第6章 光电检测技术应用举例
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RF singal
Measuring arm
28
3) 测量臂工作原理
激光器 光学镜组
摄像机
图像卡
计
算
驱动器
机
原理：由计算机控制激光器发出32束激光， 激光束经过反射镜反射到钻杆内壁上，并形成激光光斑， 通过镜组成像到工业摄像机中，通过图像处理和计算得出光板坐标
特点：结构光+视觉测量原理，非接触，稳定可靠，技术成熟 通过连续32条扫描母线测量，得到内加厚全轮廓， 对钻杆位置要求不高，可以满足不同规格的钻杆测量要求。
h
Cx f (r1, r2, ,1, f , n, l, L, h1, d, ut , vt , v, t)
Cy g(r1, r2 , ,1, f , n, l, L, h1, d, ut , vt , v, t) Cz h(r1, r2 , ,1, f , n,l, L, h1, d ,ut , vt , v,t)
Mathematic model abstract of measuring arm
33
l2 b a n1
c
A
Z d r2
l1
lg
Y C
B'
l3 l4
B
l2
A
l1
2
X
r2 D
E
vu
Z
Ol5 o
F
l Lf
Optical path of point A
Optical path of visual part
25
CCD camera Pipe
Ring of light
Laser diode
1 2
L
26
Laser
Multi-mode optical fiber
90
Multi-mode optical splitter
90
650nm spot laser
Structured laser source
Ring discrete distributed red laser
5
二、光电检测系统举例
1. 厚度测量
6
7
8
9
10
z
ab sin sin
k z ' [b sin z 'sin( )]2
非线性---参数法非线性误差补偿
11
4.025 4.020
4.015
4.010
4.005
4.000
3.995
3.990
0
250
重复测量结果及规律曲线
500
750
1000
中心高度调整环节：系统增加中心高度手动调整环节，简单易用， 适应不同外径的钻杆测量要求。
自动校准环节：采用精密标准件和校准软件，可以定期进行自校准， 减小系统机械蠕变产生的精度损失，提高长期稳定性。
低温预热环节：采用电加热环节，低温时系统自动预热，保持精度不变。
41
42
43
27
Conic mirror
Fixed hole of laser collimation lens
CCD
Measuring arm
Multi-mode optical fiber Optical fiber casing
Watch window
Lens
Multi-mode optical splitter Power
微机 控制 系统
测量箱
24
钻杆
测量臂 滚动导轨
电机
采样电路
计
驱动器
算 机
采样电路
定位架
基座
光栅
原理：驱动电机带动测量臂进入钻杆内部，对内壁轮廓进行连续检测， 测量结果通过调理电路送入计算机，通过计算得出钻杆的内径尺寸， 测量臂的位置由光栅测量和定位，连续移动获得内加厚轮廓规律。
特点：非接触测量，稳定可靠；通过连续扫描测量，得到内加厚全轮廓， 对钻杆位置要求不高，可以满足不同规格的钻杆测量要求。
1250
1500
12
4.025 4.020
4.015
4.010
4.005
4.000
3.995
系统误差曲线反函数
Leabharlann Baidu
3.990
0
250
500
750
1000
1250
1500
13
4.002 4.001
4.000
3.999
0
250
500
750
1000
1250
1500
14
信号处理： 技术指标：
15
16
2. 宽度测量
17
18
19
20
21
3. 内尺寸测量
生产现场：
22
被测钻杆及其内轮廓
公称值：D (88.9~139.7mm) d (60~108mm) 内加厚：dou (60~95mm) (38) Liu (70~150mm) Miu (76~250mm)
23
1) 测量原理
测量臂
导向定位机构
被测钻杆
组成：测量臂、测量箱、控制柜
18mm Measurement arm designing
32
C
Y
Conic mirror
l3 l4
B
l2
A
l1
X
r1
Fixed hole of laser r2 D E
collimation lens
vu d
Z
CCD
Ol5 o
Watch
plane
F
window Lens
lLf
Moving direction
第6章 光电检测技术应用举例
1
一、光电检测电路应用举例
2
3
测光器件 充电电路
时间检出电路
4
Uth=1~1.5V 电磁铁吸合--开门叶片打开 电磁铁不吸合--开门叶片闭 合
驱动放大电路
快门开启时 间----电容 充电时间决 定
恒压偏置
耦合
高输入阻抗放大器
PbS --- 暗电阻1M，亮电阻0.2M，峰值波长0.2m（近红外，
软件 系统
存储、通讯
38
光栅传感器采样 辅助环节
39
40
6) 辅助环节
钻杆端部检测环节：采用接近开关判定钻杆端部的位置，自动开始测量， 为光栅系统提供绝对零位，作为测量臂位置的原点， 同时可以作为意外碰撞的报警信号。
环境温度检测环节：采用集成温度传感器，检测工作环境的温度， 修正温度变化产生的误差，保证精度和稳定性。
29
30
31
20
30mm
25mm
25 / tg20 68.69mm
16mm
8.41mm
20cos 2.7 / sin 38.09
25mm
h
68.69mm
5.68mm
20
h 20*sin 2.7 / cos 5.68
18mm
tg
16
8.54
68.69 20cos 2.7 / sin
34
35
Work-piece & experiment results
36
4) 计算机系统
外摄像机 光栅传感器 接近传感器
显示器
打印机
图像卡 数据采集卡 数据采集卡
工业 控制 计算机
控制卡 控制卡 控制卡
操作面板
网络接口
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驱动电机 激光器 加热器
5) 软件系统
图像采集处理 电机控制及驱动
显示、打印
Measuring arm
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3) 测量臂工作原理
激光器 光学镜组
摄像机
图像卡
计
算
驱动器
机
原理：由计算机控制激光器发出32束激光， 激光束经过反射镜反射到钻杆内壁上，并形成激光光斑， 通过镜组成像到工业摄像机中，通过图像处理和计算得出光板坐标
特点：结构光+视觉测量原理，非接触，稳定可靠，技术成熟 通过连续32条扫描母线测量，得到内加厚全轮廓， 对钻杆位置要求不高，可以满足不同规格的钻杆测量要求。
h
Cx f (r1, r2, ,1, f , n, l, L, h1, d, ut , vt , v, t)
Cy g(r1, r2 , ,1, f , n, l, L, h1, d, ut , vt , v, t) Cz h(r1, r2 , ,1, f , n,l, L, h1, d ,ut , vt , v,t)
Mathematic model abstract of measuring arm
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A
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Optical path of point A
Optical path of visual part
