激光衍射法線纜外徑測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)與測(cè)試*

李宏達(dá)，呂佳昊，薛宸浩，韓夢(mèng)凱，王超明

（1.沈陽(yáng)理工大學(xué) 裝備工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110159；2.沈陽(yáng)東科拉科技有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110000）

激光檢測(cè)技術(shù)是近年來在工業(yè)檢測(cè)領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)，但是過往主要以機(jī)械接觸式和物理接觸式測(cè)量技術(shù)為主。如今激光檢測(cè)技術(shù)完成了非接觸式的測(cè)量，替代了傳統(tǒng)的靜態(tài)接觸式測(cè)量，因而提高了測(cè)量的準(zhǔn)確性，是一項(xiàng)具有極大價(jià)值的創(chuàng)新技術(shù)。為了滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要，我國(guó)于20 世紀(jì)80 年代末90 年代初開始研究激光測(cè)量技術(shù)，但相較于國(guó)外起步比較晚。如河北保定市藍(lán)鵬測(cè)控科技有限公司研發(fā)的測(cè)徑儀測(cè)量范圍為1-50mm，測(cè)量精度為±0.01mm；四川輝煌測(cè)控研發(fā)的雙向激光測(cè)徑儀測(cè)量范圍為0.1-20mm，測(cè)量精度為±0.001mm。大多國(guó)內(nèi)測(cè)徑技術(shù)依然使用傳統(tǒng)激光掃描法等技術(shù)，比較先進(jìn)的是德國(guó)西科拉工業(yè)電子公司（SIKORA AG）研制的相關(guān)測(cè)徑儀測(cè)量精度可達(dá)0.2μm，測(cè)量范圍為0.2-18mm，但進(jìn)口和售后維修成本比較高。

目前，傳統(tǒng)激光測(cè)徑技術(shù)應(yīng)用非常廣泛。主要分為以下幾種[1]：激光干涉[2-3]原理為利用高頻的脈沖激光，通過入射激光和反射激光的相位差值來計(jì)算被測(cè)元件瞬間的位置改變，然后利用這種瞬間的位置變化量的加和可以描述元件形狀輪廓的情況。但缺點(diǎn)是在誤差補(bǔ)償中誤差補(bǔ)償點(diǎn)號(hào)要從參考點(diǎn)開始計(jì)算，并且，補(bǔ)償點(diǎn)號(hào)、補(bǔ)償值、補(bǔ)償點(diǎn)的位置這三個(gè)量必須要相同對(duì)應(yīng)[2-3]，比較容易產(chǎn)生數(shù)據(jù)誤差；攝像式測(cè)徑[4-5]原理是白光源從一側(cè)照射在電纜上，電纜所成陰影通過透鏡系統(tǒng)成像于CCD 上，根據(jù)透鏡成像系統(tǒng)的像距與物距的比例和CCD 上的陰影長(zhǎng)，計(jì)算出電纜實(shí)際直徑尺寸。但缺點(diǎn)是測(cè)量精度低，不適于要求精度高的小線徑測(cè)量；激光掃描法原理是用一束激光以某一角度照射在由電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)的多棱鏡表面進(jìn)行折射，從而使激光照射路徑可以掃描通過被測(cè)工件，在CCD 陣列傳感器接收光斑數(shù)據(jù)從而計(jì)算出物體直徑寬度。但由于受電機(jī)轉(zhuǎn)速的限制，單次測(cè)量時(shí)間為ms 級(jí)別，且由于運(yùn)動(dòng)部件特有的長(zhǎng)期使用后的老化，多棱鏡和電機(jī)需要進(jìn)行定期維護(hù)，光學(xué)鏡頭位置微弱移動(dòng)則會(huì)帶來測(cè)量誤差。測(cè)量速度一般可達(dá)300Hz，不適合大線徑測(cè)量。

