CN1529121A - 无扫描物镜的光学扫描外径测量系统及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种无扫描物镜的光学扫描外径测量系统及其测量方法，该系统由两个或两个以上无扫描物镜的光学扫描单元构成，各单元相对或按任意角度安装，每个单元由光源、准直镜、扫描转镜、接收物镜、光电接收器依次相互连接组成，光电接收器还通过信号线与计算机相连接。该方法是以任意两单元为一组，扫描转镜反射中心点之间的距离为l₀，被测物体对光线偏转中心张角分别为2θ₁、2θ₂，被测物体重心和扫描转镜反射中心点之间连线与扫描转镜反射中心点之间连线的夹角分别为α₁、α₂，按照下述方式测量被测物体直径d：d＝2kl₀，其中，k＝1/(cosα₁/sinθ₁+cosα₂/sinθ₂)。本发明无扫描物镜，制造相对容易，实现了系统误差的计算机数值补偿，工作稳定性好，可靠性高，安装调试及维护方便，成本低。

Description

无扫描物镜的光学扫描外径测量系统及其测量方法

                          技术领域

本发明涉及几何量测量设备技术领域，具体是指一种无扫描物镜的光学扫描外径测量系统及其测量方法。

                          背景技术

已有的光学扫描外径测量系统由光源、准直镜、反射转镜、扫描物镜、接收物镜和光电器件组成，其工作过程为：光源发出的光线经准直镜准直后，投射在偏转镜上成为偏转光线，再经扫描物镜后为扫描测量光线，扫描光线被测量物遮挡形成阴影，接收并测量阴影宽度，即可求出物件尺寸。现有技术在设计制造和实用中存在以下问题：

1.扫描系统精度主要取决于高精度的扫描物镜的加工和安装精度，原理方案上，由于存在因扫描物镜设计、制造而存在的误差难以完全补偿，高精度前提下的动态测量范围受限。

2.上述扫描物镜设计、制造和装配都比较困难，故生产效率低、制造成本高，限制了设备推广使用。

3.系统使用时，由于温度变化影响扫描物镜精度，实际使用时系统对环境要求高，在一般生产环境中，系统可靠性不高。

4.测量范围受制于扫描物镜尺寸，扩大量程有较大困难。

                          发明内容

本发明的目的就是为了解决上述现有技术中存在的不足之处，提供一种无扫描物镜的光学扫描外径测量系统及其测量方法，该系统制作工艺简单，安装调试方便、容易扩充测量范围，优良的性能价格比使其能够更有效地推广至各类线材生产的检测控制过程。

本发明所述一种无扫描物镜的光学扫描外径测量系统，其特征是，它由两个或两个以上无扫描物镜的光学扫描单元构成，各单元相对或按任意角度安装，每个单元由光源、准直镜、扫描转镜、接收物镜、光电接收器依次相互连接组成，光电接收器还通过信号线与计算机相连接。

为了更好地实现本发明，所述扫描转镜与接收物镜之间还可以增加有平面反射镜；所述光源是激光光源或LED光源；所述扫描转镜有一个或多个，扫描转镜有一个或多个反射面；所述接收物镜是反射式或折射式或上述两者的组合；所述光电接收器前可以加装滤光片或防尘保护性玻璃或其它透明材料制作的防护装置或上述装置的组合；所述扫描转镜前或后可以加装防尘保护性玻璃或其它透明材料制作的防护装置。

本发明所述一种无扫描物镜的光学扫描外径测量方法，其特征是，采用本发明所述一种无扫描物镜的光学扫描外径测量系统扫描被测物体，以任意两单元为一组，构成测量系统，设两扫描转镜反射中心(或等效中心)点之间的距离为l₀，被测物体对光线偏转中心张角分别为2θ₁、2θ₂，被测物体中心和两扫描转镜反射中心(或等效中心)点之间连线与扫描转镜反射中心(或等效中心)点之间连线的夹角分别为α₁、α₂，按照下述方式测量被测物体直径d：

