CN1255626A - 一种自动在线测径的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动在线测径方法,它是将激光经光栅G和会聚透镜L1形成平行的一列衍射光斑,被测工件置于透镜L1的像平面上并作一定幅度的横向振动,会聚透镜L2将光斑和工件的像经二次傅里叶变换投射到光电二极管阵列上,根据工件遮挡的光斑数和二光斑的间距,及结合计算机对光电二极管阵列连续扫描的结果和分析得出工件横向振动的运动状态,精确计算出工件的直径,测量精度达到0.01mm。本发明提供了测量装置。

Description

一种自动在线测径的方法及其装置

本发明涉及一种在线测径的方法以及该方法的专用装置。

在管线材生产中，测量管线材直径是生产过程中一个很重要的检测环节。一般靠模具控制精度和手工卡尺测量。

近年来也发展了一些非接触测量方法，主要为机械扫描聚焦光点式测量法及平行光照明阴影法等。前者利用旋转镜将聚焦光束扫描被测工件；后者利用平行光照明工件，测量其投影，两者均基于传统几何光学原理。后者方法不能消除由衍射效应带来的问题，因而对细丝无法测径。而且这两种方法的测量装置复杂，重量体积较大，测量的准确程度依赖于设备的精密程度，在恶劣环境下，设备工作性能和寿命均大幅度下降。基于衍射光原理的测径方法则限于细丝，设备也较昂贵。

本发明的目的在于提供一种简便可靠、非接触的管线材的测径方法及一种简单的测径装置。

本发明自动在线测径方法的技术方案如下：

一种自动在线测径的方法，它是将平行激光光束照射高调制度低密度位相光栅上，经会聚透镜L1，在会聚透镜L1的焦平面上得到的光场分布为一列衍射光斑，被测工件置于会聚透镜L1的焦平面上，并作一定幅度的横向振动，会聚透镜L2将衍射光斑及工件的像经二次傅里叶变换投射到光电二极管阵列上，在光电二极管阵列上形成衍射光斑的像及被工件遮挡形成的阴影，根据被遮挡的光斑数和二光斑的间距，及结合计算机对光电二极管阵列连续扫描的结果和分析，得出工件横向振动的运动状态，从而进行内插值计算，算出被测工件精确的径值。

本发明的自动在线测径方法的光路原理如图1所示。将平行激光光束照射高调制度低密度位相光栅上，在会聚透镜L1的后焦平面上得到的光场分布为一系列衍射光斑，各光斑的强度正比于J_m ²(β)，β的值正比于光栅的调制度。被测工件置于会聚透镜L1和L2的共焦平面上，并作一定幅度的横向振动。透镜L2将衍射光斑及工件的像经二次傅里叶变换投射到光电二极管线阵列上，在光电二极管阵列上形成衍射光斑的像及被工件遮挡形成的阴影。对光电二极管阵列进行扫描，即可得知被遮挡的光斑的数目，光斑间距为

      a＝f₁θ，θ＝λ/d   ∴a＝f₁λ/d(其中f₁为会聚透镜L1的焦距；θ为光栅产生之m级和m+1级之间衍射角；λ为激光波长，d为光栅缝间距)。因此可以粗略地算出被测工件的直径。由于对光电二极管线阵列的电扫描速度可以很高，因此工件本身的横向机械振动几乎对测量没有影响。

由于对二极管线阵列的电扫描速度可以很高，而工件本身在线生产中不可避免地产生横向振动，结合计算机可以对光电二极管阵列扫描的结果进行记录和分析，从而得出工件横向振动运动状态，为进行内扦值计算提供了可能。

本发明采用的内插值计算方法如图2所示。某一时刻t₀时，被测工件A上边缘位于第n号衍射光斑的中心，此时工件A下边缘位于第k号和第k+1号光斑之间某处，工件A振动方向向上到t₁时刻，工件下边缘达到k号光斑中心；当t₂时刻，工件A上边缘到达第n-1号光斑中心。被测工件A作正弦运动，当振动偏离位置在-15°～+15°之间时，可作线性处理，误差小于百分之一。由于相邻两光斑间距a很小，且偏离平衡位置不远，因此，工件A在相邻两光斑间的振动可以作为匀速运动来处理： $V=\frac{a}{t_1-t_0}$ 其中a为相邻衍射光斑间距。

被测工件A直径可由下式计算：

       φ＝a×(k-n)+V×(t₁-t₀)

       即φ＝a×(k-n)+a×(t₁-t₀/t₂-t₀)实验证明，这种内插值计算可以将测量精度提高1～2个数量级。

本发明的自动在线测径装置的技术方案如下：

一种自动在线测径装置，它主要包括一个激光器，在激光器的光路前方有高调制度低密度位相光栅，在光栅的光路前方依次有两个会聚透镜L1和L2，光栅与会聚透镜L1的距离为会聚透镜L1的前焦距f₁，两会聚透镜L1和L2间的距离为会聚透镜L1的后焦距f₁与会聚透镜L2的前焦距f₂₁之和，被测工件可置于会聚透镜L1和会聚透镜L2的共焦平面上。在会聚透镜L2的光路前方置有光电二极管线阵列，会聚透镜L2将衍射光斑经二次傅里叶变换投影到光电二极管阵列上，并且使光电二极管与衍射光斑一一对应。

