内径尺寸光电位移检测系统设计_杨崇波
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【CN109855545A】一种基于光波测位移的伸缩机构【专利】
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910262317.5(22)申请日 2019.04.02(71)申请人 中国科学院国家天文台地址 100101 北京市朝阳区大屯路甲20号(72)发明人 吴明长 甘恒谦 张海燕 姜鹏 (74)专利代理机构 北京邦创至诚知识产权代理事务所(普通合伙) 11717代理人 张宇锋(51)Int.Cl.G01B 11/02(2006.01)(54)发明名称一种基于光波测位移的伸缩机构(57)摘要本发明公开了一种基于光波测位移的伸缩机构，包括：固定部分和运动部分，运动部分为伸缩杆，伸缩杆的顶端设置有反射板或标志板，固定部分的底部外侧设置有设备舱，设备舱内设置有光学测距设备；光学测距设备的光源方向朝向反射板或标志板。
本发明适用于伸缩机构位移较大的场合，成本和技术难度受测量范围影响很小；由于采用的是非接触式测量，所以寿命不受摩擦的影响；本发明可以实现激光技术所能达到的测量精度，可以满足多数工业应用场合的需要。
此外，本申请中由于位移测量部件集中在设备舱内，油缸和活塞杆内可以不涉及任何电气部件，全部电气部件可以集中在电气舱内，因此大大方便了维护工作和电磁兼容措施。
权利要求书1页 说明书4页 附图4页CN 109855545 A 2019.06.07C N 109855545A权 利 要 求 书1/1页CN 109855545 A1.一种基于光波测位移的伸缩机构，其特征在于，包括：固定部分和运动部分，所述运动部分为伸缩杆，所述伸缩杆的顶端设置有反射板或标志板，所述固定部分的底部外侧设置有设备舱，所述设备舱内设置有光学测距设备；所述光学测距设备的光源方向朝向所述反射板或标志板。
2.根据权利要求1所述的基于光波测位移的伸缩机构，其特征在于，所述光学测距设备和所述反射板或标志板之间的光路上设置有光路保护管，所述光路保护管的顶部设置有透明玻璃盖。
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(2)激光探头内径测量系统总体结构 激光探头内径测量系统总体结构如图 6所示 。 半导体激光器经光学准直系统发出准直光束经发射 光学系统后 , 形成 在被测量面直径 小于 0.2mm的
图 6 激光探头内径测量系统结构图
为完成内径尺寸的非接触自动检测 , 我们在计 算机平台上配置用于直线 、回转运动步进电机控制 的 ISA总线步进电机控制卡 、激光探头内径测量系 统数据 通 信的 串 行 口 (RS-232)扩 展卡 等 硬 件 单元 。
内径尺寸光电位移检测系统设计
杨崇波1 , 付 强 2
(1.长春工程学院 设计研究院 , 长春 130012;2.长春理工大学 , 长春 130022)
摘 要 :根据小型孔类零件结构特点 , 同时依据光电
位置敏感器 (PSD)和光三角检测原理 , 提出了一种
内径尺寸激光非接触测量方法 , 并据此设计出激光
半导体激光器 1发出的激光光束经过光学准直 系统 2形成准直光束 , 经光束转向光学系统 3、反射 镜 4后 , 垂直入射到内径某截面上 , 其漫反射光经反
射镜 4后和接收成像光学系统 5后 , 成像到光电位 置传感器 PSD6 上 , 根据像点在光 电位置传感器上 成像的位置 , 由信号处理系统 7处理后 , 送入数据处
角度 θi(i=1, 2, 3, …, N)测量出一个 ρi值 , 由这组
数据可以得到内径最大 、最小 、平均值 。
3 系统结构设计
