李宏達，呂佳昊，薛宸浩，韓夢凱，王超明

（1.沈陽理工大學 裝備工程學院，遼寧 沈陽 110159；2.沈陽東科拉科技有限公司，遼寧 沈陽 110000）

激光檢測技術是近年來在工業(yè)檢測領域的一個研究熱點，但是過往主要以機械接觸式和物理接觸式測量技術為主。如今激光檢測技術完成了非接觸式的測量，替代了傳統(tǒng)的靜態(tài)接觸式測量，因而提高了測量的準確性，是一項具有極大價值的創(chuàng)新技術。為了滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要，我國于20 世紀80 年代末90 年代初開始研究激光測量技術，但相較于國外起步比較晚。如河北保定市藍鵬測控科技有限公司研發(fā)的測徑儀測量范圍為1-50mm，測量精度為±0.01mm；四川輝煌測控研發(fā)的雙向激光測徑儀測量范圍為0.1-20mm，測量精度為±0.001mm。大多國內測徑技術依然使用傳統(tǒng)激光掃描法等技術，比較先進的是德國西科拉工業(yè)電子公司（SIKORA AG）研制的相關測徑儀測量精度可達0.2μm，測量范圍為0.2-18mm，但進口和售后維修成本比較高。

目前，傳統(tǒng)激光測徑技術應用非常廣泛。主要分為以下幾種[1]：激光干涉[2-3]原理為利用高頻的脈沖激光，通過入射激光和反射激光的相位差值來計算被測元件瞬間的位置改變，然后利用這種瞬間的位置變化量的加和可以描述元件形狀輪廓的情況。但缺點是在誤差補償中誤差補償點號要從參考點開始計算，并且，補償點號、補償值、補償點的位置這三個量必須要相同對應[2-3]，比較容易產(chǎn)生數(shù)據(jù)誤差；攝像式測徑[4-5]原理是白光源從一側照射在電纜上，電纜所成陰影通過透鏡系統(tǒng)成像于CCD 上，根據(jù)透鏡成像系統(tǒng)的像距與物距的比例和CCD 上的陰影長，計算出電纜實際直徑尺寸。但缺點是測量精度低，不適于要求精度高的小線徑測量；激光掃描法原理是用一束激光以某一角度照射在由電機驅動旋轉的多棱鏡表面進行折射，從而使激光照射路徑可以掃描通過被測工件，在CCD 陣列傳感器接收光斑數(shù)據(jù)從而計算出物體直徑寬度。但由于受電機轉速的限制，單次測量時間為ms 級別，且由于運動部件特有的長期使用后的老化，多棱鏡和電機需要進行定期維護，光學鏡頭位置微弱移動則會帶來測量誤差。測量速度一般可達300Hz，不適合大線徑測量。

綜上所述，本文針對測量誤差較大及成本高昂等問題，設計基于激光衍射原理的激光測徑儀，彌補現(xiàn)有激光測徑相關技術的不足，以達到使用壽命長、穩(wěn)定性高、精確度大、測量范圍大、連接方式多、故障率低等目的。并且設備內部沒有電機的任何運動部件和光學鏡頭，無需擔心由于抖動或光學部件位置微弱變化帶來的測量誤差，可以長久安心使用。在不損失測量質量的情況下，設計提出最大掃描頻率可達2500Hz，而參數(shù)的固定時間僅100ns。

1 測徑儀總體方案設計及原理

1.1 總體方案設計

測徑儀總體結構框圖如圖1 所示，總體測徑儀設備系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集部分和數(shù)據(jù)處理存儲部分，其中數(shù)據(jù)采集部分由高頻脈沖激光光照系統(tǒng)、線陣CCD 傳感器（TCD1703C）和信號處理及A/D 數(shù)模轉換電路構成，數(shù)據(jù)處理存儲部分主要由數(shù)據(jù)存儲器和嵌入式單片機（STM32 微控制器）組成；其次還包括電源、TFT 觸摸屏、USB 接口及計算機等。