本发明的自动在线测径的方法是一种非接触的管线材的测径方法，它可以在线检测，简便、可靠，精确度高。本发明的自动在线测径装置简单、轻便、寿命长，可以制成便携式测径仪。

附图说明：

图1.本发明的测径方法的光路原理示意图；

图2.本发明的测径方法内插值计算示意图；

图3.光电二极管接收电路示意图。

实施例：

测径装置如图1所示，激光器I为HeNe激光器，激光束直径2.0mm，波长0.6328μ，光栅为透明有机玻璃刻制而成，光栅缝间距为d＝300μ，会聚透镜L1为光学玻璃双凸镜，前后焦距均为f₁＝3.2cm，孔径φ＝2cm，会聚透镜L2为光学玻璃双凸镜，前后焦距均为f₂＝3.8cm，孔径φ＝3cm。被测工件A为铜管，外径为3.598mm，工件A置于会聚透镜L1和L2的共焦面上，为模拟制作铜管过程中铜管的横向振动，在工件A的一端用一只小扬声器振膜驱动产生横向振动，振动频率在20～35Hz之间，振幅达0.3～0.4mm。在会聚透镜L2光路前方有多束光纤接受端P。光纤与光电二极管阵列相连，光电二极管接收电路如图3所示，电路二端接5V的直流电源，用示波器观察各光斑对应二极管的电信号，即衍射光斑没有被工件A遮挡时，二极管漏电增加，电阻较小，R上分压增大，示波器上显示高电平；反之，衍射光斑被工件A遮挡时，R上分压较小，示波器上显示低电平。

平行激光束入射于相位光栅G，产生±m级衍射斑点，本实施例中衍射级别±m＞64，共有衍射斑点129个。

光栅产生之i级和i+1级之间衍射角θ＝λ/d＝0.6328μ/300μ

                            ＝2.106×10^-3rad

光栅衍射产生的全部衍射斑点的张角为：

光栅衍射产生的全部衍射斑点的张角之半为：

由于会聚透镜L1的前焦面置于光栅G处，故从光栅G处产生的各束衍射光通过会聚透镜L1后均成为相互平行的聚焦光束，被测物体的最大许可直径取决于所有这些平行光束的宽度，即最大可测直径为： $D_{\max }=f_1\×\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\θ}}_i=3.2\mathrm{cm}\×0.2696=0.863\mathrm{cm}$ 相邻衍射光斑之间的距离为a＝f₁×θ_i＝3.2cm×2.106×10^-3＝0.0624mm

测量结果：

工件A铜管遮挡衍射光斑53点。

振动波形测量：t₁-t₀＝0.5ms     t₂-t₀＝0.9ms

工件A直径：

φ＝a×53+a×(t₁-t₀)/(t₂-t₀)＝0.0674×53+0.0674×0.5ms/09ms

  ＝3.571+0.037＝3.609mm

测量相对误差：(3.609mm-3.598mm)/3.609mm×100％＝0.304％

Claims (2)

1.一种自动在线测径的方法，其特征是将平行激光光束照射高调制度低密度位相光栅(G)，经会聚透镜(L1)，在会聚透镜(L1)的像平面上得到的光场分布为一列衍射光斑，被测工件置于会聚透镜(L1)的像平面上，并作一定幅度的横向振动，会聚透镜(L2)将衍射光斑及工件的像经二次傅里叶变换投射到光电二极管阵列上，在光电二极管阵列上形成衍射光斑的像及被工件遮挡形成的阴影，根据被遮挡的光斑数和二光斑的间距，及结合计算机对光电二极管阵列连续扫描的结果和分析得出工件横向振动的运动状态，从而进行内插值计算，算出被测工件精确的径值。

2.一种自动在线测径装置，其特征是主要包括一个激光器(I)，在激光器(I)的光路前方有高调制度低密度位相光栅(G)，在光栅(G)的光路前方依次有两个会聚透镜(L1，L2)，光栅(G)与会聚透镜(L1)的距离为会聚透镜(L1)的前焦距(f₁)，两会聚透镜(L1，L2)间的距离为会聚透镜(L1)的后焦距(f₁)与会聚透镜(L2)前焦距(f₂₁)之和，被测工件可置于会聚透镜(L1)和会聚透镜(L2)的共焦平面上，在会聚透镜(L2)的光路前方置有光电二极管线阵列，会聚透镜(L2)将衍射光斑经二次傅里叶变换投影到光电二极管阵列上，并且使光电二极管与衍射光斑一一对应。

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