論雙光路激光掃描測徑系統(tǒng)的設(shè)計范文

本站小編為你精心準(zhǔn)備了論雙光路激光掃描測徑系統(tǒng)的設(shè)計參考范文，愿這些范文能點燃您思維的火花，激發(fā)您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

［摘要］針對大直徑等相關(guān)非透明線材快速實時測量的問題開展研究，設(shè)計實現(xiàn)了雙光路激光掃描測徑系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于“三標(biāo)準(zhǔn)棒法”，應(yīng)用3個標(biāo)準(zhǔn)棒相對測量原理，采用數(shù)據(jù)分組策略方法，降低環(huán)境和偶然誤差的影響。以ARM為核心控制器對數(shù)據(jù)采集并處理，通過TM1638按鍵顯示模塊顯示測量結(jié)果。實驗表明，該方法具有較好的測量效果。

［關(guān)鍵詞］雙路激光掃描測徑；標(biāo)準(zhǔn)棒法；ARM

非接觸式測量因其高速、高精度等特點，逐步遍及各種高精度檢測領(lǐng)域，其中激光測徑方法［1］是目前普遍運用的非接觸測量方法。當(dāng)前有兩種常用的激光測徑方法：基于CCD接收光信號測徑方法；激光掃描測徑方法。針對CCD接收光信號測徑方法，吳呂憲［2］設(shè)計了基于線陣CCD及STM32的滾針直徑精確測量系統(tǒng)，王蕊［3］設(shè)計了基于激光和CCD器件的數(shù)字電纜在線測徑儀，但是CCD接收光信號測徑方法受到光學(xué)透鏡與同步電機(jī)的制約，對環(huán)境要求較高，導(dǎo)致測量精度較低。激光掃描測徑法采樣頻率快，測量動態(tài)范圍大，抗干擾性強(qiáng)，精度高。周志［4］設(shè)計了采用標(biāo)準(zhǔn)棒法的細(xì)小線材單光路掃描式激光測徑儀。談小龍［5］設(shè)計的基于FPGA的精密激光測徑儀系統(tǒng)，雖然測量精度得到提升，但是受平凸透鏡直徑的限制，測量范圍較小。遲云桐［6］和宋甲午［7］等設(shè)計出了雙光路激光掃描測徑系統(tǒng)，雙光路激光掃描測徑儀測量上限不受平凸透鏡直徑影響，解決了利用小透鏡測量大口徑的難題。但忽略了同步電機(jī)轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的影響，導(dǎo)致測量精度不高。本文設(shè)計了基于“標(biāo)準(zhǔn)棒法”雙路激光掃描測徑系統(tǒng)，消除了電機(jī)轉(zhuǎn)速對測量結(jié)果的影響，抗干擾能力強(qiáng)。以ARM為主控芯片，利用數(shù)據(jù)分組策略［8］對數(shù)據(jù)采集及處理，相對于FPGA與FPGA－ARM雙核心芯片，ARM結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，開源代碼資源豐富，同時能夠快速采集數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)分組處理。該雙光路掃描測徑儀測量范圍為20～30mm，示值誤差在±0．005mm內(nèi)，在擴(kuò)大測量范圍的同時提高了測量精度。

1雙光路激光測徑儀原理及主要性能指標(biāo)

1．1雙光路激光測徑儀原理

雙光路激光掃描測徑系統(tǒng)，由激光發(fā)射部分、檢測部分和接受部分構(gòu)成。其中發(fā)射部分由激光器、八棱鏡和電機(jī)組成，光接受部分由光電二極管和相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理單元構(gòu)成，檢測部分由三個光學(xué)透鏡和一個半透半反棱鏡以及一個全反棱鏡組成。激光器發(fā)出光線通過掃描轉(zhuǎn)鏡產(chǎn)生掃描光速，透鏡一將掃描光速變成平行光束，然后通過半透半反棱鏡和全反棱鏡變成兩路平行光速，對被置于測量區(qū)域的標(biāo)準(zhǔn)棒和被測工件進(jìn)行高速掃描，再通過透鏡二和透鏡三把平行光束聚焦到兩個光電二極管，由兩個光電二極管獲取的光信號轉(zhuǎn)換成電信號，傳輸給光電信號處理模塊，經(jīng)過光電信號處理模塊放大，二值化處理后，通過主控制器模塊數(shù)據(jù)處理將測得直徑顯示出來。本文設(shè)計的雙光路激光掃描測徑儀基于三標(biāo)準(zhǔn)棒法對被測工件進(jìn)行處理。該雙光路激光掃描測徑系統(tǒng)要通過兩次測量，第一次將兩個小直徑標(biāo)準(zhǔn)棒和一個大直徑標(biāo)準(zhǔn)棒（與測量棒直徑差不多大）放在掃描區(qū)域進(jìn)行測量，將測量的數(shù)據(jù)保存在STM32中，第二次將被測量棒以及兩個合適標(biāo)準(zhǔn)棒放在測量區(qū)域進(jìn)行測量。第一次測量時棱鏡與平凸透鏡之間的掃描測量區(qū)中兩個小直徑標(biāo)準(zhǔn)棒所遮擋光的時間分別為Ta和Tb，第二次測量時測量棒所遮擋的和兩個小直徑標(biāo)準(zhǔn)棒遮擋之間的高電平為T3和T4，電機(jī)在兩個光路的掃描速度分別為V1和V2（這個兩個掃描速度基本上一樣，為了消除雙光路帶來掃描速度的誤差因此分別設(shè)置），兩個小直徑標(biāo)準(zhǔn)棒分別設(shè)置為Da、Db。大直徑標(biāo)準(zhǔn)棒為D1，測量棒的直徑為D2。

