CN108088379A - 一种基于三标准棒法的双光路激光扫描测径系统及方法 - Google Patents

一种基于三标准棒法的双光路激光扫描测径系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于三标准棒法的双光路激光扫描测径系统及方法，系统由激光发射部分、检测部分和光接受部分构成；激光发射部分由激光器、扫描转镜组成；检测部分由第一透镜、第二透镜、第三透镜、半透半反棱镜和全反棱镜组成；光接受部分由第一光电二极管、第二光电二极管和数据处理单元组成；激光器发出光线通过扫描转镜产生扫描光束，第一透镜将扫描光束变成平行光束，然后通过半透半反棱镜和全反棱镜变成两路平行光束，对被置于测量区域的标准棒和被测工件进行高速的扫描，再通过两透镜把平行光束聚焦到两个光电二极管，由两个光电二极管获取的光信号转换成电信号传输给数据处理单元将测得直径显示出来。本发明降低了环境和偶然误差的影响。

Description

一种基于三标准棒法的双光路激光扫描测径系统及方法
技术领域
本发明属于测控技术领域，涉及一种激光扫描测径系统及方法，具体涉及一种基于三标准棒法的双光路激光扫描测径系统及方法。
背景技术
尺寸测量方法主要有两大类：接触测量方法和非接触测量方法。典型的接触测量方法如游标卡尺、千分尺、三坐标测量机等，测量精度一般在几微米，但是，由于其测量速度慢，对工件造成磨损，影响测量精度，不能实时测量。而非接触式测量具有高速，高精度等特点，逐步遍及各种高精度检测领域，其中激光测径法是目前普遍运用的非接触测量方法。常用的激光测径方法有两种：基于CCD接收光信号测径法、激光扫描测径法。
CCD接收光信号测径法受到光学透镜与同步电机的制约，对于环境要求较高，导致测量精度较低。激光扫描测径法采样频率快，测量动态范围大，抗干扰性强，精度高。现有的双光路激光扫描测径系统的测量上限不受平凸透镜直径影响，解决了利用小透镜测量大口径的难题，但忽略了同步电机转速产生的影响，导致测量精度不高。
发明内容：
为了解决上述技术问题，本发明提出了一种基于“三标准棒法”的双光路激光扫描测径系统及方法，应用3个标准棒相对测量原理，采用数据分组策略方法，降低了环境和偶然误差的影响。
本发明的系统所采用的技术方案是：一种基于三标准棒法的双光路激光扫描测径系统，其特征在于：由激光发射部分、检测部分和光接受部分构成；
所述激光发射部分由激光器、扫描转镜组成；所述检测部分由第一透镜、第二透镜、第三透镜、半透半反棱镜和全反棱镜组成；所述光接受部分由第一光电二极管、第二光电二极管和数据处理单元组成；
所述激光器发出光线通过扫描转镜产生扫描光束，第一透镜将扫描光束变成平行光束，然后分别通过半透半反棱镜和全反棱镜变成两路平行光束，
对被置于测量区域的标准棒和被测工件进行高速的扫描，再分别通过第二透镜、第三透镜把平行光束聚焦到第一光电二极管、第二光电二极管，由第一光电二极管、第二光电二极管将获取的光信号转换成电信号传输给所述数据处理单元将测得直径显示出来。
本发明的方法所采用的技术方案是：一种基于三标准棒法的双光路激光扫描测径方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：进行第一次测量和第二次测量；
所述第一次测量是将两个小直径标准棒和一个大直径标准棒放在扫描区域进行测量；所述第二次测量是将测量棒以及两个小直径标准棒放在测量区域进行测量；
设第一次测量时两个小直径标准棒所遮挡光强的时间分别为Ta和Tb，
大直径标准棒遮挡区域和两个小直径标准棒遮挡区域之间的高电平时间分别为T1、T2，测量棒遮挡区域和两个小直径标准棒遮挡区域之间的高电平时间分别为T3和T4，扫描转镜在两个光路的扫描速度分别为V1和V2，两个小直径标准棒直径分别设置为Da、Db，大直径标准棒为D1，测量棒的直径为D2；
则小直径标准棒的直径分别为：Da＝V1*Ta，Db＝V2*Tb；
测量棒与大直径标准棒之差为：
D2-D1＝V1*(T1-T3)+V2*(T2-T4)；
