基于环形光切图像法的管内壁激光测量系统

　　摘要:研制了基于环形光切图像法的管内壁测量系统。测量系统主要由半导体激光器、环形光发生器以及CCD摄像机组成。来自光环发生器的环形光带投射于被测管内壁上并成像于CCD摄像机。根据光散射和反射的理论,测量系统参数被选择以优化系统。实验结果显示原理正确、技术可行。

　　1　引言

　　在许多工业部门中大量使用着圆管类零件。一些圆管类零件如石油工业的抽油泵管、液压传动的长形油缸以及滑膛炮的炮筒管等对管内壁尺寸形状的精度 要求较高,在加工和使用过程中需要精确检测,以了解管内壁表面的尺寸形貌及缺陷。当前管内壁表面检测的常用方法有空气塞规法[1]、涡流法、超声法 [2]、光学单点扫描法[3]以及光环法等[4]。前三种方法由于测量分辨率太低(不高于0·5 mm),不适合高精度管内壁表面的检测。光学单点扫描法具有很高的检测分辨率,但是由于依赖于传感器的机械回转完成管内壁表面某一截面的扫描测量,故测量 时间太长,测量效率较低(测量5 m长的管件约需50 min)。光环法具有合适的分辨率及快速的测量速度等优点。Inari等人[4]研制了基于光环法的管内壁形貌测量传感器,但由于结构的限制,只适合测量 内径范围14·5~25·4 mm的热交换管。

　　本文描述了一种用于测量管件内表面尺寸形貌和表面缺陷的管内壁测量系统。该系统主要由半导体激光器、环形光发生器、CCD摄像机以及系统驱动装 置组成。环形光发生器将半导体激光器的入射光束变换成一标准圆环光投射于被测内表面上,来自被测内表面上的散射和反射光成像于CCD摄像机。标准圆环光就 象一光刀切于被测内表面,故称环形光切图像法。根据光散射和光反射理论,选用合理的参数以优化测量系统。将测量系统安装在自动行走的小车上,可以 100μm的半径分辨率测量内径范围80~140 mm管内壁的尺寸形貌。因无需回转装置,可一次完成管内壁一截面的检测,测量5 m长的管件仅需15 min。

　　2　测量原理

　　2·1　基本原理

　　环形光切图像法的基本测量原理如图1所示,测量系统由半导体激光器1、环形光发生器2、发射及接收光窗3、接收透镜4、CCD摄像机5以及系统 驱动装置6组成。半导体激光器1发射的光束经环形光发生器2后形成一标准圆环形光带,经过发射接收光窗3,该环形光带入射于被测管内壁某一截面处7,入射 光束在管内壁7处产生的散射、反射光束再经发射接收光窗3由接收透镜4聚焦于CCD摄像机5的光敏面上形成一圆环形的像,经过图像处理后可得知管内壁某截 面处的尺寸形貌。由步进电机驱动装置6沿管轴线方向驱动整个测量装置,管内壁的尺寸形貌即可获得。