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1、10申请公布号CN104121861A43申请公布日20141029CN104121861A21申请号201410386310122申请日20140805G01B11/0820060171申请人中国计量学院地址310018浙江省杭州市下沙高教园区学源街258号72发明人陈亮沈洋周占春苏玲爱徐珍宝张淑琴54发明名称一种基于平晶扫描的环境光自适应激光测径装置57摘要一种基于平晶扫描的环境光自适应激光测径装置，是一种采用平行平晶扫描方法解决激光束的自准直问题，同时对环境光进行自适应处理；利用边界检测算法来解决边界信号的采集和边界检测的实现，对信号的处理更为科学，采集的信号更灵敏、有效的激光测径装置。。
2、最后对实验数据采用刀口标定RBF拟合法对数据进行处理，实验精度极大提高，误差范围缩小在2M内。本发明在一般光学实验室条件下就能搭建，能够实现高精度测径，具有自准直、系统成本低，测量精度高、误差范围小等特点。51INTCL权利要求书1页说明书4页附图1页19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书1页说明书4页附图1页10申请公布号CN104121861ACN104121861A1/1页21一种基于平晶扫描的环境光自适应激光测径装置包括激光器、平行平晶、斩光盘、扫描电机、接收物镜、光电信号接收和转换器件、边界检测和FPGA处理模块；所述的激光器是一种电激励式的红光半导体激光器；所述。
3、的平行平晶是一种表面粗糙度数值和平面度误差都极小的玻璃平面，它的作用主要是产生光波干涉条纹，测量直径范围为45150MM，有效长度为200MM，其置于激光器和斩光盘中间；所述的斩光盘置于激光光束束腰附近，通过扫面电机带动匀速旋转对激光束进行调制，用来模拟激光束扫描待测工件所产生的扫描信号；所述的接收物镜可使扫描光束经过透镜后衍射光斑半径大小为02MM左右；所述的光电信号接收和转换器件选用与接收物镜光敏面积匹配较好的硅光电二极管，将其放置于接收物镜的焦点处，它的主要作用是将光信号转换成为电流信号；刀口标定RBF拟合法可以实现误差的均方根分析，提高精度。2根据权利要求1所述的一种基于平晶扫描的环境。
4、光自适应激光测径装置，其特征在于所述的激光束原光强为边界检测的算法为3根据权利要求1所述的一种基于平晶扫描的环境光自适应激光测径装置，其特征在于所述的激光束对环境光有自适应功能。4根据权利要求1所述的一种基于平晶扫描的环境光自适应激光测径装置，其特征在于所述的光电探测器的扫描信号经过边界检测模块后信号的灵敏度与标准电平法相比增大四倍。5根据权利要求1所述的一种基于平晶扫描的环境光自适应激光测径装置，其特征在于所述的刀口标定RBF拟合法用来解决非线性问题。6根据权利要求1所述的一种基于平晶扫描的环境光自适应激光测径装置，其特征在于所述的刀口标定RBF拟合的标定算法为7根据权利要求1所述的一种基于。
5、平晶扫描的环境光自适应激光测径装置，其特征在于所述的测量误差可限制在2M范围内。8根据权利要求1所述的一种基于平晶扫描的环境光自适应激光测径装置，其特征在于所述的斩光盘离开光束束腰位置时检出结果的最大相对误差为048。权利要求书CN104121861A1/4页3一种基于平晶扫描的环境光自适应激光测径装置技术领域0001本发明涉及一种测量固件直径的装置，特别是利用一种新手段新技术测量高精度测量固件直径的装置，属于光学测量领域。背景技术0002轴类工件直径测量是最基本的尺寸测量任务之一，常见的接触式测量设备包括三坐标测量机和圆柱度仪，经过实验研究分析，接触式测量效率低，难以实现在线测量；常见的非接。