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CCD camera Pipe
Ring of light
Laser diode
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Laser
Multi-mode optical fiber
90
Multi-mode optical splitter
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650nm spot laser
Structured laser source
Ring discrete distributed red laser
5
二、光电检测系统举例
1. 厚度测量
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z
ab sin sin
k z ' [b sin z 'sin( )]2
非线性---参数法非线性误差补偿
11
4.025 4.020
4.015
4.010
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4.000
3.995
3.990
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重复测量结果及规律曲线
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1000
中心高度调整环节：系统增加中心高度手动调整环节，简单易用， 适应不同外径的钻杆测量要求。
自动校准环节：采用精密标准件和校准软件，可以定期进行自校准， 减小系统机械蠕变产生的精度损失，提高长期稳定性。
低温预热环节：采用电加热环节，低温时系统自动预热，保持精度不变。
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Conic mirror
Fixed hole of laser collimation lens
CCD
Measuring arm
Multi-mode optical fiber Optical fiber casing
Watch window
Lens
Multi-mode optical splitter Power
微机 控制 系统
测量箱
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钻杆
测量臂 滚动导轨
电机
采样电路
计
驱动器
算 机
采样电路
定位架
基座
光栅
原理：驱动电机带动测量臂进入钻杆内部，对内壁轮廓进行连续检测， 测量结果通过调理电路送入计算机，通过计算得出钻杆的内径尺寸， 测量臂的位置由光栅测量和定位，连续移动获得内加厚轮廓规律。
特点：非接触测量，稳定可靠；通过连续扫描测量，得到内加厚全轮廓， 对钻杆位置要求不高，可以满足不同规格的钻杆测量要求。
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4.025 4.020
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系统误差曲线反函数
Leabharlann Baidu
3.990
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500
750
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1500
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4.002 4.001
4.000
3.999
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750
1000
1250
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信号处理： 技术指标：
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2. 宽度测量
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20
21
3. 内尺寸测量
生产现场：
22
被测钻杆及其内轮廓
公称值：D (88.9~139.7mm) d (60~108mm) 内加厚：dou (60~95mm) (38) Liu (70~150mm) Miu (76~250mm)
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1) 测量原理
测量臂
导向定位机构
被测钻杆
组成：测量臂、测量箱、控制柜
18mm Measurement arm designing
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C
Y
Conic mirror
l3 l4
B
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X
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Fixed hole of laser r2 D E
collimation lens
vu d
Z
CCD
Ol5 o
Watch
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F
window Lens
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Moving direction
第6章 光电检测技术应用举例
1
一、光电检测电路应用举例
2
3
测光器件 充电电路
时间检出电路
4
Uth=1~1.5V 电磁铁吸合--开门叶片打开 电磁铁不吸合--开门叶片闭 合
驱动放大电路
快门开启时 间----电容 充电时间决 定
恒压偏置
耦合
高输入阻抗放大器
PbS --- 暗电阻1M，亮电阻0.2M，峰值波长0.2m（近红外，
软件 系统
存储、通讯
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光栅传感器采样 辅助环节
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6) 辅助环节
钻杆端部检测环节：采用接近开关判定钻杆端部的位置，自动开始测量， 为光栅系统提供绝对零位，作为测量臂位置的原点， 同时可以作为意外碰撞的报警信号。
环境温度检测环节：采用集成温度传感器，检测工作环境的温度， 修正温度变化产生的误差，保证精度和稳定性。
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30mm
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20cos 2.7 / sin 38.09
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Work-piece & experiment results
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4) 计算机系统
外摄像机 光栅传感器 接近传感器
显示器
打印机
图像卡 数据采集卡 数据采集卡
工业 控制 计算机
控制卡 控制卡 控制卡
操作面板
网络接口
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驱动电机 激光器 加热器
5) 软件系统
图像采集处理 电机控制及驱动
显示、打印