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线缆激光测径仪的测量原理

2017-03-25上海通昊工贸发展有限公司

  激光测径仪,这也是用得较多的一种,在国外以beta公司开发较早。

  测径仪概述

  测径仪大至分激光扫描测径仪,CCD投影测径仪,激光衍射测径仪,其中前两者都属光学的几何原理,后者为利用光学的波动原理。

  激光扫描测径仪,这也是用得较多的一种,在国外以beta公司开发较早,而国内以上海通昊工贸有限公司和明锐科技开发相关设备较早。CCD投影测量径仪,由于电机速度毕竟有限,而且扫描的平行光带不太容易保证,再加上现在平行光管与CCD的技术的发展,现在很多企业开始采用CCD成像法测量直径,在国内以上海欧勒在这方面做得较早,其光源采用波长较长的红外光,抗干扰较强,由于少了许多机械件,所以设备较稳定可靠,但CCD成像受相素的制约,在精度上不太容易拓展,特别是大直径的物体测量,但又不能太细,太细会有扫描测径仪相同的问题。

  激光衍射测径仪,利用衍射原理测量细线的直径,此技术与前两项刚好相反,只适用于测小直径的细丝,而且越细越好,因为此技术是利用衍射原理,理论只有当波长与被测物相近或大于被测长物时衍射最明显。据网上查询,目前辉煌在这方面处于领先地位,其产品在测量5um到300um的细丝是没问题的,根据其广告宣传最大可以测量到500um。其精度由于限于标准样件和测试环境的影响,现在只有0.2um左右,但其重复精度相当高,这是细丝测径仪的一个发展方向。

  在大直径测量方面, 据广告资料显示,现在市场上明锐做的测径仪最大已经可以测量400mm,而真尚有测径仪通过多传感器协同工作也可测直径高达500mm,上海共久电气有限公司测径仪通过双光路边缘测量原理,已经实现1600mm最大外径测量,并以在大型管道行业投入应用。大直径测量主要有两个方向,一个是通过双镜头实现,但这样会牺牲一些小直径的测量范围,另一种是通过单镜片实现,但这样对镜头的加工难度和质量保证及成本控制上提出较大要求。

  测量原理

  目前,国内比较常用的两种非接触测量方法,一种是基于CCD器件接收光信号的测量方法,另一种是激光扫描测量方法。两种方法各有各的优势以及劣势,下面让我们来看看他们的基本工作原理。

  第一种测量原理:CCD尺寸测量

  CCD尺寸测量系统基本都由CCD像传感器、光学系统、微机数据采集和处理系统组成,我们先来看一下采用CCD测量的基本原理:

  线阵CCD平行光法进行非接触测量的基本原理:将线阵CCD置于平行光路,被测物放于CCD前方光路中,射向CCD的光就被物体挡住一部分,因此CCD输出的信号就有一个凹口。显然,凹口的宽度与物体的尺寸有一一对应的关系,我们利用数字电路设计和计算机处理就很容易的得到凹口对应的CCD像元数,从而计算出被测物体的尺寸。但是我们也很容易的发现一个问题:这种测量方法要求CCD光敏区的长度大于被测物体的尺寸,而大尺寸的CCD特别昂贵,所以必须通过其他方法来实现光的接收。

  CCD尺寸测量基本原理

  显然CCD接收法它具有一些独特的一般机械式、光学式、电磁式测量仪无法比拟的优点,这与CCD本身的自扫描高分辨率高灵敏度结构紧凑位置准确的特性密切相关。其中关键的技术就是光学系统的设计和CCD输出视频信号的采集与处理。但是也存在着很多常见的问题,诸如结构复杂、成本高等缺点。下面让我们来看一下,CCD测量的方法有哪些缺点:

  (1)采用CCD接收然后转换成数字信号的方法,测量的精度受限于CCD像元的大小!我们知道CCD像元不管哪个部位接收到光,都会将接收到的光信号转化成电信号,从而制约了CCD测量方法的测量精度。当然我们也可以采用尽量小的CCD像元,使它的测量误差尽量减小。但我们也知道,CCD的像元越小,CCD的成本就越高,这是一个没办法回避的矛盾!

  (2)同时,由于我们知道,CCD光敏区一般为28mm,这就直接限制了被测物体的大小,系统的型号受限。

  (3)衍射。我们知道,衍射在精密测量中是无法回避的问题。而在这里我们的CCD像元不是连续的,是一个一个像元互相紧密排列组成的,而由于衍射造成的光的传播不是直线的,结果就很容易出现很大的误差。

  第二种测量原理:激光扫描测量

  激光扫描测径仪系统采用激光器发出的光束通过多面体扫描转镜和扫描光学系统后,形成与光轴平行的连续高速扫描光束,对被置于测量区域的的工件进行高速扫描,并由放在工件对面的光电接收器接收,投射到光电光电接收器上的光线在光束扫描工件时被遮断,所以通过分析光电接受器输出的信号,可获得与工件直径有关系的数据。

  为保证测量的高精度以及可靠性,光扫描计量系统必须满足以下三点基本要求:

  (1)激光束应垂直照射被测物体表面;

  (2)光束必须对物体表面做匀速直线扫描运动;

  (3)扫描时间必须测的很准确。

  而在现实情况下,扫描速度并不是常数,而是随扫描转镜的角位移的变化而变化,这样就会产生原理误差。

  综上所述,我们可以看出,使用CCD进行测量的这种方法有它的优点,但同时也有它自己无法克服的缺点。再看利用激光扫描测量直径的方法,虽然会出现如扫描速度达不到均匀而产生的原理误差,但是我们可以利用算法的不同降低这部分误差。

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