测量棒的直径为：
步骤2：将光电信号发送给光电信号处理模块进行放大和二值化的处理，
形成标准的方波脉冲，将脉冲发送给主控制模块对信号进行采集和处理，将采集到的两路信号通过数据处理计算出被测工件的直径，按键模块对测量直径进行最后数据校正，最后把直径值发送给显示模块显示。
本发明设计了基于“三标准棒法”的双光路激光扫描测径系统，消除了电机转速对测量结果的影响，抗干扰能力强，以ARM为主控芯片，利用数据分组策略对数据采集及处理，在扩大测量范围的同时提高了测量精度。
附图说明
图1为本发明实施例的系统原理图；
图2为本发明实施例的数据处理单元结构原理图；
图3为本发明实施例的方法流程图；
图4为本发明实施例的测径原理图；
图5为本发明实施例的数据处理流程图；
图6为本发明实施例的数据校正流程图；
图7为本发明实施例的测量棒稳定性实验结果，其中(a)测量棒21.000mmm，(b)测量棒24.000mm，(c)测量棒26.000mm，(d)测量棒29.500mm。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
请见图1，本发明提供的一种基于三标准棒法的双光路激光扫描测径系统，由激光发射部分、检测部分和光接受部分构成；激光发射部分由激光器、扫描转镜组成；扫描转镜由八棱镜和电机组成；检测部分由第一透镜、第二透镜、第三透镜、半透半反棱镜和全反棱镜组成；光接受部分由第一光电二极管、第二光电二极管和数据处理单元组成；激光器发出光线通过扫描转镜产生扫描光束，第一透镜将扫描光束变成平行光束，然后分别通过半透半反棱镜和全反棱镜变成两路平行光束，对被置于测量区域的标准棒和被测工件进行高速的扫描，再分别通过第二透镜、第三透镜把平行光束聚焦到第一光电二极管、第二光电二极管，由第一光电二极管、第二光电二极管将获取的光信号转换成电信号传输给数据处理单元将测得直径显示出来。
请见图2，本实施例的数据处理单元由光电信号处理模块、主控制器模块、按键模块、显示模块组成；由第一光电二极管、第二光电二极管将获取的光信号转换成电信号传输给光电信号处理模块，经过光电信号处理模块放大、二值化处理后，最后通过主控制器模块将数据进行处理后，通过按键模块把实时测量结果进行数据的校正，最后通过实时显示模块显示出来。
光电信号处理模块：经过激光扫描后的光信号经过光电二极管后转换成了电信号，此时的电信号只是微弱的电流信号只有μA级，所以需要将其转换并放大成电压信号。运用LF353器件模块对微弱的电信号进行前置放大，然后将电流信号转换成电压信号进行跟随滤波及阻抗匹配，减少信号损耗。经过放大器后的电压信号通过LM393高通双路比较芯片进行电平比较，从而产生标准的方波脉冲。然后将方波脉冲发送给STM32芯片利用定时器功能进行计数，得到小直径标准棒低电平的时间和大直径标准棒与小直径标准棒之间的时间。
主控制器模块：主控器采用以ARM嵌入式系统为核心构架，可以同时处理两路信号，正好适合本设计双光路激光扫描测径系统。ARM采用的是STM32F103芯片，该芯片拥有Cortex-M3的内核，具有快速的数据采集和数据处理功能。ARM将光电信号处理模块产生的标准方波脉冲进行数据采集和算法计算，然后将计算的结果发送给按键显示模块。按键模块把实时测量结果进行数据的校正，最后通过实时显示模块显示出来。
按键模块和显示模块：选用TM1638按键数码管显示模块，TM1638是带键盘扫描接口的LED(发光二极管显示器)驱动控制专用电路，内部集成有MCU数字接口、数据锁存器、LED高压驱动、键盘扫描等电路。
请见图3，本实施例提供的一种基于三标准棒法的双光路激光扫描测径方法，包括以下步骤：
步骤1：进行第一次测量和第二次测量；
第一次测量是将两个小直径标准棒和一个大直径标准棒(与测量棒直径差不多大)放在扫描区域进行测量，将测量的数据保存在STM32中；第二次测量是将测量棒以及两个小直径标准棒放在测量区域进行测量；
