激光扫描动态测量管外径的研究

一、引言

生产现场对于处在自动线上的管外径测量提出了愈来愈高的要求。我们的研制实践稳定地实现了三方位、动态、非接触式外径测量，并以数字显示、打印制表和超差报警的方式，使操作者及时掌握被测外径的尺寸精度和椭圆度。研制仪器在冶金厂家获得了长时间的稳定运行。利用激光扫描、动态检测外径，据资料报导[1]，1985年日本曾研制成功检测精度为±0.05mm的检测仪器;我国北京605厂[2]亦于同年制作出单方向检测石英管外径的测量仪，检测精度为±0.1mm，但其无法测量椭圆度，且不宜应用于其他行业。

二、仪器的研制原理

整机光路及电路系统如图1所示。

氦氖激光器射出连续的激光束，经棱镜1，2转折后，平行于透镜5主光轴入射，并聚焦在置于透镜5焦点处、且由同步电机驱动的旋转镜鼓3的界面上，从而形成扫描光束8。该光束经准直物镜5后平行于主光轴，再由会聚透镜6将其聚焦于光电元件4的光敏面上，变为电信号输出。

透镜5，6间的平行光束随着旋转镜鼓的旋转而平移。当它被待测外径7挡住时，信号放大及半波峰值检出器9将输出一个代表被测外径的脉冲。另置一稳定的石英晶体振荡器作为晶振源，以其发出的时钟脉冲作为计数系统的基频。被测外径脉冲同晶振源脉冲由与门复合后输出待测外径信号，再进入前置计数器、可逆计数器及储存器进行计数显示.

三、分析与讨论

1.fθ透镜的应用

由扫描测量原理知，待测直径?是由测定扫描光束在被测物上经过的时间t确定的。故光路应能实现?与t间的线性关系。而，式中v为平行光束在待测外径上的扫描速度·由此，v应为定值.

由由图1，光束8与光轴成θ角，经透镜5后所成的平行光束与光轴间距离为h。欲使前述v为定值，则实现：

h随θ变化，而θ取决于旋转镜鼓的转速。当旋转光束8的角速度为?(此时镜鼓转束为?/2)，即θ=?t时，对于不同的透镜，其扫描特性是不同的，如图2所示。一般称θ与h成线性关系的准直物镜为fθ透镜。

图中曲线1为一般透镜，2为fθ透镜，3为傅氏透镜。由a图可见，只有fθ透镜才能实现:

由此可见，fθ透镜的应用为实现扫描法正确测量外径的关键。

2.提高仪器检浏精度的途径

设图1中旋转镜鼓同步电机的转速为f机(r/s)，则其角速度为:

由平面反射镜特性，光束8旋转的角速度为:

设fθ透镜5的焦距为F，则可以认为光束8经透镜5后在测量区间形成的光束之平移速