即d＝2kl₀，其中，k＝1/(cosα₁/sinθ₁+cosα₂/sinθ₂)

为了更好地实现本发明，可以通过下述方式进行多次测量采样，确定α₁、α₂：

即sinθ₁sinα₁＝sinθ₂ sinα₂。

本发明使用双路(多路)测量方案，理论和技术上可有效消除原理误差的影响，同时避免已有技术中高精度线性扫描物镜加工、调试及维护所带来的困难，调试与维护方便，可达较高的测量精度(1um)，制造成本相对降低，便于推广至一般应用场合。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1.本发明无扫描物镜，使用一个球差得到良好校正的准直透镜，不存在轴外像差，扫描点在轴上和轴外的一致性较好，便于调整，对光瞳位置要求相对降低，制造相对容易。

2.本发明使用两个扫描单元组合结构，原理上不存在不确定的系统误差，也不存在扫描物镜残余像差的影响，容易进行较完善的系统误差补偿，实现了系统误差的计算机数值补偿。

3.本发明由于没有扫描物镜，影响测量的敏感环节减少，实际使用的工作稳定性好，可靠性提高，测量只与角速度有关，而与测量场处扫描线速度无直接关系，与传统有扫描物镜时的情景不同，后者要求扫描线速度恒定。

4.本发明使用两路(多路)扫描结构，有效消除系统误差，可在较大的动态范围，达到高的测量精度，适用于一般工厂环境下的在线检测，稳定性能较好。

5.本发明安装调试及维护更加简单方便，用于精密计量用途时，可以考虑使用相向结构(即α_i＝0)，能够达到较高精度，此时结构可以设计成独立单元形式，安装调试极为简单快捷。

6.本发明的制造成本有效降低。

                          附图说明

图1是本发明的组成单元结构原理图；

图2是本发明的由两个单元组成的扫描外径测量系统原理图；

图3是本发明的有两个单元组成的但只有一个扫描转镜的扫描外径测量系统原理图；

图4是现有系统的测量原理图。

                       具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明做进一步地详细说明。

如图1所示，每个单元由光源1、准直镜2、扫描转镜3、接收物镜5、光电接收器6依次相互连接组成，光电接收器6还通过信号线与计算机相连接。光源(激光光源或LED光源)1经准直镜2准直后投射在扫描转镜3上形成扫描光束，扫描光束扫描被测物体4后形成扫描阴影，经接收物镜5由其后的光电接收器6接收，处理电路将信号处理后送计算机，构成本发明的基本单元。扫描转镜3有一个或多个反射面，接收物镜5是反射式或折射式或上述两者的组合，光电接收器6前加装滤光片或防尘保护性玻璃或其它透明材料制作的防护装置或上述装置的组合，扫描转镜3前或后加装防尘保护性玻璃或其它透明材料制作的防护装置。如图4所示，本发明与现有系统相比，无扫描物镜1 3。

如图2所示，本发明系统由两个单元构成，即光源1、准直镜2、扫描转镜3、接收物镜5、光电接收器6和光源7、准直镜8、扫描转镜9、接收物镜10、光电接收器11组成的两个单元。每个单元结构上相对独立，并相对或根据三角测量法原理按任意角度安装，中央处理器(或计算机)在接收到来自两个单元的测量信号后，根据特定的测量方程，计算补偿后输出测量结果。

如图3所示，本发明系统引入了两个平面反射镜12，光源1、准直镜2、扫描转镜3只有一套，测量原理和效果与图2相同，结构更加紧凑，能够达到较高(微米级)的测量精度。在扫描转镜3后增加仅作为补偿性质的平板玻璃或具有微小曲率的补偿元件，仍是一种可行的结构。

本发明的测量原理是：设光线在两扫描转镜A、B反射中心点之间的距离为l₀，被测物体对光线偏转中心张角为2θ，由图中各几何量之间关系可以推出被测物体直径为：

d＝2kl₀                                                   (1)