圖1 測徑儀總體結構框圖

激光二極管產(chǎn)生的光照落在被測量的元件上，而被測元件在高頻脈沖激光光照系統(tǒng)中成像，此時線陣CCD（TCD1703C）可以測試到相關位置的光斑的改變，CCD 輸出的數(shù)字信號經(jīng)過信號調理電路后進行A/D 數(shù)模轉換，STM32 微控制器通過TCD1703C 和A/D 數(shù)模轉換器在讀出A/D 轉換結果時進行實時控制[6]。集成的信號處理器直接在測量儀內部處理此圖像信息，然后將直徑值與標稱值進行比較，并檢查以保持公差極限。信息與相應的數(shù)據(jù)一起發(fā)送到串行接口或Profibus 接口。該設備提供各種接口，因此可以連接到計算機、PC 或觸摸屏?？梢酝ㄟ^觸摸屏及相關軟件的使用來進行實時檢測、存儲數(shù)據(jù)和檢索歷史記錄等操作[6]。

1.2 激光衍射原理

利用激光通過被測物的Fraunhofer 衍射效應進行測量是激光衍射測量的基本原理，具體來說，激光的Fraunhofer 衍射是一種遠場衍射，其測量過程是利用探究被測物與參考物之間的間隙所形成的遠場衍射的特性來完成，測量時，使激光照射至被測物與參考的標準物之間的間隙[7]。假設激光波長為λ，直射到長度為L，寬度為ω 的單縫上（L＞ω＞λ），并且滿足與觀測屏的距離關系式時，由于發(fā)生Fraunhofer 衍射，在觀測屏的視場上將能夠看到十分清晰的亮暗相間的激光衍射條紋[7]。圖2 為衍射原理圖，在觀測屏上接收到由單縫形成的衍射條紋，其光強I 的分布由物理光學可知：

圖2 衍射原理圖

以上是遠場衍射光強分布的基本原理，說明衍射光強隨sinβ 的平方而衰減。當β=0，±π，±2π，...，±nπ處將出現(xiàn)強度為0 的暗條紋。由此可知，通過測量任一個暗條紋的相對位置變化就可以知道間隙ω 的尺寸和相對尺寸變化。這就是通過激光衍射進行測量的原理[7]。利用測定激光照射下的Fraunhofer 衍射形成的清晰衍射條紋可以進行μm 量級的測量。

1.3 電纜外徑測量原理

本測量儀基于激光衍射原理，利用激光投影陰影法，激光光束的指向性及高能量密度[8]，照射掃描在CCD 上，進行光電信號轉換，再對電信號進行整合與處理，最后把結果顯示出來[9]。光學控制中使用最廣泛的方法是準平行光束中的陰影方法。該方法的本質在于使用多元素線性光電探測器在平行光流中測量電纜產(chǎn)生的陰影。對于大直徑測量，當被測物體垂直于任何測量通道的光軸移動時，投射在該通道的CCD 接收器上的圖像在相當大的位移范圍內都保持不變[9]。為了將所測量的投影轉換成直徑值，需要知道每個測量通道中的該投影的尺寸與被測量物體沿著該通道的光軸的位移的相關性。在這種雙坐標系統(tǒng)中，無法轉換得出用于計算直徑的主要測量信息的功能，因為當被測物體沿一個測量軸移動時，它將離開物鏡的焦平面，這會導致邊界部分模糊其圖像投影到CCD 標尺上。另外，其顯示的比例發(fā)生了變化，因此僅通過設備的實驗校準就可以獲得用于投影雙坐標測量儀得到直徑的方法。激光外徑測量原理如圖3 所示。

圖3 激光外徑測量原理圖

2 誤差實驗測試及誤差分析

2.1 誤差實驗測試

將線纜外徑測量儀進行連接，調試與測試測量結果準確性的過程，如圖4 所示，儀器可接入計算機實時讀取顯示數(shù)據(jù)。圖5 顯示的是線纜外徑測量儀顯示界面，其上面顯示的數(shù)據(jù)分別為D1 為內徑，即線纜未包裹絕緣層時的外徑；D2 為外徑，即線纜包裹絕緣層后的外徑；Ex 為x 軸方向的偏心值（勾股定理計算）；Ey為y 軸方向的偏心值；L 為線纜長度；顯示屏上Min（絕對壁厚）=外徑-內徑-偏移量，即Min=D2-D1-圖6 所示為測量所用標準棒。