6、触测量方法包括投影法衍射法和激光扫描法，后者在工件外形尺寸测量中应用较为广泛，且采用基于反射原理的方法居多，如依赖电机匀速转动的转镜扫描测量系统、适合较大径向尺寸测量的抛物面反射式测量系统、转镜反射面关于旋转中心呈非对称设计的差动式测量系统，此类系统在安装时容易产生离焦现象；由两个扫描单元利用角度参数计算工件直径的无扫描物镜测量系统涉及敏感环节较少，测量精度和稳定性较高，但是系统不易扩展。0003激光扫描测径仪是一种基于光学技术、现代激光、计算机、精密机械等多学科技术于一体的检测系统，它是用可见激光作为光源，把被测对象的几何尺寸经过扫描光学系统和光电变换系统转变成电信号，再由计算机进行实时数据。
7、处理，给出测量结果。可以方便实现在线检测工件的尺寸，具有高速度、高精度、非接触测量等特点，目前已被广泛应用于生产领域。发明内容0004本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种用平晶作为激光扫描发射器的核心元件以实现激光的出射与扫描；采用边界检测方法，提高信号边界检测的动态特性和准确度，从而有效抑制原测量信号幅值漂移对测量结果的影响。本发明利用普通光学透镜就能实现高精度测径，具有系统成本低，测量精度高且准确性高等特点。0005本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为0006本发明装置包括激光器、平行平晶、斩光盘、扫描电机、接收物镜、光电信号接收和转换器件。0007所述的激光器是一种电激励式的。
8、红光半导体激光器，其运转方式为连续型激光器，供电电压为35V直流电，输出功率范围为045MW，发散角范围为052MRAD，激光器的出射激光平行于水平面向左。0008所述的平行平晶是一种表面粗糙度数值和平面度误差都极小的玻璃平面，它的作用主要是产生光波干涉条纹，测量直径范围为45150MM，有效长度为200MM，其置于激光器和斩光盘中间。0009所述的斩光盘置于激光光束束腰附近，通过扫面电机带动匀速旋转对激光束进行调制，用来模拟激光束扫描待测工件所产生的扫描信号。0010所述的接收物镜可使扫描光束经过透镜后衍射光斑半径大小为02MM左右，而硅说明书CN104121861A2/4页4光电二极管的光。
9、敏面积一般为1MM2，与光电检测器件光敏面积尺寸匹配较好，可以保证边界信号提取的精确度。0011所述的光电信号接收和转换器件选用与接收物镜光敏面积匹配较好的硅光电二极管，将其放置于接收物镜的焦点处，它的主要作用是将光信号转换成为电流信号。0012本发明中通过激光扫描测量工件厚度或直径，这是成熟技术。本发明的发明点在于提供一种综合利用平晶作为激光扫描发射器的核心、环境光自适应算法以及刀口标定RBF拟合的误差分析方法快捷有效的来消除光束能量变化缓慢的影响，抑制信号幅值的漂移对测量结果的影响，有效改善边界的衍射问题，降低了重复误差对实验测量值的影响，提高了测量精度。0013与现有技术相比，本发明的优。
10、点00141采用平晶作为激光扫描发射器的核心元件，激光透射转动的平晶产生扫描光，利用电脑内建环境光自适应算法使之转化为高度平行的扫描光，通过平晶绕自身回转轴线的转动，出射光便会沿垂直光轴方向移动从而实现扫描；平晶转动一周，出射光扫描两次，通过两次扫描范围的差值便可大致估算出被测工件的直径。此方法安装调试简单、扫描光平行度高，便于搭建；00152采用边界检测方法实现边界检测，对信号的处理更为科学，采集的信号更灵敏、有效；测量结果更为准确剔除了扫描转镜局部转速非匀速问题，降低了抖动误差；00163采用刀口标定RBF拟合法对数据进行标定拟合，可以实现误差的均方根分析，多次测量后重复误差大幅降低，测量。