光点 , 漫反射光线经接收光学系统后成像到光电位 置敏感器 PSD光敏面上 。 从 PSD产生的两路光电 流信号经前置放大 、滤波及电流 /电压变换等信号处 理 , 在此主要是去除干扰光及其它噪声信号 , 提高信 噪比 。经信号放大的电压信号经特征识别后在逻辑 控制单元的控制下 , 输入 A/D转换器进行模 /数转 换 , 产生两路信号的数字量 , 再由单片机系统进行数 据预处理和数据传输 , 然后再由串行通讯口送入计 算机 , 计算机依据数学模型进行系统误差修正 、测量 结果显示 、存贮和打印等 。同时 , 为了使接收信号对 不同的被测物表面都能稳定工作 , 对该系统通过两 路信号之和与预先设置的电平进行比较 , 对激光器 的驱动器电流值给予反馈 , 控制其光强使其波动范 围很小 。
δDi/mm 0.0
-0.01 -0.02 0.01 -0.01
X向 最大误差值
δDimax/mm
0.03
Y向 测量值
DYj/mm 24.99 24.99 25.00 25.01 25.00
Y向 标定值 DY/mm
25.00
Y向 误差值
δDj/mm -0.01 -0.01
0.0 0.01 0.0
Y向 最大误差值
探头光学测量系统 , 并对其测量原理进行了分析 。
关键词 :光电检测 ;光三角法 ;内径 ;非接触测量
中图分类号 :TP93
文献标识码 :A
文 章 编 号 :1009-8984(2008)01-0073-04
0 引言
光电检测利用光学原理进行精密测试一直是计 量检测技术领域中的主要方法 , 是当代先进技术之 一 。光电检测技术是一种非接触式测量技术 , 它以 光信号为载体 , 以位置敏感器 (PositionSensitiveDetector简称 PSD)、电荷藕合器件 (Chargecoupleddevices简称 CCD)和二极管阵列 (DAD)、光电倍增管 (Photomultiplier, 简称 PMT)、光电二极管 (PIN)等光 电器件为基础 , 通过光电检测器件接收光信号并转 换为电信号 , 由输入电路 、放大滤波等检测电路提取 有用信息 , 再经 A/D变换接口输入计算机运算 、处 理 , 最后显示或打印输出所需检测物体的几何量或 物理量等参数 。 光电检测技术综合了现代光学 、电 子学 、精密机械 、计算机等多方面领域的知识 , 是目 前光电技术的重要组成部分 , 是现代检测技术中不 可替代的重要手段之一 。
δDjmax/mm
0.02
(标准件 2 采样 )
项目 位置
位置 1 位置 2 位置 3 位置 4 位置 5
X向
测量值
DXi/mm 49.97 49.98 49.95 49.95 49.96
X向 标定值 DX09-8984 C N 22 -1 32 3 /N
长春工程学院学 报 (自然科学版 )2008年 第 9卷 第 1期 J. Ch an gc hu nI ns t.T ec h. (N at .S ci. E di. ), 2008, Vol.9, No. 1
22 /26 73-7 6
(5)控制系统的软件设计 系统主要完成内径尺寸的检测 , 在检测过程中 激光测量系统需进行直线和回转运动 , 必须有一个 高性能的控制系统进行测量控制 、数据处理 、结果显 示 , 所以采 用了虚 拟仪器 来进 行计 算机 数据处 理 工作 。 根据工件孔径的特点 , 由伺服控制系统带动激 光检测系统直线运动 , 当到达某 一点时 , 对 该界面 X, Y方向 (X⊥Y)进行测量 , 转动系统带动激光检测 系统进行 360°回转运动 , 测得相应数据 , 对应测得
(3)
令 C′A′=S, 代入式 (3)并整理 , 得
H=l′0 sin(α+θS)l0+sin Sβ·co ss inθ(α+θ+β )
(4)
式中 :l0 ———接收光学系统 6的物距 ;
l′0 ———接收光学系统 6的像距 ;
S———目标面在 PSD敏面上成像的像点位置 。
由于设计时已根据 θ、α、f′、l0、l′0 、β 确定了光学 系统的相对关系 。由式 (4)可知 , 根据 S可求出 H。
个电极上就有不同的电信号输出 , 其差值是 S坐标 的函数 , PSD的等效电路模型如图 3所示 。
图 3 PSD等效电路模型
取两极中间位置为原点 , 则 S可由下式确定 :
S=II11 -+II22 ·
(R+2RL)· 2R
L
式中 :L——— PSD有效敏感面长度 ;
(5)
R——— PSD的总电阻 ;
76
长春工程学院学报 (自然科学版 )
2008, 9(1)