设第一次测量时两个小直径标准棒所遮挡光强的时间分别为Ta和Tb，大直径标准棒遮挡区域和两个小直径标准棒遮挡区域之间的高电平时间分别为T1、T2，测量棒遮挡区域和两个小直径标准棒遮挡区域之间的高电平时间分别为T3和T4，扫描转镜在两个光路的扫描速度分别为V1和V2，两个小直径标准棒直径分别设置为Da、Db，大直径标准棒为D1，测量棒的直径为D2；
请见图4，根据激光扫描测径原理示意图可得：
小直径标准棒的直径分别为：Da＝V1*Ta，Db＝V2*Tb；
测量棒与大直径标准棒之差为：
D2-D1＝V1*(T1-T3)+V2*(T2-T4)；
测量棒的直径为：
步骤2：该双光路激光扫描测径系统将光学系统产生的光电信号发送给光电信号处理模块进行放大和二值化的处理，形成标准的方波脉冲，将脉冲发送给以STM32为芯片的主控制模块对信号进行采集和处理，STM32芯片同时处理两路信号，将采集到的两路信号通过数据处理计算出被测工件的直径，按键模块对测量直径进行最后数据校正，最后把直径值发送给显示模块显示。
请见图5，ARM采集光电信号处理模块产生的标准方波脉冲，数据处理采用分组策略的方法，每累加到100个数据就把这些数据分成10组，每组有10个数据，然后把每组的10个数据里面去掉最大值和最小值后再对每组求平均值，最后对所有平均值再求平均值，最后的平均值即测量值。
请见图6，由于控制器对数据处理后得到的值不够精确，因此需要进行校正。利用按键对测试数据进行校正，采用非线性修正方案。即设K1、K2、K3、K4、K5五个分段系数，分别对20mm-30mm直径进行校正，若被测直径D小于24mm，则使用K1系数；若被测直径D大于27mm，则使用K5系数；若被测直径D在24mm-27mm之间，则使用相邻的两个系数加权求平均值。校正后的直径即为最终的测量直径。
以下是本实施例的双光路激光扫描测径仪的测试结果；
(1)重复性测试
用标准测量工件对双光路激光扫描测径仪进行测试，通过实际测量的直径与标准值进行比较。重复性实验结果表示测量值的最大示值误差为5μm，最大相对误差0.08％，重复性测试结果如表1所示。
表1重复性实验数据
(2)稳定性测试
稳定性测试是指激光测径仪随时间变化时稳定的能力，按照JJF1250-2010《激光测径仪校准规范》规定要求，稳定性测试实验要求开机0.5h后用标准测量工件进行测量，实验时间要求2h以上，每一分钟观察一次，测试实验结果如图7所示，稳定性实验实际测量值与标准值的最大误差为5μm。
根据上述实验数据可以得出，双光路激光扫描测径仪测量范围为20-30mm，最大示值误差不超过5μm，测量精度达到0.001mm。该实验结果验证了双光路激光扫描测径仪能满足设计要求。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种基于三标准棒法的双光路激光扫描测径系统，其特征在于：由激光发射部分、检测部分和光接受部分构成；
所述激光发射部分由激光器、扫描转镜组成；所述检测部分由第一透镜、第二透镜、第三透镜、半透半反棱镜和全反棱镜组成；所述光接受部分由第一光电二极管、第二光电二极管和数据处理单元组成；
所述激光器发出光线通过扫描转镜产生扫描光束，第一透镜将扫描光束变成平行光束，然后分别通过半透半反棱镜和全反棱镜变成两路平行光束，对被置于测量区域的标准棒和被测工件进行高速的扫描，再分别通过第二透镜、第三透镜把平行光束聚焦到第一光电二极管、第二光电二极管，由第一光电二极管、第二光电二极管将获取的光信号转换成电信号传输给所述数据处理单元将测得直径显示出来。
2.根据权利要求1所述的基于三标准棒法的双光路激光扫描测径系统，其特征在于：所述扫描转镜由八棱镜和电机组成。
3.根据权利要求1所述的基于三标准棒法的双光路激光扫描测径系统，其特征在于：所述数据处理单元由光电信号处理模块、主控制器模块、按键模块、显示模块组成；由第一光电二极管、第二光电二极管将获取的光信号转换成电信号传输给所述光电信号处理模块，经过光电信号处理模块放大、二值化处理后，最后通过所述主控制器模块将数据进行处理后，通过按键模块把实时测量结果进行数据的校正，最后通过实时显示模块显示出来。
