线径的激光投影成像差动测量方法与系统分析

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1、湖北工业大学硕士学位论文触式测量和非接触式测量两类。目前，接触式测量主要是各种机械测量方法，非[1][2]接触式测量主要是各种光电测量方法。1.2.1接触式测量法接触式测量是一种较为成熟的直径测量方法，它具有原理简单、使用方便等优点。主要包括卡尺法、千分尺测量法、π尺法、经纬仪测量法、滚轮法、弓高[3][4]弦长法和三坐标机测量法等。接触式测量法虽然应用比较广泛，但由于接触力的存在，接触式测量仪易对被测件表面造成损伤，并且难以实现在线测量，测量效率低，这就很难实现加工与测量的自动化，给工业自动化发展带来了困难。所以在测量细圆柱体直径时，当对测量

2、精度和测量效率都有高精度要求，并需要防止对工件表面的磨损时，接[3]触式测量方法不能很好的适用于这种测量场合。1.2.2非接触式测量法非接触式测量法在细圆柱体直径测量中应用十分广泛，主要有称重法、非接触式坐标测量法、显微镜测量法和各种光电测量法。光电检测技术是应用最为广泛的非接触测量技术，因其采用非接触测量的方式，可在不改变被测物体性质的条件下进行检测，所以能达到最小程度的影响被测对象的整体行为的目的，并能通过图像信息显示出待测对象的大量信息。目前，国内外出现的光电式直径测量仪器中，一般采用下列几种方法：超声波测量法、激光多普勒效应测量法、激光

3、衍射法、干涉法、扫描法、投影成像法等。1.2.2.1超声波测量法利用超声波测量出两探测器与工件表面距离，便可得知被测直径的大小。本方法测量精度较高，可达±20Pm。缺点是仪器结构及操作比较复杂，价格昂贵，不适于现场使用。1.2.2.2激光多普勒测量法在激光多普勒技术发展初期，这种测量方法主要被应用于气体或者液体的流[4][6]速测量。如果将被测体表面微观粒子当作测量对象来考虑，则被测体表面粒子的运动可以近似看作流动轨迹为回转曲线的流体运动，则其测量原理与流体测量[7][8][9]近似。测量光路如图1.1所示。2湖北工业大学硕士学位论文图1.1基

4、于激光多普勒效应的回转体直径测量被测体半径为R，转速为n。激光器L所发出的波长为632.8nm的激光经过分光棱镜BS后，一束光LB沿原方向传播，另一束光LA沿与原光路成90°方向传播，经峰值波长为632.8nm的单波长介质膜高反镜M1反射后与LB平行。之后LA和LB两束光经过聚焦透镜会聚在被测体表面P点。同时使用聚焦透镜L2收集P点发出的携带有多普勒频移的散射光，再由峰值波长为632.8nm的单波长金属高反镜M2将收集到的散射光反射至聚焦透镜L1上，其中，在到达L1之前散射光要经过一个孔径光阑D2，最大限度滤除噪声光。L1将散射光汇聚至光电检测

5、器表面进行外差检测，从而测出多普勒频移,设回转体转速n，激光波长λ,透镜焦距f，两光束间距的一半d都为已知量,则只需探测出两光束多普勒频移的差值f即可求出回转体半径R：D22fdfl+DR=（1-1）4pnd该方法测量精度高、不确定度小、结构简单紧凑，但是对与之匹配的光学器件的要求很高，常规条件下难以达到。1.2.2.3激光衍射法光的衍射原理可以广泛应用于尺寸小于200μｍ的工件的测量。1972年加拿大国家研究所的T.R.Pryer提出了激光衍射计量方法，这是一种利用激光衍射条纹的变化来精密测量长度、角度、轮廓的一种全场计量方法。用这种方法测量

6、精[10][11]确度高、速度快，操作简单，性能稳定。图1.2是激光衍射法的测量原理。半导体激光器（LD）的出射激光束经过光阑后垂直照射到XOY面上的待测细圆柱体上，衍射光场经过物镜聚焦后由焦平面上的CCD接收，CCD接收的衍射信号送入计算机处理，即可得到细圆柱体的直径d。式(1-2)是光学衍射细圆柱体直径测量的传统测量模型。dsinq=nl（1-2）式中：n——暗条纹的阶数；θ——衍射角。3湖北工业大学硕士学位论文图1.2激光衍射测量原理激光衍射法可以实现单点测量，测量直观方便，速度快，成本低，易于在线测量，尤其是在细圆柱体直径很小的情况下(

7、1~1000μm)，衍射测量的优点更加突出。但是由于传统的光学衍射模型是基于标量场的夫琅和费近似条件的近似公式，[12][13]用于测量时会产生较大的误差，其相对测量误差一直大于1%。1.2.2.4激光扫描法激光扫描法也是目前较为常用回转体直径测量的一种方法，其测量原理如图1.3所示。由激光器发出的光束，经反射镜照射到扫描反射棱镜上，扫描反射棱镜由同步电机带动作匀速旋转，反射光束以恒定的角速度扫过透镜1，透镜1使光束成为平行扫描光束，并扫过待测的工件，光束经过透镜2被光电探测器接收，光[14][15]电探测器产生一个随时间变化的光电信号输出。若

8、无被测件，光电检测器接收到的光信号为连续信号；若有被测件，则光电检测器所接受到的光信号会出现中断，只需要测得中断时间ΔT，再根据棱镜的回转速度w，即可