激光扫描测径仪以及测量工件外径的方法
【专利摘要】本发明公开了一种激光扫描测径仪和测量工件外径的方法，尤其适合测量大口径工件。激光扫描测径仪包括激光传感器和数据处理电路，激光传感器包括：第一激光器和第二激光器，分别发射激光束照射到多面体转镜上形成第一扫描扇和第二扫描扇；第一反射镜和第二反射镜，将第一扫描扇和第二扫描扇反射至第一平凸透镜和第二平凸透镜；第一平凸透镜和第二平凸透镜，将第一扫描扇和第二扫描扇分别变换为第一扫描带和第二扫描带；第一双凸透镜和第二双凸透镜聚焦扫描了工件之后的第一扫描带和第二扫描带；两个光电接收器，分别接收经双凸透镜聚焦的第一光信号和第二光信号，转换为第一电信号和第二电信号；数据处理电路，计算并输出对工件的外径测量结果。
【专利说明】激光扫描测径仪以及测量工件外径的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种工业在线测量仪器，尤其涉及一种激光扫描测径仪以及一种测量工件外径的方法。
【背景技术】
[0002]现有技术的激光扫描测量技术的原理图如图1A所示，其关键的光学部件——扫描透镜一般采用平场扫描透镜，即f-theta透镜102。测量的原理如下:激光器101发出的光束照射到由匀速同步电机带动多面转镜109上，经反射旋转形成扫描扇110，扫描扇110通过f-theta透镜102变换为扫描带111。工件103放置在扫描带111中，被部分遮挡的扫描带111经过双凸透镜聚焦到光电接收器115上，形成了对应于扫描带111照射和被遮挡所产生的高低电平信号，如图2所示。由于带动转镜旋转的电机是匀速转动的，因此扫描扇HO是由激光束以多面转镜入射点为中心进行等角速度旋转所产生的。f-theta透镜将扫描带111变换为自上而下匀速水平扫描的扫描带111。如果知道扫描带111的扫描速度并且测量出工件遮挡时间，两者相乘便可以知道工件103的外径。
[0003]算法如下:将图1A中的扫描带111中的激光束仅保留上下边界和通过工件103上下边缘的四条，如图1B所示。
[0004]理想的f-theta的成像公式如下:
[0005]y = ?' * Θ，其中f'为一由f-theta透镜自身光学参数决定的常数，
[0006]从光电接收器得到扫描带111被工件103遮挡的时间Td，通过下式便可以计算出Θ的大小。
[0007]e = 2*Td*m，其中m为转镜109匀速旋转的角速度，
[0008]将Θ代入前一个的公式便可算出工件103的外径y。所以决定f-theta透镜测量效果的两个参数为 和Ω7，如果这两个参数都是恒定的话就可以精确测量出工件的外径。但实际的f-theta透镜存在着f-theta畸变，f'是个与Θ相关的函数，即f'为函数
f/ (Θ)。表达式
【权利要求】
1.一种激光扫描测径仪，包括激光传感器和数据处理电路，其特征在于: 所述激光传感器包括发射端的: 第一激光器(IOlA)和第二激光器(101B)，分别位于多面体转镜(109)的两侧，所述第一激光器和所述第二激光器所发射的激光束分别照射到所述多面体转镜上并由于所述多面体转镜的转动而分别形成第一扫描扇(110A)和第二扫描扇(110B)； 第一反射镜(107A)和第二反射镜(107B),分别将所述第一扫描扇和所述第二扫描扇反射至第一平凸透镜(106A)和第二平凸透镜(106B)的平面侧； 所述第一平凸透镜和所述第二平凸透镜，其平面侧分别接收所述第一扫描扇和所述第二扫描扇并分别变换为第一扫描带(IllA)和第二扫描带(111B)，其中所述第一扫描带和所述第二扫描带分布在工件(108)的待测量外径的相对侧，所述第一扫描带是第一激光器所发射的激光束随所述多面体转镜的转动沿垂直于所述工件的长度方向平行地扫描而形成的，并且所述第二扫描带是第二激光器所发射的激光束随所述多面体转镜的转动沿垂直于所述工件的长度方向平行地扫描而形成的； 所述激光传感器还包括和接收端的第一双凸透镜(104A)和第二双凸透镜(104B),分别聚焦扫描了所述工件之后的所述第一扫描带和所述第二扫描带； 和两个光电接收器(105A、105B)，分别接收经所述第一和第二双凸透镜聚焦的与所述第一扫描带对应的第一光信号和与所述第二扫描带对应的第二光信号，并分别将所述第一光信号和所述第二光信号转换为第一电信号和第二电信号； 所述数据处理电路，根据所述第一电信号和所述第二电信号计算并输出所述工件的外径的测量结果。
2.如权利要求1所述的激 光扫描测径仪，其特征在于，所述数据处理电路包括: 计数器(201),与所述光电接收器(105A、105B)相连,分别对第一电信号和第二电信号的整数个周期的高、低电平进行计数； 计算模块(202)，用于根据所述计数器输出的计数结果和所述平凸透镜的光学参数来计算所述工件的外径；以及 接口电路(203)，用于输出计算得到的所述工件的外径的数值。