4.一种基于三标准棒法的双光路激光扫描测径方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：进行第一次测量和第二次测量；
所述第一次测量是将两个小直径标准棒和一个大直径标准棒放在扫描区域进行测量；所述第二次测量是将测量棒以及两个小直径标准棒放在测量区域进行测量；
设第一次测量时两个小直径标准棒所遮挡光强的时间分别为Ta和Tb，大直径标准棒遮挡区域和两个小直径标准棒遮挡区域之间的高电平时间分别为T1、T2，测量棒遮挡区域和两个小直径标准棒遮挡区域之间的高电平时间分别为T3和T4，扫描转镜在两个光路的扫描速度分别为V1和V2，两个小直径标准棒直径分别设置为Da、Db，大直径标准棒为D1，测量棒的直径为D2；
则小直径标准棒的直径分别为：Da＝V1*Ta，Db＝V2*Tb；
测量棒与大直径标准棒之差为：
D2-D1＝V1*(T1-T3)+V2*(T2-T4)；
测量棒的直径为：
<mrow> <msub> <mi>D</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>D</mi> <mi>a</mi> </msub> <msub> <mi>T</mi> <mi>a</mi> </msub> </mfrac> <mo>*</mo> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>T</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>T</mi> <mn>3</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <mfrac> <msub> <mi>D</mi> <mi>b</mi> </msub> <msub> <mi>T</mi> <mi>b</mi> </msub> </mfrac> <mo>*</mo> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>T</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>T</mi> <mn>4</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <msub> <mi>D</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>;</mo> </mrow>
步骤2：将光电信号发送给光电信号处理模块进行放大和二值化的处理，形成标准的方波脉冲，将脉冲发送给主控制模块对信号进行采集和处理，将采集到的两路信号通过数据处理计算出被测工件的直径，按键模块对测量直径进行最后数据校正，最后把直径值发送给显示模块显示。
5.根据权利要求4所述的基于三标准棒法的双光路激光扫描测径方法，其特征在于：步骤2中所述将脉冲发送给主控制模块对信号进行采集和处理，将采集到的两路信号通过数据处理计算出被测工件的直径；数据处理采用分组策略的方法，每累加到100个数据就把这些数据分成10组，每组有10个数据，然后把每组的10个数据里面去掉最大值和最小值后再对每组求平均值，最后对所有平均值再求平均值，最后的平均值即测量值。
6.根据权利要求4所述的基于三标准棒法的双光路激光扫描测径方法，其特征在于：步骤2中所述按键模块对测量直径进行最后数据校正，采用非线性修正方法，设K1、K2、K3、K4、K5五个分段系数，分别对20mm-30mm直径进行校正，若被测直径D2小于24mm，则使用K1系数；若被测直径D2大于27mm，则使用K5系数；若被测直径D2在24mm-27mm之间，则使用相邻的两个系数加权求平均值，校正后的直径即为最终的测量直径。
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