数据传输到计算机终端 。 重复上述过程测量其它截 面数据 。测量前面板及框图程序如图 7所示 。
本框图程序采用了串行口进行狭缝数据通信 。 首先初始化串行口 、步进电机控制节点 , 轴向移动采 用慢速 (1mm/s)设置 , 实际移动长度由采集卡的节 点输出 , 通过串行口扩展卡得到的检测数据 , 得到内 径尺寸的测量结果 。
本软件设计达到了令人满意的结果 。通过对步 进电机驱动控制 、串行通信及数据处理系统的模块 化 、工程化设计 , 完成了内径尺寸的非接触测量 。 设 计的计算机控制与数据采集系统界面直观 、控制方 便 、易于工作人员操作 。
4 实验结果
图 7 基于 LabVIEW内径尺寸测量前面板
下表 1是内径测量系统分别对 25.01mm(记 为标准件 1)及 49.98mm(记为标准件 2)2个孔标 准件内径某截面实测数据及测量极限误差 。
方为正 , 下方为负
由几何光学成像原理可得 :
-1l0 +l1′0 =f1′
(1)
74
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2008, 9(1)
f′=-f
(2)
由图 2可知 , -AAD′D ′′=-ODO′ D,
即
coHs-θ·C′A si′ n·(αsin +βθ)=
l′0 +C′A′· cosβ -l0 +coHsθ· cos(α+θ)
表 1 25.01 mm及 49.98 mm孔标准件内径实测数据及测量极限误差
(标准件 1 采样 )
项目 位置
位置 1 位置 2 位置 3 位置 4 位置 5
X向 测量值
DXi/mm 25.02 25.01 25.00 25.03 25.01
X向 标定值 DX/mm
25.02
X向 误差值
在 , 即目标面上点就不可能成像在 PSD像面上 , 从
而产生较大的测量误差 。为使不同位置尺寸的目标
面能在 PSD上精确成像 , 必须使 PSD与光轴成一定
角度 β。根据光学成像原理和光学符号规则 , 即物
点与像点的位置坐标以物 方或像方主点为 原点算
起 , 从左到右为正 , 反之为负 ;物高或像高在光轴上
RL———负载电阻 ;
I1 、I2 ——— PSD两极输出的光电流 。
若取 RL =0, 则式 (5)化为
S=II11 -+II22 ·
L 2
(6)
2 激光探头内径测量原理理论分析
图 2 光三角成像光学系统成像原理图
1.2 PSD上像点位置 S的确定 S的探测原理是利用 PSD器件的横向光电效应
来实现的 。 当一束光照射到 PSD的敏感面上时 , 两
l0 , l′0 ———接 收 成 像 光 学 系 统 5 的 物 距 和 像距 ;
S———被测点 O1在光电位置传感器 6上成像 的像点位置 。
激光探头内径测量系统的位置常数为 A, 则被
测内径截面与光探头 回转中心的长 度 ρ可由下式
确定 :
ρ=A+H
(8)
测量内径时 , 激光探头应旋转一周 , 每隔一定的
根据上述 理论分析 , 我 们设计 了一种 θ=0°, α=23°, β =35°, 测量范围为 24— 51mm, 分辨率 为 0.001mm的激光探头内径测量系统 。 其中对光 三角位移检测系统的光学系统进行改进 , 将原光路 通过光探针形式对孔的内径进行检测 , 其原理图如 图 4所示 。
图 4 激光探头内径测量系统原理图
图 1 光三角测量系统工作原 理图
图 6 激光探头内径测量系统结构图
为完成内径尺寸的非接触自动检测 , 我们在计 算机平台上配置用于直线 、回转运动步进电机控制 的 ISA总线步进电机控制卡 、激光探头内径测量系 统数据 通 信的 串 行 口 (RS-232)扩 展卡 等 硬 件 单元 。
内径尺寸光电位移检测系统设计
杨崇波1 , 付 强 2
(1.长春工程学院 设计研究院 , 长春 130012;2.长春理工大学 , 长春 130022)
摘 要 :根据小型孔类零件结构特点 , 同时依据光电
位置敏感器 (PSD)和光三角检测原理 , 提出了一种
内径尺寸激光非接触测量方法 , 并据此设计出激光
半导体激光器 1发出的激光光束经过光学准直 系统 2形成准直光束 , 经光束转向光学系统 3、反射 镜 4后 , 垂直入射到内径某截面上 , 其漫反射光经反
