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2、测中的应用戴 蓉(武汉汽车工业大学测控系,武汉 430070)摘 要 介绍激光轮廓测量的工作原理、测量装置、主要特点及应用。主题词 激光技术 光学 管道检测 表面检测APPLICATIONOFLASERPROFILOMETRYTONONDESTRUCTIVETESTINGDai Rong(WuhanAutomotivePolytechnicUniversity)Abstract Laserprofilometrywasintroducedincludingitsbasicprinciple,.applicationsKeywords Lasertechnique Op
3、tics Tubeinspection Surfaceinspectionapparatus,featuresand 激光轮廓测量技术于80年代中期开始用于无损检测领域,经过十几年的发展,目前已被公认为一种准确高效的表面无损检测技术[1]。目前,激光轮廓测量技术主要用于管道的探伤。与管道检测常用的涡流法和超声法相比,激光轮廓测量技术具有检测效率高、检测精度高、采样点密集、空间分辨力高、非接触式检测、可提供定量检测结果和被检管道任意位置横截面显示图、轴向展开图、三维立体显示图等优点。该技术目前已成功地用于锅炉管道、热交换器管道、重整炉管道、火箭发动机喷管、石化提炼炉管
4、道、枪炮管、焊缝以及航空和汽车行业用的橡胶管和陶瓷产品的检测。可以预见,随着工程技术领域对检测精度和检测效率要求的不断提高,激光轮廓测量技术的应用将日益广泛。(a)(b)1 测量原理激光轮廓测量技术利用了光学三角测量的基本原理。图1a,b所示为光学三角测量的两种光路图[2]。半导体激光器发射的光经聚光镜投射到被测物体表面,激光投射点的直径一般为0.25～0.5mm,需要时可缩小到0.025mm,从而保证了高分辨力的检测需要。图1a的光路用于光滑镜面物体的检测,从物体表面反射的光线通过成象透镜成象;图1b的光路用于非镜面物体的检测,激光垂直入射,由物体表面漫反射的光线通
5、过成象透镜进行成象。在象面上放置横向光电效应传感器件接收成象光?400??1995-2004TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.(c)图1 测量原理图线,将光信号转换成电信号。图1c所示为光电传感器件的工作原理。设成象光线照射在传感器的接收面上形成光点,在P点产生大小为I的光电流,在器件两侧的电极A和B上将分别输出电流IA和IB,IA的大小正比于P点到电极B的距离,IB的大小正比于P点到电极A的距离,即IIA=L2+XL(1)标准分享网www.bzfxw.com免费下载戴 蓉:激光轮廓测量技术在无损
6、检测中的应用IIB=L2-XL(2)如将IA和IB进行相加和相减然后相除的运算,则可得IA-IB2X(3)D==IA+IBL因此,如果用适当的信号处理线路测出D,就可得到光点坐标X值,它反映了光点在象面上的位置。如果激光照射点处物体表面的高度R发生了变化,则成象光点在象面上的位置也相应改变,从而引起传感器输出电信号变化,因为X与R间基本满足一一对应的线性关系,由此可测出物体各点高度值R。可将物面成象点高度R与象点坐标X的关系表示成234(4)R=R0+R1X+R2X+R3X+R4X式中 R0～R4——测量范围内多次采样所获得的校准数据除了采用横向光点效应传感器外,也可
7、采用固体耦合摄象器件(CCD)或光电二极管阵列传感器测量象点位置,但比较而言,横向光电效应传感器具有位置分辨力高、响应速度高和应用电路简单的优点。2 系统组成激光轮廓测量技术的发展得益于现代微型光学、微电子学和计算机数字图象处理和显示技术的迅速发展。测量系统主要包括激光扫描探头、运动控制和定位系统、数据采集和分析系统三个部分[3]。图2a为激光扫描探头示意图,它由光学腔、电子腔和驱动腔三个部分组成,可探测内径仅为5mm的细管道。光学腔内主要有激光源、光学系统和光电传感器,它位于探头的前部。检测时光学腔高速旋转,从而实现对管内壁的周向扫查,光学腔的旋转