綜上所述，本文針對(duì)測(cè)量誤差較大及成本高昂等問題，設(shè)計(jì)基于激光衍射原理的激光測(cè)徑儀，彌補(bǔ)現(xiàn)有激光測(cè)徑相關(guān)技術(shù)的不足，以達(dá)到使用壽命長(zhǎng)、穩(wěn)定性高、精確度大、測(cè)量范圍大、連接方式多、故障率低等目的。并且設(shè)備內(nèi)部沒有電機(jī)的任何運(yùn)動(dòng)部件和光學(xué)鏡頭，無需擔(dān)心由于抖動(dòng)或光學(xué)部件位置微弱變化帶來的測(cè)量誤差，可以長(zhǎng)久安心使用。在不損失測(cè)量質(zhì)量的情況下，設(shè)計(jì)提出最大掃描頻率可達(dá)2500Hz，而參數(shù)的固定時(shí)間僅100ns。

1 測(cè)徑儀總體方案設(shè)計(jì)及原理

1.1 總體方案設(shè)計(jì)

測(cè)徑儀總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示，總體測(cè)徑儀設(shè)備系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集部分和數(shù)據(jù)處理存儲(chǔ)部分，其中數(shù)據(jù)采集部分由高頻脈沖激光光照系統(tǒng)、線陣CCD 傳感器（TCD1703C）和信號(hào)處理及A/D 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成，數(shù)據(jù)處理存儲(chǔ)部分主要由數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和嵌入式單片機(jī)（STM32 微控制器）組成；其次還包括電源、TFT 觸摸屏、USB 接口及計(jì)算機(jī)等。

圖1 測(cè)徑儀總體結(jié)構(gòu)框圖

激光二極管產(chǎn)生的光照落在被測(cè)量的元件上，而被測(cè)元件在高頻脈沖激光光照系統(tǒng)中成像，此時(shí)線陣CCD（TCD1703C）可以測(cè)試到相關(guān)位置的光斑的改變，CCD 輸出的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路后進(jìn)行A/D 數(shù)模轉(zhuǎn)換，STM32 微控制器通過TCD1703C 和A/D 數(shù)模轉(zhuǎn)換器在讀出A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制[6]。集成的信號(hào)處理器直接在測(cè)量?jī)x內(nèi)部處理此圖像信息，然后將直徑值與標(biāo)稱值進(jìn)行比較，并檢查以保持公差極限。信息與相應(yīng)的數(shù)據(jù)一起發(fā)送到串行接口或Profibus 接口。該設(shè)備提供各種接口，因此可以連接到計(jì)算機(jī)、PC 或觸摸屏。可以通過觸摸屏及相關(guān)軟件的使用來進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和檢索歷史記錄等操作[6]。

1.2 激光衍射原理

利用激光通過被測(cè)物的Fraunhofer 衍射效應(yīng)進(jìn)行測(cè)量是激光衍射測(cè)量的基本原理，具體來說，激光的Fraunhofer 衍射是一種遠(yuǎn)場(chǎng)衍射，其測(cè)量過程是利用探究被測(cè)物與參考物之間的間隙所形成的遠(yuǎn)場(chǎng)衍射的特性來完成，測(cè)量時(shí)，使激光照射至被測(cè)物與參考的標(biāo)準(zhǔn)物之間的間隙[7]。假設(shè)激光波長(zhǎng)為λ，直射到長(zhǎng)度為L(zhǎng)，寬度為ω 的單縫上（L＞ω＞λ），并且滿足與觀測(cè)屏的距離關(guān)系式時(shí)，由于發(fā)生Fraunhofer 衍射，在觀測(cè)屏的視場(chǎng)上將能夠看到十分清晰的亮暗相間的激光衍射條紋[7]。圖2 為衍射原理圖，在觀測(cè)屏上接收到由單縫形成的衍射條紋，其光強(qiáng)I 的分布由物理光學(xué)可知：

圖2 衍射原理圖

以上是遠(yuǎn)場(chǎng)衍射光強(qiáng)分布的基本原理，說明衍射光強(qiáng)隨sinβ 的平方而衰減。當(dāng)β=0，±π，±2π，...，±nπ處將出現(xiàn)強(qiáng)度為0 的暗條紋。由此可知，通過測(cè)量任一個(gè)暗條紋的相對(duì)位置變化就可以知道間隙ω 的尺寸和相對(duì)尺寸變化。這就是通過激光衍射進(jìn)行測(cè)量的原理[7]。利用測(cè)定激光照射下的Fraunhofer 衍射形成的清晰衍射條紋可以進(jìn)行μm 量級(jí)的測(cè)量。