3.如权利要求2所述的激光扫描测径仪，其特征在于，所述计算模块包括: 计数值读取模块，用于读取所述计数器对所述第一电信号的整数个周期的高、低电平进行计数的第一高电平计数值SB1、第一低电平计数值SD1以及对所述第二电信号的整数个周期的高、低电平进行计数的第二高电平计数值SB2、第二低电平计数值SD2 ；Z1 4兀 SB.第一中心角计算模块，根据公式"' =^计算所述第一扫描带中未被所述工件遮挡的部分所对应的所述第一扫描扇的部分的外侧边缘的延伸线相交而形成的第一中心角θιΧ，其中N为所述多面体转镜的反射面的数量； 第二中心角计算模块，根据公式计算所述第二扫描带中未被所述工件遮挡的部分所对应的所述第二扫描扇的部分的外侧边缘的延伸线相交而形成的第二中心角θ 2x，其中N为所述多面体转镜的反射面的数量；第一距离计算模块，由所述第一平凸透镜的光学参数所确定的所述第一中心角与所述第一扫描带中未被所述工件遮挡的部分的第一距离之间的函数关系得到所述第一距离YiX ； 第二距离计算模块，由所述第二平凸透镜的光学参数所确定的所述第二中心角与所述第二扫描带中未被所述工件遮挡的部分的第一距离之间的函数关系得到所述第二距离Y2X ;以及
外径计算模块，根据公式:Φχ = S-Y1X-Y2X来计算所述工件的外径φχ,其中S为预先存储的所述第一扫描带的外侧边缘与所述第二扫描扇带的外侧边缘之间的总距离。
4.如权利要求1至3中任一所述的激光扫描测径仪，其特征在于:所述第一平凸透镜的第一光轴与所述第一双凸透镜的光轴平行；所述第二平凸透镜的第二光轴与所述第二双凸透镜的光轴平行；并且，所述第一光轴与所述第二光轴平行。
5.如权利要求4所述的激光扫描测径仪，其特征在于:所述第一光轴经所述第一反射镜所成的镜像与所述转镜的第一交点和所述第一激光器所发射的激光束在所述转镜上的第一入射点重合；所述第二光轴经所述第二反射镜所成的镜像与所述转镜的第二交点和所述第二激光器所发射的激光束在所述转镜上的第二入射点重合。
6.如权利要求5所述的激光扫描测径仪，其特征在于，所述光电接收器(105Α、105Β)分别被布置在所述第一双凸透镜和所述第二双凸透镜的焦点处。
7.一种激光扫描测径仪，包括激光传感器和数据处理电路，其特征在于: 所述激光传感器包括发射端的: 第一多面体转镜和第二多面体转镜； 第一激光器，位于所述第一多面体转镜侧，所述第一激光器所发射的激光束照射到所述第一多面体转镜上并由于所述第一多面体转镜的转动而形成第一扫描扇； 第二激光器，位于所述第二多面体转镜侧，所述第二激光器所发射的激光束照射到所述第二多面体转镜上并由于所述第二多面体转镜的转动而形成第二扫描扇； 第一平凸透镜和第二平凸透镜，其平面侧分别接收所述第一扫描扇和所述第二扫描扇并分别变换为第一扫描带和第二扫描带，其中所述第一扫描带和所述第二扫描带分布工件的待测量外径的相对侧，所述第一扫描带是第一激光器所发射的激光束随所述多面体转镜的转动沿垂直于所述工件的长度方向平行地扫描而形成的，并且所述第二扫描带是第二激光器所发射的激光束随所述多面体转镜的转动沿垂直于所述工件的长度方向平行地扫描而形成的； 所述激光传感器还包括和接收端的第一双凸透镜和第二双凸透镜，分别聚焦扫描了所述工件之后的所述第一扫描带和所述第二扫描带； 和两个光电接收器，分别接收经所述第一和第二双凸透镜聚焦的与所述第一扫描带对应的第一光信号和与所述第二扫描带对应的第二光信号，并分别将所述第一光信号和所述第二光信号转换为第一电信号和第二电信号； 所述数据处理电路，根据所述第一电信号和所述第二电信号计算并输出所述工件的外径的测量结果。
8.一种测量工件的外径的方法，其特征在于，包括: 步骤1:产生第一激光束经过第一透镜后垂直于所述工件的长度方向并平行地扫描形成第一扫描带，所述第一扫描带部分被所述工件遮挡；产生第二激光束经过第二透镜后垂直于所述工件的长度方向并平行地扫描形成第二扫描带，所述第二扫描带部分也被所述工件遮挡； 步骤2:分别聚焦经过所述工件遮挡之后的所述第一扫描带和所述第二扫描带； 步骤3:接收对应所述第一扫描带的第一光信号和对应所述第二扫描带的第二光信号，并分别将所述第一光信号和所述第二光信号转换为第一电信号和第二电信号；以及步骤4:根据所述第一电信号和所述第二电信号计算并输出对所述工件的外径测量结果O
9.如权利要求8所述的测量工件的外径的方法，其特征在于，所述步骤4包括: 步骤41:分别对第一电信号和第二电信号的整数个周期的高、低电平进行计数； 步骤42:根据所述计数结果以及所述第一透镜、所述第二透镜的光学参数来计算所述工件的外径；以及 步骤43:输出计算得到的所述工件的外径数值。
10.如权利要求9所述的对工件的外径进行测量的方法，其特征在于，所述步骤42包括: 步骤420:读取所述计数器对所述第一电信号的整数个周期的高、低电平进行计数的第一高电平计数值SB1、第一低电平计数值SD1以及对所述第二电信号的整数个周期的高、低电平进行计数的第二高电平计数值SB2、第二低电平计数值SD2 ； 步骤421:根据公式:
【文档编号】G01B11/08GK103673906SQ201310681750
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年12月12日 优先权日:2013年12月12日
【发明者】刘大江 申请人:北京动力源创科技发展有限公司