式中，

k＝1/(cosα₁/sinθ₁+cosα₂/sinθ₂)                    (2)

方程(1)为本发明的测量方程。θ₁、θ₂可由计数电路直接得出，两测量主光轴夹角为(α₁+α₂)，实际方案实施时，为确定α₁、α₂，有以下校验方程

sinθ₁sinα₁＝sinθ₂sinα₂                            (3)

由式(3)通过多次测量采样，可判定基线AB的准确位置，α₁、α₂由此可准确判定。系统相关测量数据由计算机处理，从而可方便快捷地准确得出被测物体直径尺寸。

本发明系统的误差分析：

对式(1)右边分别关于θ_i和α_i(i＝1，2)微分，可求得由于角度测量引起的相对误差：

$\mathrm{\Δ}{d}_{{\mathrm{\θ}}_i}/d=k(\cos {\mathrm{\α}}_i\cos {\mathrm{\θ}}_i/{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_i)\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_i-----\left(4\right)$

Δd_αi/d＝-k(sinα_i/sinθ_i)Δα_i                      (5)

通过考察式(5)与式(4)的比值关系，可得出同等角度误差条件下引起直径测量误差的相对权重关系：

$|{\mathrm{\Δd}}_{{\mathrm{\α}}_i}/d|/|{\mathrm{\Δd}}_{{\mathrm{\θ}}_i}/d|=\tan {\mathrm{\θ}}_i\tan {\mathrm{\θ}}_i|({\mathrm{\Δ\α}}_i/\mathrm{\Δ\θ}){|}_i------\left(6\right)$

如上所述，即可较好地实现本发明。

Claims (8)

1.一种无扫描物镜的光学扫描外径测量系统，其特征是，它由两个或两个以上无扫描物镜的光学扫描单元构成，各单元相对或按任意角度安装，每个单元由光源、准直镜、扫描转镜、接收物镜、光电接收器依次相互连接组成，光电接收器还通过信号线与计算机相连接。

2.根据权利要求1所述的一种无扫描物镜的光学扫描外径测量系统，其特征是，所述扫描转镜与接收物镜之间安装有平面反射镜。

3.根据权利要求1所述的一种无扫描物镜的光学扫描外径测量系统，其特征是，所述光源是激光光源或LED光源。

4.根据权利要求1所述的一种无扫描物镜的光学扫描外径测量系统，其特征是，所述扫描转镜有一个或多个，扫描转镜有一个或多个反射面，所述扫描转镜前或后安装有防尘保护性玻璃或其它透明材料制作的防护装置。

5.根据权利要求1所述的一种无扫描物镜的光学扫描外径测量系统，其特征是，所述接收物镜是反射式或折射式或上述两者的组合。

6.根据权利要求1所述的一种无扫描物镜的光学扫描外径测量系统，其特征是，所述光电接收器前加装滤光片或防尘保护性玻璃或其它透明材料制作的防护装置或上述装置的组合。

7.一种无扫描物镜的光学扫描外径测量方法，其特征是，采用权利要求1所述一种无扫描物镜的光学扫描外径测量系统扫描被测物体，以任意两单元为一组，构成测量系统，设两扫描转镜反射中心或等效中心点之间的距离为l₀，被测物体对光线偏转中心张角分别为2θ₁、2θ₂，被测物体中心和两扫描转镜反射中心或等效中心点之间连线与扫描转镜反射中心或等效中心点之间连线的夹角分别为α₁、α₂，按照下述方式测量被测物体直径d：

即d＝2kl₀，其中，k＝1/(cosα₁/sinθ₁+cosα₂/sinθ₂)。

8.根据权利要求7所述的一种无扫描物镜的光学扫描外径测量方法，其特征是，通过下述方式进行多次测量采样，确定α₁、α₂：

即sinθ₁sinα₁＝sinθ₂sinα₂。

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