探究激光在線測量信號的特性及甄別方法

盧奇

（漢口學院，湖北 武漢 430212）

探究激光在線測量信號的特性及甄別方法

盧奇

（漢口學院，湖北 武漢 430212）

文章主要從建立偏心運動模型、光學和電學信號處理的方式及其甄別方法等方面對新型激光校準技術進行闡述，進而建立相關校準系統的平臺,并對激光在線測量信號特性及甄別方法進行了相關研究和思考，以期幫助我國新型激光校準技術取得進一步的發展。

在線測量；激光；信號特性；甄別方法

1 光電校準技術

光電信息科學存在眾多分支，其中重要分支之一便是光電校準技術。光電校準技術結合眾多領域的特點，自身有一定的綜合性，主要包含光學、信號處理、通信技術和傳感器等眾多學科，有著相對復雜的基礎理論和廣泛的工程理論。其中光源分為兩類，被動式和主動式。主動式，顧名思義人為控制即為主動式，被動式則是經物體反射的光源。信息載體完成被測物幾何特征的檢測，其原理主要是利用光的屬性變化，較為常見的有光譜衍射、光強度和光通量。光電傳感器的原理為光電效應，主要包括光敏二極管、光電池和CMOS等等。光電檢測系統中的信號處理是該系統的關鍵部分，但目前光電檢測系統無法對光電信號的特點進行有效的甄別和快速的分析。

由于高精度非接觸類光電檢測設備的使用通常在生產條件下，因此對設備的強度提出了一定的要求，設備無法承受惡劣的生產環境和高強度的生產任務自然是要被淘汰的。鑒于激光技術所具備的特點，激光在線測量不僅能夠較好地適應于當下的生產環境，還能達到當下所要求的測量精度。較之常規測量技術，激光在線測量具備以下五個優點：①有較高的測量精度，主要適用于對分辨力有較高精度要求的幾何量檢測；②較快的測量速度，主要適合完成生產線的實時檢測，并降低生產加工對測量的影響；③激光在線測量有著良好的電磁兼容性；④測量過程不僅不需要與被測對象產生直接接觸，而且對測量對象的屬性也不會產生任何影響，方便對一些高溫物理和高速旋轉的對象進行實時檢測；⑤激光在線測量還具備較強的方向靈敏度，可同時進行一維、二維、三維的測量，滿足測量對象對維數的要求。

光電檢測技術能夠針對不同的環境、精度采取不同的檢測方法，具備十分靈活的檢測方式。采取不同的光源，如采取激光、普通光、可見光和不可見光等；采取不同的測量原理，常用的有差動測量法、激光掃描測量法、干涉衍射法等。針對不同情況，變換不同方法是光電檢測技術靈活性的重要表現。

2 系統分析建模

（1）物理模型。在數控機床中，所檢測的對象是圓形旋轉體，自轉和徑向旋轉是刀具主要的運動狀態。那么在光束和旋轉體相互接觸時，可以將其看做是兩個垂直相交的柱體。在刀具的旋轉過程中，刀具自身不僅旋轉還在向前進，在這一過程中激光束擁有不同的遮擋程度，其光電傳感器的光通量隨著旋轉角度的不同呈現出不同的變化。而重點分析的對象便是這個不斷變化的光通量信號，并通過信號的變化來分析測量旋轉體直徑等一系列幾何特征。

（2）模型仿真。根據旋轉體光通量的變化建立相關物理模型，并對檢測數據進行相關計算和分析，進而能夠直觀地顯示出檢測對象的旋轉過程，并完成對光束的寬度、平移速度和偏心量這類重要幾何量的檢測，進而完成整個系統的檢測。文章主要對模型仿真中的靜態仿真和偏心仿真進行闡述。首先，進行靜態仿真，當檢測對象進行旋轉時，如果偏心現象并不存在，即被檢測對象除了平移運動外并不存在其他運動，進一步說便是偏心量的信號變化并不存在，是一個穩定值。經過對旋轉體的靜態仿真，不僅能夠完成運動過程的簡化，還能使整個運動過程的分析變得簡單，從而幫助工作人員直觀的取得光束寬度、刀具尺寸這兩者與平移速度之間的數量比例關系。偏心量是一類用來描述圓度測量誤差的物理量。其中，圓度誤差指的是包容同一正截面實際輪廓且半徑差為最小的兩同心圓的距離。偏心量具有徑向性，主要反映在圓周的半徑上；另外，偏心量具有一定的周期性變化。圓度誤差在刀具這類旋轉工件中是非常低的，然而由于安裝過程中會存在一定的安裝偏心量誤差，當這類測量誤差超過一定的闕值時會影響整個工件的加工精度。另外，在刀具的實際工作中，其旋轉和工作必然導致刀具的磨損和變形，進而導致反饋的信號產生更為復雜的變化。

（3）系統設計與信號分析。對于系統設計與信號分析，主要針對高速加工中心被檢測對象的激光在線系統來進行設計，根據測量儀器具有的便攜式和小型化特點，以及機床自身所具備的工作要求，設計方案主要采取固定式激光掃描法完成對刀具信號的測量。將光波與被測信號加載到儀器，通過對光通量的調制完成信號的檢測。被測信號的調制過程則主要利用出射光的光通量的變化來進行監測，將光通量變化轉變為電信號，即完成光電信號的轉化，最后由解調電路將電信號中所攜帶的信息進行解碼。這類校準方式十分簡單，而且具有較強的抗干擾能力，對高速加工中心尤其適合。該測量過程的主要原理如圖1所示，其主要由光源、光學調制信道、被測物、光電檢測器和光電信號處理單元等組成。

Research on Characteristics of Laser Online M easurement Signal and Screening M ethod

LU Qi
（Hankou College，Wuhan，Hubei 430212，China）

Thearticlemainly expoundsnew laser calibration technology from the establishmentofeccentricmotionmode，opticaland electrical signal processingway and the screeningmethod,and thenmakes a research and thinking on establishing the relevant calibration system platform，characteristics of laser onlinemeasurementsignal and screeningmethod，aiming to help the furtherdevelopmentofnew laser calibration technology in our country.

onlinemeasurement；laser；signalcharacteristics；screeningmethod

TN247

A

2095-980X（2016）11-0023-01

2016-10-07

盧奇（1993-），男，湖北赤壁人，大學本科，主要研究方向：機電工程。