1.3 電纜外徑測(cè)量原理

本測(cè)量?jī)x基于激光衍射原理，利用激光投影陰影法，激光光束的指向性及高能量密度[8]，照射掃描在CCD 上，進(jìn)行光電信號(hào)轉(zhuǎn)換，再對(duì)電信號(hào)進(jìn)行整合與處理，最后把結(jié)果顯示出來[9]。光學(xué)控制中使用最廣泛的方法是準(zhǔn)平行光束中的陰影方法。該方法的本質(zhì)在于使用多元素線性光電探測(cè)器在平行光流中測(cè)量電纜產(chǎn)生的陰影。對(duì)于大直徑測(cè)量，當(dāng)被測(cè)物體垂直于任何測(cè)量通道的光軸移動(dòng)時(shí)，投射在該通道的CCD 接收器上的圖像在相當(dāng)大的位移范圍內(nèi)都保持不變[9]。為了將所測(cè)量的投影轉(zhuǎn)換成直徑值，需要知道每個(gè)測(cè)量通道中的該投影的尺寸與被測(cè)量物體沿著該通道的光軸的位移的相關(guān)性。在這種雙坐標(biāo)系統(tǒng)中，無法轉(zhuǎn)換得出用于計(jì)算直徑的主要測(cè)量信息的功能，因?yàn)楫?dāng)被測(cè)物體沿一個(gè)測(cè)量軸移動(dòng)時(shí)，它將離開物鏡的焦平面，這會(huì)導(dǎo)致邊界部分模糊其圖像投影到CCD 標(biāo)尺上。另外，其顯示的比例發(fā)生了變化，因此僅通過設(shè)備的實(shí)驗(yàn)校準(zhǔn)就可以獲得用于投影雙坐標(biāo)測(cè)量?jī)x得到直徑的方法。激光外徑測(cè)量原理如圖3 所示。

圖3 激光外徑測(cè)量原理圖

2 誤差實(shí)驗(yàn)測(cè)試及誤差分析

2.1 誤差實(shí)驗(yàn)測(cè)試

將線纜外徑測(cè)量?jī)x進(jìn)行連接，調(diào)試與測(cè)試測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性的過程，如圖4 所示，儀器可接入計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)讀取顯示數(shù)據(jù)。圖5 顯示的是線纜外徑測(cè)量?jī)x顯示界面，其上面顯示的數(shù)據(jù)分別為D1 為內(nèi)徑，即線纜未包裹絕緣層時(shí)的外徑；D2 為外徑，即線纜包裹絕緣層后的外徑；Ex 為x 軸方向的偏心值（勾股定理計(jì)算）；Ey為y 軸方向的偏心值；L 為線纜長(zhǎng)度；顯示屏上Min（絕對(duì)壁厚）=外徑-內(nèi)徑-偏移量，即Min=D2-D1-圖6 所示為測(cè)量所用標(biāo)準(zhǔn)棒。

圖4 線纜外徑測(cè)量?jī)x實(shí)物圖

圖5 線纜外徑測(cè)量?jī)x顯示界面

圖6 測(cè)量所用標(biāo)準(zhǔn)棒

分別對(duì)尺寸為1，6，15，24，30mm 的五組圓柱形標(biāo)準(zhǔn)棒進(jìn)行測(cè)量，每組標(biāo)準(zhǔn)件誤差實(shí)驗(yàn)做十次，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 標(biāo)準(zhǔn)件測(cè)量數(shù)據(jù)及分析

