扫描式激光测径技术的算法新探

　　为了监控管材产品的质量,必须实时准确地测量管材的径值。受生产条件和产品性质的制约,接触式测量法已不能满足实际检测需要。作为一种高速、高精度在线测量外径的方法———激光扫描测径技术应运而生,并快速广泛地应用于工业管材的无损检测中。

　　1　激光扫描测径技术的传统算法

　　1.1　测量原理

　　激光扫描法测径原理见图1。利用旋转的激光扫描转镜产生自上而下匀速的平行激光束扫描被测管材,在另一侧用探测器记录激光被管材遮挡的时间。设激光束的线扫描速度为v,激光束被管材遮挡的时间为t,则得到的管材直径D=vt^[1]。采用激光扫描技术,能够把空间尺寸测量转换为脉冲时间间隔测量,从而提高测量精度和抗干扰性能^[2]。由于无需与被测物体接触,激光测径技术适用于在线检测。

　　1.2　基本算法及其实现方法

　　由检测原理得到激光扫描测径技术的基本算法D=vt。后衍生出标准棒法,即在测量区域内放置一个已知直径的标准棒d,利用被扫描管材时间t1和标准棒的时间t2求出管材的直径在实际测量中,为保证测量的精度和稳定性,上述算法必须同时满足两个基本条件^[1]:①扫描线速度应是均匀等速的;②扫描光束应与光轴保持平行。为了满足了这两个条件,常用的方法是使用同步电机和fθ透镜(即平场透镜)来实现。fθ透镜的光学成像特点为h=fθ,其中h为像高,f为透镜焦距,θ为光束入射角度。当同步电机带动激光扫描转镜以恒定的角速度ω转动时,激光束的扫描速度为:激光束的扫描角速度ω′=2ω。这样将由恒定角速度的激光扫描光束转化为平行的匀速激光扫描光束,从而满足测量基本条件。

　　1.3　算法缺陷

　　实际测量中即使采用了上述实现方法,但还是存在不可避免的误差。主要原因是①fθ透镜并不能完全满足理想的fθ条件,其中包含着非线性的固有误差。②激光扫描转镜各反射面到转轴距离不均匀、偏心等工艺原因导致的扫描速度误差^[1]。③由于电压不稳,同步电机转速不稳定引起的扫描速度误差。因为算法本身不能消除这些因素对测量结果的影响,所以会影响测量精度。另一方面精度高的fθ透镜和同步电机的价格都很昂贵,增加了产品的生产成本。在研究了传统的激光扫描法测径的原理和算法后,笔者发现,通过改变算法可消除上述影响因素,降低对测量限制条件和器件的苛刻要求,同时可以增大测量区域,提高测量精度和稳定性。

　　2　激光扫描测径技术的新算法