射镜 4后和接收成像光学系统 5后 , 成像到光电位 置传感器 PSD6 上 , 根据像点在光 电位置传感器上 成像的位置 , 由信号处理系统 7处理后 , 送入数据处
角度 θi(i=1, 2, 3, …, N)测量出一个 ρi值 , 由这组
数据可以得到内径最大 、最小 、平均值 。
3 系统结构设计
光点 , 漫反射光线经接收光学系统后成像到光电位 置敏感器 PSD光敏面上 。 从 PSD产生的两路光电 流信号经前置放大 、滤波及电流 /电压变换等信号处 理 , 在此主要是去除干扰光及其它噪声信号 , 提高信 噪比 。经信号放大的电压信号经特征识别后在逻辑 控制单元的控制下 , 输入 A/D转换器进行模 /数转 换 , 产生两路信号的数字量 , 再由单片机系统进行数 据预处理和数据传输 , 然后再由串行通讯口送入计 算机 , 计算机依据数学模型进行系统误差修正 、测量 结果显示 、存贮和打印等 。同时 , 为了使接收信号对 不同的被测物表面都能稳定工作 , 对该系统通过两 路信号之和与预先设置的电平进行比较 , 对激光器 的驱动器电流值给予反馈 , 控制其光强使其波动范 围很小 。
δDi/mm 0.0
-0.01 -0.02 0.01 -0.01
X向 最大误差值
δDimax/mm
0.03
Y向 测量值
DYj/mm 24.99 24.99 25.00 25.01 25.00
Y向 标定值 DY/mm
25.00
Y向 误差值
δDj/mm -0.01 -0.01
0.0 0.01 0.0
Y向 最大误差值
探头光学测量系统 , 并对其测量原理进行了分析 。
关键词 :光电检测 ;光三角法 ;内径 ;非接触测量
中图分类号 :TP93
文献标识码 :A
文 章 编 号 :1009-8984(2008)01-0073-04
0 引言
光电检测利用光学原理进行精密测试一直是计 量检测技术领域中的主要方法 , 是当代先进技术之 一 。光电检测技术是一种非接触式测量技术 , 它以 光信号为载体 , 以位置敏感器 (PositionSensitiveDetector简称 PSD)、电荷藕合器件 (Chargecoupleddevices简称 CCD)和二极管阵列 (DAD)、光电倍增管 (Photomultiplier, 简称 PMT)、光电二极管 (PIN)等光 电器件为基础 , 通过光电检测器件接收光信号并转 换为电信号 , 由输入电路 、放大滤波等检测电路提取 有用信息 , 再经 A/D变换接口输入计算机运算 、处 理 , 最后显示或打印输出所需检测物体的几何量或 物理量等参数 。 光电检测技术综合了现代光学 、电 子学 、精密机械 、计算机等多方面领域的知识 , 是目 前光电技术的重要组成部分 , 是现代检测技术中不 可替代的重要手段之一 。
δDjmax/mm
0.02
(标准件 2 采样 )
项目 位置
位置 1 位置 2 位置 3 位置 4 位置 5
X向
测量值
DXi/mm 49.97 49.98 49.95 49.95 49.96
X向 标定值 DX09-8984 C N 22 -1 32 3 /N
长春工程学院学 报 (自然科学版 )2008年 第 9卷 第 1期 J. Ch an gc hu nI ns t.T ec h. (N at .S ci. E di. ), 2008, Vol.9, No. 1
22 /26 73-7 6
(5)控制系统的软件设计 系统主要完成内径尺寸的检测 , 在检测过程中 激光测量系统需进行直线和回转运动 , 必须有一个 高性能的控制系统进行测量控制 、数据处理 、结果显 示 , 所以采 用了虚 拟仪器 来进 行计 算机 数据处 理 工作 。 根据工件孔径的特点 , 由伺服控制系统带动激 光检测系统直线运动 , 当到达某 一点时 , 对 该界面 X, Y方向 (X⊥Y)进行测量 , 转动系统带动激光检测 系统进行 360°回转运动 , 测得相应数据 , 对应测得
(3)
令 C′A′=S, 代入式 (3)并整理 , 得
