透射式激光扫描测径技术

　　0 引 言

　　激光扫描是一种有效的非接触测量方法，对于实现工件直径的快速、在线检测具有十分重要意义。此类系统通常由准直光源、反射式扫描转镜、发射光学系统、接收光学系统、光电传感器和信号采集系统等部分组成[1-2]。典型的一种系统利用 fθ 透镜形成匀速扫描光束，使得光电接收器输出的脉冲宽度与线材直径成正比[3-5];另一种反射式系统利用凹面镜代替扫描物镜产生扫描平行光，可解决曲臂等较大回转体类工件径向尺寸检测问题[6]。上述两种系统都依赖于高精度的线性扫描光学元件，也都可以通过多测头组合的方式扩大测量范围。无扫描物镜的方法[7-8]不需要产生平行光，结构相对简单，但较难实现曲轴类工件的精确测量。

　　光束透射表面平行的透明介质时，透射光相对入射光的传播方向产生平移，本文利用这一物理现象产生高度平行的扫描光，设计了一种低成本的透射式激光扫描测径系统，搭建了实验平台。

　　1 系统工作原理

　　准直激光经转动的平行平晶后形成具有一定区域的、与光轴平行的高速连续扫描光束，区域内回转体工件的遮挡对扫描光束起到调制作用，携带有被测件尺寸信息的扫描光束经接收光学系统被光电器件接收，再经信号变换及数据处理后，测量结果送入计算机显示、保存。系统总体结构如图1 所示。图 2 中，d 为平晶发生折射的两表面之间的距离，l 为平晶受光长度，n 为平晶折射率，θ为入射角。透射光相对入射光的平移距离 s 可由下式确定

　　固定激光器并令平晶围绕自身中心轴线旋转，透射光束将实现一定范围的扫描，到达图 3 位置时获得最大入射角，该角度受平晶几何尺寸限制，即

　　平晶转动一周的角度为 2π，期间可以实现两次测量，为便于分析，只对其中的一次进行讨论，这样平晶转动周期与测量周期相同，设为 T。若扫描到被测工件两边缘的时刻分别为 t1和 t2，对应的入射角分别为θ1和θ2，T、t1和 t2可由计时电路测得，保持电机转速稳定，则有角度和时间的比例关系式

　　将先出现扫描光束的光轴一侧的入射角定义为负，另一侧的为正，并令先扫描到的边缘距光轴距离为s1，后者为s2，根据式(1)和式(5)可确定被测工件的直径D为

　　2 扫描特性

　　诸如单边衍射、边界检测等激光扫描技术共有的问题可参考文献[9-10]，这里只对引入平晶带来的特性问题展开分析。

　　2.1 扫描非线性

　　对式(1)取 d=40 mm，l=2d=80 mm，n=1.51, 根据式(3)可计算出测量范围为 45.25 mm，此时扫描光束平移距离随入射角的变化如图 4 所示。