11、精度随之提高；00174设备对光学器件要求不高，成本不高，一般实验室条件下就能搭建；附图说明0018图1为本发明的结构示意图。0019图2为本发明边界微分信号检测原理图。具体实施方式0020下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。0021如图1所示，一种用于测量工件的直径或厚度的平晶扫描测径包括激光器1、平行平晶2、斩光盘3、扫描电机4、被测工件5、接收物镜6、光电信号接收和转换器件7、边界检测8、FPGA模块9。图中实线为具体光路、点划线为主光轴、虚线为对齐线，箭头为流程。0022激光器发出的激光束经过平行平晶后，保持入射光束与光轴重合，平晶绕自身回转轴线转动，通过电脑进行自适应。
12、算法拟合计算，得出高度平行的扫描光，出射光沿垂直光轴的方向移动从而实现扫描；斩光盘置于激光束束腰附近，通过扫描电机带动匀速旋转对激光束进行调制，以此来模拟激光束扫描待测工件所产生的扫描信号，硅光电二极管收到的扫描光信号受到被测物直径大小的调制，经I/V转换边缘检测放大整形之后成为与被测直径、电机转速及测量范围有关的方波信号，通过对输出的方波信号进行边界检测，边界检测后输出一个与光信号宽度相对应的矩形待测信号，将该信号送入FPGA处理模块，根据处理后的信电平跳变情况以及时间与转动角度的比例关系将所得时间量换算成入射角度，最终实现直径测量。说明书CN104121861A3/4页50023如图2所示。
13、，其为边界微分信号检测电路的原理图，激光扫描光束扫描待测工件边缘时，光信号经过光电转换为电信号，描光束在传播方向上呈高斯分布。扫描光束的光强度可以表示为00240025其中E0为扫描光斑总光强，0为激光束束腰半径且Z为激光光束的半径且激光光束对待测工件进行扫描前，对激光束进行自适应算法标定后经过斩光盘斩光，之后光束经过待测工件反馈到光电探测器上，光电探测器输出的动态扫描信号经过边界检测后变为00260027其中K0为光电转换系数，扫描信号和边界检测信号相等时，可得出00280029对扫描信号求值可知，信号的斜率会在X0处达到反相最大，即两个信号的交点处为信号变化率最快的地方，扫描信号相对于边界。
14、检测信号的斜率变化加倍，因此信号检测灵敏度为普通标准电平法的四倍，大大提高了检测效率。0030在FPGA模块中锁存器记录下周期T和对应被测物两边缘的电平下降沿时刻TL和上升沿时刻TH，将测量周期开始时入射光与平晶存在入射角记为S，折射率记为N，平晶厚度记为D，经过扫面光两次扫描后，被测工件的直径D为00310032利用刀口标定RBF拟合法对数据进行标定拟合，刀口随直线导轨以001MM的间隔沿激光扫描方向移动，记刀口进入测量范围前的某一位置为位移零点，刀口进入测量范围后，光电信号的下降沿在测量周期T内出现的时刻与刀口位置一一对应，在完成多测头系统标定后，即确定各测头光轴之间的距离。接下来对数据处。
15、理采用最小二乘拟合标定算法00330034其中，C为由于零位与光轴不重合而增加的平移项，TI为I时刻平晶相对测量周期启动位置转过的角度。通过RBF神经网络构建实际的测量模型，将信号下降沿发生时说明书CN104121861A4/4页6刻与周期的比值，即以作为网络输入，S作为网络输出，作出标定曲线分析处理数据；RBF神经网络可用于解决非线性问题，在传感器标定及误差补偿方面已经有所应用，具有结构自适应确定的优良特性，是一种局部逼近的方式，目前用的比较多的径向基函数神经网络是一种具有单隐层的三层前馈网络，可用来模拟人脑中局部调整互相覆盖接收域的网络结构。0035通过综合模拟仿真实验比对发现00361测量误差可限制在2M范围内。这表明该系统的长期工作稳定性良好。若适当改善FPGA数据处理模块的性能，如增加计数脉冲的频率，增加测量的次数还可以进一步提高精度和灵敏度。00372斩光盘离开光束束腰位置时检出结果的最大相对误差为048，表明该系统对工件位置变动所产生的影响的补偿效果明显，自适应能力较好。00383刀口标定RBF拟合法对数据进行标定拟合后，实现了误差的均方根分析，多次测量后重复误差大幅降低，测量精度随之提高了30。说明书CN104121861A1/1页7图1图2说明书附图CN104121861A。