H=l′0 sin(α+θS)l0+sin Sβ·co ss inθ(α+θ+β )
(4)
式中 :l0 ———接收光学系统 6的物距 ;
l′0 ———接收光学系统 6的像距 ;
S———目标面在 PSD敏面上成像的像点位置 。
由于设计时已根据 θ、α、f′、l0、l′0 、β 确定了光学 系统的相对关系 。由式 (4)可知 , 根据 S可求出 H。
个电极上就有不同的电信号输出 , 其差值是 S坐标 的函数 , PSD的等效电路模型如图 3所示 。
图 3 PSD等效电路模型
取两极中间位置为原点 , 则 S可由下式确定 :
S=II11 -+II22 ·
(R+2RL)· 2R
L
式中 :L——— PSD有效敏感面长度 ;
(5)
R——— PSD的总电阻 ;
76
长春工程学院学报 (自然科学版 )
2008, 9(1)
数据传输到计算机终端 。 重复上述过程测量其它截 面数据 。测量前面板及框图程序如图 7所示 。
本框图程序采用了串行口进行狭缝数据通信 。 首先初始化串行口 、步进电机控制节点 , 轴向移动采 用慢速 (1mm/s)设置 , 实际移动长度由采集卡的节 点输出 , 通过串行口扩展卡得到的检测数据 , 得到内 径尺寸的测量结果 。
本软件设计达到了令人满意的结果 。通过对步 进电机驱动控制 、串行通信及数据处理系统的模块 化 、工程化设计 , 完成了内径尺寸的非接触测量 。 设 计的计算机控制与数据采集系统界面直观 、控制方 便 、易于工作人员操作 。
4 实验结果
图 7 基于 LabVIEW内径尺寸测量前面板
下表 1是内径测量系统分别对 25.01mm(记 为标准件 1)及 49.98mm(记为标准件 2)2个孔标 准件内径某截面实测数据及测量极限误差 。
方为正 , 下方为负
由几何光学成像原理可得 :
-1l0 +l1′0 =f1′
(1)
74
长春工程学院学报 (自然科学版 )
2008, 9(1)
f′=-f
(2)
由图 2可知 , -AAD′D ′′=-ODO′ D,
即
coHs-θ·C′A si′ n·(αsin +βθ)=
l′0 +C′A′· cosβ -l0 +coHsθ· cos(α+θ)
表 1 25.01 mm及 49.98 mm孔标准件内径实测数据及测量极限误差
(标准件 1 采样 )
项目 位置
位置 1 位置 2 位置 3 位置 4 位置 5
X向 测量值
DXi/mm 25.02 25.01 25.00 25.03 25.01
X向 标定值 DX/mm
25.02
X向 误差值
在 , 即目标面上点就不可能成像在 PSD像面上 , 从
而产生较大的测量误差 。为使不同位置尺寸的目标
面能在 PSD上精确成像 , 必须使 PSD与光轴成一定
角度 β。根据光学成像原理和光学符号规则 , 即物
点与像点的位置坐标以物 方或像方主点为 原点算
起 , 从左到右为正 , 反之为负 ;物高或像高在光轴上
RL———负载电阻 ;
I1 、I2 ——— PSD两极输出的光电流 。
若取 RL =0, 则式 (5)化为
S=II11 -+II22 ·
L 2
(6)
2 激光探头内径测量原理理论分析
图 2 光三角成像光学系统成像原理图
1.2 PSD上像点位置 S的确定 S的探测原理是利用 PSD器件的横向光电效应
来实现的 。 当一束光照射到 PSD的敏感面上时 , 两
l0 , l′0 ———接 收 成 像 光 学 系 统 5 的 物 距 和 像距 ;
S———被测点 O1在光电位置传感器 6上成像 的像点位置 。
激光探头内径测量系统的位置常数为 A, 则被
测内径截面与光探头 回转中心的长 度 ρ可由下式
确定 :
ρ=A+H
(8)
测量内径时 , 激光探头应旋转一周 , 每隔一定的
根据上述 理论分析 , 我 们设计 了一种 θ=0°, α=23°, β =35°, 测量范围为 24— 51mm, 分辨率 为 0.001mm的激光探头内径测量系统 。 其中对光 三角位移检测系统的光学系统进行改进 , 将原光路 通过光探针形式对孔的内径进行检测 , 其原理图如 图 4所示 。
图 4 激光探头内径测量系统原理图
图 1 光三角测量系统工作原 理图