激光在线测径仪设计 开题报告

本科生毕业设计（论文）开题报告毕业设计题目：激光在线测径仪设计
学院：信息科学与工程学院
专业班级：测控技术与仪器0702班
学生姓名：**
指导教师：***
2011年 3 月29 日
激光在线测径仪设计
一、课题研究的目的和意义
随着机械、电子、光学产业的迅速发展，激光测量系统[1]所帮助解决的问题的多样性和日趋复杂，新型激光系统在不断地发展起来了，它们的成本和开发时间也在持续增加，同时对工件参数的精度要求也越来越高，传统的测量方法已不能够实现各方面的需求。

国际上一些发达国家的激光技术[2]起步较早，发展较快，其中涉及到现代科技的方方面面，这里面就包括激光测径技术！但是当传统的静态接触测量无法满足对被测物的测量时，我国从八十年代末、九十年代初开始着手研究激光测量技术，虽然起步较晚，但是发展迅速。

而激光检测技术[3]又是近年来测控领域的一个新的研究方向，是一门实现非接触测量的高新技术。

但是当前高新技术产业逐渐向技术密集型转轨，由于计算机技术的出现，特别是计算机的普及，使计算机技术、网络通信技术得到大规模的应用。

在越来越多的工厂生产制造过程中，以计算机技术、通信网络技术以及自动化技术为代表的高科技正快速进入，并且发挥着越来越大的作用，而这种作用已经超过传统的技术和产业。

同时激光测径技术也面临着越来越多的复杂问题，不但要有较高的测量速度及可靠性，而且还要向自动化、数字化、智能化方向发展。

这势必就使原来静态的、接触式的测量转向动态的、非接触式、在线测量。

激光测量应用领域主要分为两类，一类要求被测物体高速运动，不能对被测物体进行接触式测量，例如光纤拉丝塔中正在拉制的光纤，其运动速度很快，而且处于半熔融状态，没办法进行接触式测量，而这种测量对光纤的生产非常重要，不可或缺。

第二类是被测物体虽然保持静止，但无法使用传统的接触式测量方法。

例如测量一些高温物体，软的物体，具有放射性有毒
物质或者核燃料棒等，这些物体都没办法进行接触式测量。

如果能够完成激光在线测径的设计，这样既可以提高产品的生产效率，也可以实现传统测量方法无法达到的高精度和非接触式的测量，同时也可以高效地实现在线产品的自动检测。

二、课题研究的主要任务和预期目标
1．主要任务及要求
本毕业设计的主要任务是进行调查研究国内外激光发展情况，并设计用于圆柱形产品生产线的光电检测系统，要求设计各种电路，运用单片机实现对产品直径的计算、测量以及显示结果。

2．预期目标
1）、熟悉和了解光电检测技术。

2）、学习和应用编程软件。

3）、进行调研，了解现有光电检测系统的现状，针对题目要求，给出总体设计方案，从硬件和软件两个方面设计激光在线测径仪。

三、设计方案
1．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[4]
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：
图1显示出了线阵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。

图1 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[3~5]采用激光器[6]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
光强分布 平
行
光
束
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[7]，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。

激光扫描原理结构图如图2所示。

图2激光扫描测径仪原理图
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。

经过比较，我决定采用激光扫描原理测量直径。

2．设计思想
激光测径仪系统装置主要由高性能扫描光学系统、机械结构及信号接收[8]与数据处理系统组成。

系统总结构框图如图3所示。

本次设计主要从事信号接收与数据处理系统中的硬件电路设计和软件结构设计以及数据算法方式的
选择。

图3系统总结构框图
3.方案设计
根据图3所示的激光扫描系统总结构框图中各部分的组成，我分别从硬件、软件以及数据处理显示部分进行设计。

下面是我对各部分设计所作出的阐述。

第一部分：硬件电路设计
硬件电路的设计主要有放大电路[9,10]、整形电路、晶振电路和单片机电路[11]四大部分组成，其各部分作用如下：
1）放大电路：把接收到的光信号转换成电信号，并对电信号进行放大，再与后面的信号处理系统对接。

