的测量值，将该两个测量值之和作为测量激光功率P₁；

将第一光电探测器的测量值乘以测量修正系数P₁/P₀后，代入第一光电探测器的位移-光强表达式中，计算得到第一位移值，将第二光电探测器的测量值乘以测量修正系数P₁/P₀后，代入第二光电探测器的位移-光强表达式中，计算得到第二位移值，第二位移值与第一位移值的差值即为待测工件的直径。

5.根据权利要求4所述的测量方法，其特征在于，在所述控制平行激光源按照恒定的输出功率输出平行激光步骤之前，所述方法还包括步骤：

调整平行激光源与对称角反射镜的相对位置，使得对称角反射镜将入射的平行激光平均分为两部分，且对称角反射镜的两个反射面与入射的平行激光的夹角相等。