圖4 線纜外徑測量儀實物圖

圖5 線纜外徑測量儀顯示界面

圖6 測量所用標準棒

分別對尺寸為1，6，15，24，30mm 的五組圓柱形標準棒進行測量，每組標準件誤差實驗做十次，實驗結果見表1。

表1 標準件測量數(shù)據(jù)及分析

算術平均值公式：

其中Xi表示第i 次的測量值，n 表示測量次數(shù)[6]。

標準差公式：

其中X 表示n 次測量的算術平均值，Xi表示第i 次的測量值，n 表示測量次數(shù)。

2.2 誤差分析

測量儀器的誤差有不同的分類，根據(jù)測量誤差的類型，可以分為硬件誤差、隨機誤差和總誤差。硬件誤差包括儀器本身的誤差、實驗方法的誤差和實驗方法的不完全性引起的誤差。硬件誤差的特點是，同一實驗重復多次時，誤差總是相等或很小，不存在某些時候誤差大，其他時候誤差小的情況。為了減少硬件誤差，可以用軟件對儀器進行校準和校正。而隨機誤差則是由實驗者、儀器和被測物理量的各種隨機因素造成的。隨機誤差總是有時大，有時小，有時大或小的概率相同。因此，進行多次測量后得到的幾次測量的平均值有可能比一次測量的值更接近真實值。

測量儀器產(chǎn)生的原始誤差，主要是由于被測導線直徑的均勻性和外部條件的快速變化破壞了CCD 信號的輸出穩(wěn)定性。在測量的結果中，有幾個采樣數(shù)據(jù)存在原始誤差，必須進行處理，這部分數(shù)據(jù)的處理在單片機中實現(xiàn)[10]。

本測量儀產(chǎn)生的儀器誤差和隨機誤差主要有兩種來源：

（1）光源帶來的誤差。光源是外徑尺寸測量中最為重要的部分，需要注意光斑的大小、光線的準直程度以及光斑的均勻性。其中光線的準直程度直接關系到測量的精度，在采用本文所述的方法確定投影邊緣時，光線的準直程度必須要高，光斑的均勻性要求倒不是很嚴格。但是如果在邊緣定位中運用擬合法，然后通過閾值判斷邊緣位置時，那么光斑的均勻性一定要高。

（2）線陣CCD 圖像采集器可引入誤差。線陣CCD所使用的為TCD1703C，它的每個像元尺寸長度是7μm，根據(jù)CCD 測量原理可知，如沒有對測量結果進行邊緣細分的處理時，測量的準確度最大也就只能達到7μm 的分辨率；另外線陣CCD 圖像采集儀在圖像采集過程中噪聲污染不可避免地存在，STM32 微控制器實時驅動CCD 和A/D 轉換過程中非并行驅動帶來的誤差，因此在利用微分法進行測量時的穩(wěn)定性較差，這些噪聲總是客觀存在的。

3 結論

本文所設計測徑儀與國內同類測徑儀相比，具有更大的緊湊性，更好的性能特征以及更低的成本。并且還具有高穩(wěn)定性、高耐久性、高精度、高速性（采集處理傳輸）的特點，最重要的是整個測量系統(tǒng)均可以實現(xiàn)快速便捷實時組網(wǎng)，可以隨意增加或減少測量系統(tǒng)內設備數(shù)量，單個設備停用也不會影響整個網(wǎng)絡的運行，并且該網(wǎng)絡也可隨意并入其他相關設備（互不影響），實現(xiàn)實時監(jiān)測的目的。采用通用的測量電路的非標準方法，可以使用廉價的機械和電子組件來實現(xiàn)比較好的計量特性。使用本文中描述的用于A/D 轉換主要信息的光學方法以及總體方案的設計，可以同理設計出一系列用于測量電纜直徑的設備。同樣，在執(zhí)行通用測量方案時使用非標準方法可以在很大程度的測量直徑范圍內實現(xiàn)計量特性，與國外同類測徑儀相比更加優(yōu)越。該測徑儀也具有很高的技術和計量特性。