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譯文:
激光測徑儀的發(fā)展
Daisuke Knono
測徑儀大至分激光掃描測徑儀,CCD投影測徑儀,激光衍射測徑儀,其中前兩者都屬光學(xué)的幾何原理,后者為利用光學(xué)的波動原理。
CCD投影測量徑儀,由于電機(jī)速度畢竟有限,而且掃描的平行光帶不太容易保證,再加上現(xiàn)在平行光管與CCD的技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)在很多企業(yè)開始采用CCD成像法測量直徑,在國內(nèi)以上海歐勒在這方面做得較早,其光源采用波長較長的紅外光,抗干擾較強(qiáng),由于少了許多機(jī)械件,所以設(shè)備較穩(wěn)定可靠,但CCD成像受相素的制約,在精度上不太容易拓展,特別是大直徑的物體測量,但又不能太細(xì),太細(xì)會有掃描測徑儀相同的問題。
激光衍射測徑儀,利用衍射原理測量細(xì)線的直徑,此技術(shù)與前兩項(xiàng)剛好相反,只適用于測小直徑的細(xì)絲,而且越細(xì)越好,因?yàn)榇思夹g(shù)是利用衍射原理,理論只有當(dāng)波長與被測物相近或大于被測長物時衍射最明顯。據(jù)網(wǎng)上查詢,目前輝煌在這方面處于領(lǐng)先地位,其產(chǎn)品在測量5um到300um的細(xì)絲是沒問題的,根據(jù)其廣告宣傳最大可以測量到500um。其精度由于限于標(biāo)準(zhǔn)樣件和測試環(huán)境的影響,現(xiàn)在只有0.2um左右,但其重復(fù)精度相當(dāng)高,這是細(xì)絲測徑儀的一個發(fā)展方向。
在大直徑測量方面, 據(jù)廣告資料顯示,現(xiàn)在市場上明銳做的測徑儀最大已經(jīng)可以測量400mm,而真尚有測徑儀通過多傳感器協(xié)同工作也可測直徑高達(dá)500mm,上海共久電氣有限公司測徑儀通過雙光路邊緣測量原理,已經(jīng)實(shí)現(xiàn)1600mm最大外徑測量,并以在大型管道行業(yè)投入應(yīng)用。大直徑測量主要有兩個方向,一個是通過雙鏡頭實(shí)現(xiàn),但這樣會犧牲一些小直徑的測量范圍,另一種是通過單鏡片實(shí)現(xiàn),但這樣對鏡頭的加工難度和質(zhì)量保證及成本控制上提出較大要求。
測量原理
目前,國內(nèi)比較常用的兩種非接觸測量方法,一種是基于CCD器件接收光信號的測量方法,另一種是激光掃描測量方法。兩種方法各有各的優(yōu)勢以及劣勢,下面讓我們來看看他們的基本工作原理。
第一種測量原理:CCD尺寸測量
CCD尺寸測量系統(tǒng)基本都由CCD像傳感器、光學(xué)系統(tǒng)、微機(jī)數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)組成,我們先來看一下采用CCD測量的基本原理:
線陣CCD平行光法進(jìn)行非接觸測量的基本原理:將線陣CCD置于平行光路,被測物放于CCD前方光路中,射向CCD的光就被物體擋住一部分,因此CCD輸出的信號就有一個凹口。顯然,凹口的寬度與物體的尺寸有一一對應(yīng)的關(guān)系,我們利用數(shù)字電路設(shè)計和計算機(jī)處理就很容易的得到凹口對應(yīng)的CCD像元數(shù),從而計算出被測物體的尺寸。但是我們也很容易的發(fā)現(xiàn)一個問題:這種測量方法要求CCD光敏區(qū)的長度大于被測物體的尺寸,而大尺寸的CCD特別昂貴,所以必須通過其他方法來實(shí)現(xiàn)光的接收。
CCD尺寸測量基本原理
顯然CCD接收法它具有一些獨(dú)特的一般機(jī)械式、光學(xué)式、電磁式測量儀無法比擬的優(yōu)點(diǎn),這與CCD本身的自掃描高分辨率高靈敏度結(jié)構(gòu)緊湊位置準(zhǔn)確的特性密切相關(guān),其中關(guān)鍵的技術(shù)就是光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計和CCD輸出視頻信號的采集與處理,但是也存在著很多常見的問題,諸如結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高等缺點(diǎn)。下面讓我們來看一下,CCD測量的方法有哪些缺點(diǎn):
(1)采用CCD接收然后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的方法,測量的精度受限于CCD像元的大小!我們知道CCD像元不管哪個部位接收到光,都會將接收到的光信號轉(zhuǎn)化成電信號,從而制約了CCD測量方法的測量精度。當(dāng)然我們也可以采用盡量小的CCD像元,使它的測量誤差盡量減小。但我們也知道,CCD的像元越小,CCD的成本就越高,這是一個沒辦法回避的矛。
(2)同時,由于我們知道,CCD光敏區(qū)一般為28mm,這就直接限制了被測物體的大小,系統(tǒng)的型號受限。
(3)衍射,我們知道衍射在精密測量中是無法回避的問題。而在這里我們的CCD像元不是連續(xù)的,是一個一個像元互相緊密排列組成的,而由于衍射造成的光的傳播不是直線的,結(jié)果就很容易出現(xiàn)很大的誤差。
第二種測量原理:激光掃描測量
激光掃描測徑儀系統(tǒng)采用激光器發(fā)出的光束通過多面體掃描轉(zhuǎn)鏡和掃描光學(xué)系統(tǒng)后,形成與光軸平行的連續(xù)高速掃描光束,對被置于測量區(qū)域的的工件進(jìn)行高速掃描,并由放在工件對面的光電接收器接收,投射到光電光電接收器上的光線在光束掃描工件時被遮斷,所以通過分析光電接受器輸出的信號,可獲得與工件直徑有關(guān)系的數(shù)據(jù)。為保證測量的高精度以及可靠性,光掃描計量系統(tǒng)必須滿足以下三點(diǎn)基本要求:
(1)激光束應(yīng)垂直照射被測物體表面;
(2)光束必須對物體表面做勻速直線掃描運(yùn)動;
(3)掃描時間必須測的很準(zhǔn)確。
而在現(xiàn)實(shí)情況下,掃描速度并不是常數(shù),而是隨掃描轉(zhuǎn)鏡的角位移的變化而變化,這樣就會產(chǎn)生原理誤差。
綜上所述,我們可以看出,使用CCD進(jìn)行測量的這種方法有它的優(yōu)點(diǎn),但同時也有它自己無法克服的缺點(diǎn)。再看利用激光掃描測量直徑的方法,雖然會出現(xiàn)如掃描速度達(dá)不到均勻而產(chǎn)生的原理誤差,但是我們可以利用算法的不同降低這部分誤差。
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