| ttb2016 |
2016-12-14 09:43 |
在线测径仪的数据处理
摘要：本文主要介绍了一种在线测径仪的测量原理及其数据处理，硬件及软件系统。在线测径仪采用聚焦的激光束扫描和单片机系统处理数据，采取了数字滤波、相对测量和自校准技术，在线测径仪也称激光测径仪。 ]])i"oew
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关键词：在线测径仪；相对测量 J"SAA0)@
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引言 Xe%n.DW m
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在管、棒、线材生产中，测量管线材直径是生产过程中一个很重要的检验环节，一般产品检验中，常使用游标卡尺，千分尺作抽样测量，生产线上往往用固定径孔的模具作压、拉线径的手段，由于模具的磨损，影响管线材的直径和圆度。因此，生产过程中在线进行测量，并把测量结果回馈至控制系统，调节和控制生产过程。在需高质量产品的生产过程中是十分重要的手段。 9J1& g(?>-
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激光测径仪是利用小焦点激光束平行扫描，用光电检测器接收信号以单片机处理测量数据，实现了线径的高精度测量，直接数字显示。 R Jg# A`
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1、原理 bb#w]!q
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1.1、线径测量光学原理 ))+R*k%
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在线激光测径仪采用激光器作为光源，运用以下光路原理，完成了聚焦、扫描和光电转换功能，图1是原理示意图。 EG V@L#
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激光束经过扩束器成扩束平行光，入射于微电机驱动的反射镜上，光束反射后沿径向顺时针扫描，反射镜置于透镜L1前焦面，则径向扫描光束成自上而下的近似匀速的平行光线性扫描，由于工件置于L1的后焦面上，扫描光束会聚成扫描光点，从而可提高测量精度。L2和L1原理相似，把扫描光束会聚在光电接收器上，把光信号转变为电信号。
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当光束扫描到光阑或待测物体上时被挡住，光电器件接收不到光信号，输出为低电平；光束扫描到光阑与待测物体的缝隙时，光束可透过光电器件接收到光信号，输出为高电平，所以全部输出信号为双脉冲信号，如图2所示。 AA@J~qd
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由于光点匀速扫描，输出信号中有效成分为光阑间距和工件挡住的信号。光阑间距是固定的，测定了二者脉冲时间宽度比，从而测定了工件直径值。 L1aN"KGMF
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1.2、脉宽比值测量电路原理 )ll}hGS
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脉宽比值测量电路任务是将光路部分输出的脉宽信息提取出来，得出被测工件直径，原理可参考图2。 6 C
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输出信号的两个单脉冲信号时间间隔与工件直径成正比关系 ^&.F !
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这一比值关系不受光束扫描速度变化影响，故可得出比较准确的结果，L是光阑间距，Φ是待测工件直径，T为光阑间距，L对应时间脉冲宽度，t为工件直径Φ对应时间脉冲宽度。如果光阑苋度为已知，则式（1）可测出工件直径，反之，用另一根直径Φs已知的棒放入光阑之间，就可以校准L，即 &hZcj dB
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[attachment=74463] y/Nvts2!C
由于利用脉冲宽度比作相对测量，仪器、环境的各种影响，诸如：马达转速不匀，环境温度变化，电源电压变动等，可减至最小。测量电路如图3所示。 f)*}L?
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[attachment=74464] C
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光信号经高灵敏度雪崩光电二极管转换为电信号，再经宽带小信号放大电路，得到脉冲整形电路所需的信号幅度。脉冲整形电路将双脉冲信号转换为代表光阑与工件直径相对宽度的两个单脉冲信号输入单片机系统，进行计数测量，数字显示电路将单片机测定算出的工件直径直接显示出来。 gBresHrlH
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2、测径仪装置 rs! J<CRq
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2.1、硬件实现 WT !%FQ9
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激光测径仪数据处理部分实验电路为图4所示，包含光电信号放大、整形、变换及计数电路、8031单片机系统及LED显示电路。 zQ7SiRt7*
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[attachment=74465] 2 0hE)!A
光电值号放大采用低噪声宽频带运算放大器，以保证光电信号得到无失真放大，整形转换电路采用D触发器及组合逻辑电路，将己放大的双脉冲转换为与光阑宽度及工件直径对应的两个单脉冲t及T。 PN<Y&/fB
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将晶体振荡电路产生的计数脉冲填入t和T，经8031单片机的计数电路T0和T1，即可得到t/T=N1/N0。 sHAzg^n}r
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8031系统通过8279将通过的述式1或式2计算得到的光阑宽度或工件直径显示在LED显示屏上。 ^@jOS{f l
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由于8031最高振荡频率为12MHz，片内计数器最高计数频率为500KHz。为了提高计数精确度，一种改进电路是采用外接高频计数器，计数值直接通过缓冲器读入8031的敢据总线。 2\m+
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2.2、软件实现 IDcu#Nz`
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激光测径仪的特点是采用比值测量，可以最大程度地减少系统及环境不稳定因素的影响，而且，对于光阑宽度可采用标准棒径即时校准，使之实质上得到标准棒径与未知棒径作比较，由已知棒径求得未知棒径值。 Px)VDs=k
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因此程序应包括：由标准棒径校准光阑宽度值；由已知光阑宽度测未知棒径等部分。 R1?g6. Mq
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测径程序流程如图5所示。 F4d L{0;j
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[attachment=74466] <udp:s3#T
从图5的流程图，可见程序结构简单明了，无需多加说明，需要指出的仅一点： $JcU0tPq0
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图5测径子程序中采用了数字滤波技术滤去了不必要的采样噪声，使得在数字测量中固有的量化误差对比值测量的影响减到最小，从而将测量灵敏度提高到微米量级。 ~)WE
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在测量运算中，原采用小数BCD码与二进制数的转换存在转换误差；改进算法，采用整数BCD码与二进制转换，可以消除这部分误差。 44wY5nYNt
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结论 6`F_js.a
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生产过程中线径的在线测量，使用非接触激光测量法可实时监测线材生产，还可扩展为线材生产的线径自动控制系统，将测得的数据反馈至拉线模具，对线径生产实行精密控制。本文所述激光测径仪在光学与数据处理部分采用了有措施，控制了测量的误差，可以得到高精度的测量结果。（来源：数据采集与处理 第12卷 第2期）
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