1．2雙光路激光掃描測徑儀的主要性能指標(biāo)

雙光路激光掃描測徑儀的性能指標(biāo)如：測量精度，±0．001mm；測量范圍，20～30mm；分辨率，0．001mm；顯示刷新頻率，1s／次；工作環(huán)境，－10°C～50°C；TM1638數(shù)碼管顯示；電源，5VDC。

2系統(tǒng)的設(shè)計

2．1硬件設(shè)計系統(tǒng)

硬件分為光學(xué)系統(tǒng)和電路系統(tǒng)，光路系統(tǒng)由半導(dǎo)體激光發(fā)射管、掃描電機(jī)、八棱鏡、三個光學(xué)平凸透鏡、一個半透半反棱鏡和一個全反棱鏡以及光電接受管等組成。電路系統(tǒng)主要包括核心控制電路和按鍵顯示電路，其中核心控制電路主要包括光電信號處理模塊、主控制器模塊，按鍵顯示電路主要包括按鍵模塊、顯示模塊。

2．1．1光電信號處理模塊

經(jīng)過激光掃描后的光信號經(jīng)過光電二極管后轉(zhuǎn)換成了電信號，此時的電信號只有μA級，只是微弱的電流信號，需要將其轉(zhuǎn)換并放大成電壓信號［10］。運用LF353器件模塊對微弱的電信號進(jìn)行前置放大，然后將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號進(jìn)行跟隨濾波及阻抗匹配，減少信號損耗。經(jīng)過放大器后的電壓信號通過LM393高通雙路比較芯片進(jìn)行電平比較，從而產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的方波脈沖。然后將方波脈沖發(fā)送給STM32芯片，利用定時器功能進(jìn)行計數(shù)，得到小直徑標(biāo)準(zhǔn)棒低電平的時間和大直徑標(biāo)準(zhǔn)棒和小直徑標(biāo)準(zhǔn)棒之間的時間。

2．1．2主控器模塊

主控器以ARM嵌入式系統(tǒng)為核心構(gòu)架，ARM功耗低、靈活性高、運算速度快，成本低，開源代碼資源豐富。ARM相對于FPGA來說可以同時處理兩路信號，正好適合本設(shè)計雙光路激光掃描測徑系統(tǒng)。ARM采用的是STM32F103芯片，該芯片擁有Cortex－M3的內(nèi)核，具有快速數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理功能。ARM將光電信號處理模塊產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)方波脈沖進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和算法計算，然后將計算結(jié)果發(fā)送給按鍵顯示模塊。實時測量結(jié)果由按鍵模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)校正，由實時顯示模塊實時顯示。

2．1．3按鍵顯示模塊

根據(jù)設(shè)計要求，測量直徑的精度要達(dá)到0．001mm，量程在20～30mm范圍內(nèi)，因此至少需要6位數(shù)碼管用于直徑顯示。本文選擇常用的TM1638按鍵數(shù)碼管顯示模塊，TM1638是帶鍵盤掃描接口的LED（發(fā)光二極管顯示器）驅(qū)動控制專用電路，內(nèi)部集成有MCU數(shù)字接口、數(shù)據(jù)鎖存器、LED高壓驅(qū)動、鍵盤掃描等電路。