放大电路在整个光电探测系统中是非常重要的，它的性能好坏直接决定了整个系统的性能好坏。

在放大电路中，光信号和电信号要受到很多噪声的干扰。

由于接收的光信号和转换后的电信号通常都比较微弱，很容易淹没在各种噪声中，所以在设计时，要尽量减小噪声，提高信噪比，但是提高信噪比将会使频率特性变差，所以在设计时，要二者兼顾考虑。

2）整形电路：将已放大的双脉冲信号转换成与工件直径有关的标准单脉
冲信号。

3）晶振电路：将产生的计数脉冲填入已放大整形的单脉冲中，经过计数电路，可得到脉冲数。

4）单片机电路：将采集的数据进行计算，对得出的工件直径进行显示。

第二部分：软件系统设计
软件系统的实现靠主程序和计数子程序、计算直径子程序和显示子程序等。

对各个子程序进行编程，通过51单片机[11]实现测量和显示。

主程序的主要功能是负责控制步进电动机，直径的实时显示、对脉冲进行计数及直径计算，对脉冲读取及计算每1s进行一次。

这样可以在一秒内测量一次被测工件，其流程图如图4示。

图4主程序流程图
计数子程序的主要功能是对门信号中输入的脉冲进行计数。

其计数子程序流程图如图5所示。

图5计数子程序流程图
计算直径子程序将RAM中读取脉冲数根据相应的计算公式进行计算及所得直径值的BCD码的转换运算，其程序流程图如图6所示。

图6计算子程序流程图
显示数据刷新子程序是对显示缓冲器中的数据进行刷新，如图7所示。

图7显示子程序流程图
第三部分：数据处理方法
采用“标准棒”法测量[12]，利用脉宽比值测量电路将光路部分输出脉宽提取出来，得出被测工件直径，原理图[13]如图8。

图8标准棒法测径原理示意图 如图8所示，输出信号的两个单脉冲信号时间间隔t 与工件直径成正比关系
D = (t/T) • L
其中，L 是光阑间距，D 是待测工件直径。

T 为光阑间距L 对应时间脉冲宽度，t 为工件直径D 对应时间脉冲宽度。

如果光阑宽度已知，则可测出工件直径。

反之，用另一根直径为Ds 已知的标准帮放入光阑之间，就可以校准L ，即
L = (T/t) • Ds
通过这种方法可以测量出工件的直径，同时可以有效地提高测量精度。

如不受光束扫描速度的变化影响，可将电动机转速不匀，环境温度变化，电源电压变动，各种对测量的影响[14]可减至最小。

4．设计中要解决的主要问题和措施
本设计主要是对光电转换系统进行设计，对接收的光信号进行放大整形分离处理，设计各种电路，并进行软件设计，实现对直径的测量。

主要措施是基于51单片机对采集的信号进行运算并显示出来。

在这其中，我需要用Proteus 仿真软件[15]进行调试，利用C 语言[16]进行编程，最终实现激光测径的设计。

光阑
输出信号
四、课题进度安排
1、寒假：了解题目内容，查阅资料
2、第一周：查阅、回顾资料
3、第二周：翻译外文
4、第三周：文献综述，撰写开题报告
5、第四周：完成开题报告初稿
6、第五周：修改开题报告，完成报告
7、第六周：设计放大电路
8、第七周：电路仿真
9、第八周：设计整形分离电路
10、第九周：部分电路仿真
11、第十周：软件编程，软件仿真调试
12、第十一周：软件编程，软件仿真调试
13、第十二周：修改细化设计校验程序，
14、第十三周：进行整体系统的连接与检验
15、第十四周：撰写论文
16、第十五周：撰写论文
17、第十六周：修改毕业论文
18、第十七周：修改毕业论文
19、第十八周：准备答辩
参考文献：
[1]V.A.Vinogradov and SER MEASUREMENT SYSTEMS AND
STANDARDIZATION[J]．OPTICOPHYSICAL MEASUREMENTS，1988
[2]Reinhard Noll ，Ulrich Panne．Laser-induced breakdown spectroscopy –EMSLIBS
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[5]王颖淑．激光扫描测径仪的研究[D]．长春理工大学硕士论文，2003
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[9]胡涛，司汉英.光电探测器前置放大电路设计与研究[J].光电技术应用，2010，25
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