算術(shù)平均值公式：

其中Xi表示第i 次的測(cè)量值，n 表示測(cè)量次數(shù)[6]。

標(biāo)準(zhǔn)差公式：

其中X 表示n 次測(cè)量的算術(shù)平均值，Xi表示第i 次的測(cè)量值，n 表示測(cè)量次數(shù)。

2.2 誤差分析

測(cè)量?jī)x器的誤差有不同的分類，根據(jù)測(cè)量誤差的類型，可以分為硬件誤差、隨機(jī)誤差和總誤差。硬件誤差包括儀器本身的誤差、實(shí)驗(yàn)方法的誤差和實(shí)驗(yàn)方法的不完全性引起的誤差。硬件誤差的特點(diǎn)是，同一實(shí)驗(yàn)重復(fù)多次時(shí)，誤差總是相等或很小，不存在某些時(shí)候誤差大，其他時(shí)候誤差小的情況。為了減少硬件誤差，可以用軟件對(duì)儀器進(jìn)行校準(zhǔn)和校正。而隨機(jī)誤差則是由實(shí)驗(yàn)者、儀器和被測(cè)物理量的各種隨機(jī)因素造成的。隨機(jī)誤差總是有時(shí)大，有時(shí)小，有時(shí)大或小的概率相同。因此，進(jìn)行多次測(cè)量后得到的幾次測(cè)量的平均值有可能比一次測(cè)量的值更接近真實(shí)值。

測(cè)量?jī)x器產(chǎn)生的原始誤差，主要是由于被測(cè)導(dǎo)線直徑的均勻性和外部條件的快速變化破壞了CCD 信號(hào)的輸出穩(wěn)定性。在測(cè)量的結(jié)果中，有幾個(gè)采樣數(shù)據(jù)存在原始誤差，必須進(jìn)行處理，這部分?jǐn)?shù)據(jù)的處理在單片機(jī)中實(shí)現(xiàn)[10]。

本測(cè)量?jī)x產(chǎn)生的儀器誤差和隨機(jī)誤差主要有兩種來源：

（1）光源帶來的誤差。光源是外徑尺寸測(cè)量中最為重要的部分，需要注意光斑的大小、光線的準(zhǔn)直程度以及光斑的均勻性。其中光線的準(zhǔn)直程度直接關(guān)系到測(cè)量的精度，在采用本文所述的方法確定投影邊緣時(shí)，光線的準(zhǔn)直程度必須要高，光斑的均勻性要求倒不是很嚴(yán)格。但是如果在邊緣定位中運(yùn)用擬合法，然后通過閾值判斷邊緣位置時(shí)，那么光斑的均勻性一定要高。

（2）線陣CCD 圖像采集器可引入誤差。線陣CCD所使用的為TCD1703C，它的每個(gè)像元尺寸長(zhǎng)度是7μm，根據(jù)CCD 測(cè)量原理可知，如沒有對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行邊緣細(xì)分的處理時(shí)，測(cè)量的準(zhǔn)確度最大也就只能達(dá)到7μm 的分辨率；另外線陣CCD 圖像采集儀在圖像采集過程中噪聲污染不可避免地存在，STM32 微控制器實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)CCD 和A/D 轉(zhuǎn)換過程中非并行驅(qū)動(dòng)帶來的誤差，因此在利用微分法進(jìn)行測(cè)量時(shí)的穩(wěn)定性較差，這些噪聲總是客觀存在的。

3 結(jié)論

本文所設(shè)計(jì)測(cè)徑儀與國(guó)內(nèi)同類測(cè)徑儀相比，具有更大的緊湊性，更好的性能特征以及更低的成本。并且還具有高穩(wěn)定性、高耐久性、高精度、高速性（采集處理傳輸）的特點(diǎn)，最重要的是整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)均可以實(shí)現(xiàn)快速便捷實(shí)時(shí)組網(wǎng)，可以隨意增加或減少測(cè)量系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備數(shù)量，單個(gè)設(shè)備停用也不會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，并且該網(wǎng)絡(luò)也可隨意并入其他相關(guān)設(shè)備（互不影響），實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的。采用通用的測(cè)量電路的非標(biāo)準(zhǔn)方法，可以使用廉價(jià)的機(jī)械和電子組件來實(shí)現(xiàn)比較好的計(jì)量特性。使用本文中描述的用于A/D 轉(zhuǎn)換主要信息的光學(xué)方法以及總體方案的設(shè)計(jì)，可以同理設(shè)計(jì)出一系列用于測(cè)量電纜直徑的設(shè)備。同樣，在執(zhí)行通用測(cè)量方案時(shí)使用非標(biāo)準(zhǔn)方法可以在很大程度的測(cè)量直徑范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)計(jì)量特性，與國(guó)外同類測(cè)徑儀相比更加優(yōu)越。該測(cè)徑儀也具有很高的技術(shù)和計(jì)量特性。