2．2軟件設(shè)計

2．2．1軟件部分組成

主程序模塊是測徑儀程序的主流程，包括初始化、ARM數(shù)據(jù)采集程序［9］、ARM數(shù)據(jù)處理程序、按鍵校正程序。其中數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理都由ARM實現(xiàn)，ARM主要完成4個任務(wù)：1）對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集；2）采集光電信號輸入的信號，然后對接收數(shù)據(jù)進(jìn)行處理計算得出測量棒的直徑；3）控制按鍵模塊對處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行校正；4）顯示模塊把測量數(shù)據(jù)顯示出來。

2．2．2ARM數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理ARM數(shù)據(jù)處理模塊程序是主程序中最重要的程序部分，它關(guān)系到測量結(jié)果的精確度和穩(wěn)定性。數(shù)據(jù)處理程序采用分組策略的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。具體的方法：程序每累加到100個數(shù)據(jù)就把這些數(shù)據(jù)分成10組，每組有10個數(shù)據(jù)，然后把每組的10個數(shù)據(jù)里面去掉最大值和最小值后再對每組求平均值，最后對所有平均值再求平均值，最后的平均值即測量值。［4］分組策略法與逐次累加平均法相比穩(wěn)定度更好，測量精度更高。

2．2．3按鍵校正程序設(shè)計

由控制器數(shù)據(jù)處理后的值還不夠精確，需要進(jìn)行校正。采用非線性修正方案，用按鍵對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。即設(shè)K1、K2、K3、K4、K5五個分段系數(shù)，分別對應(yīng)20～30mm被測直徑，D；若D＜24mm，使用K1系數(shù)；D＞27mm，使用K5系數(shù)；24mm≤D≤27mm，使用相鄰的兩個系數(shù)加權(quán)求平均值。通過按鍵校正后的數(shù)據(jù)達(dá)到了精度和穩(wěn)定度的要求。

3實驗驗證與分析

雙光路激光掃描測徑儀的整體硬件結(jié)構(gòu)如圖7所示。根據(jù)JJF1250－2010《激光測徑儀校準(zhǔn)規(guī)范》規(guī)定，來驗證雙光路激光測徑儀的重復(fù)性、穩(wěn)定性和測量精度。

3．1重復(fù)性測試用標(biāo)準(zhǔn)測

量工件對雙光路激光掃描測徑儀進(jìn)行測試，實際測量的直徑與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較。重復(fù)性實驗結(jié)果顯示：測量值的最大示值誤差為5μm，最大相對誤差0．08％。

3．2穩(wěn)定性測試

穩(wěn)定性測試是指激光測徑儀隨時間變化時穩(wěn)定的能力，按照J(rèn)JF1250－2010《激光測徑儀校準(zhǔn)規(guī)范》規(guī)定要求，穩(wěn)定性測試實驗要求開機(jī)0．5h后用標(biāo)準(zhǔn)測量工件進(jìn)行測量，實驗時間要求2h以上，每1min觀察一次，測試實驗結(jié)果見圖8，穩(wěn)定性實驗實際測量值與標(biāo)準(zhǔn)值的最大誤差為5μm。

4結(jié)論

以ARM為核心控制芯片，對大直徑的零件測量設(shè)計了一種非接觸測量方法。實驗分析表明，基于“三標(biāo)準(zhǔn)法”的雙光路激光掃描測徑儀的測量精度達(dá)到0．001mm，系統(tǒng)最大誤差±5μm，消除了電機(jī)轉(zhuǎn)速的影響，滿足了對激光測徑系統(tǒng)的設(shè)計要求。

［參考文獻(xiàn)］

［1］魏小龍．激光測徑裝置研究［D］．成都：電子科技大學(xué)，2013．

［2］吳呂憲．基于線陣CCD及STM32的滾針直徑精確測量的研究［D］．南京：南京理工大學(xué)，2012．

［3］王蕊．基于激光和CCD器件的數(shù)字電纜在線測徑儀的研制［D］．哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2003．

［4］周志，劉斯，吳定祥，等．細(xì)小線材掃描式激光測徑儀［J］．測控技術(shù)，2017，36（1）：96－99．

［5］談小龍．基于FPGA的精密激光測徑儀的開發(fā)［D］．武漢：武漢理工大學(xué)，2012．

［6］遲云桐．JC－50雙光路激光測徑儀［J］．冶金自動化，1981（5）：46－50．

［7］宋甲午，張國玉，徐洪吉，等．大直徑的激光掃描在線動態(tài)測量系統(tǒng)［J］．兵工學(xué)報，2000，21（2）：132－134．

［8］李云，謝剛，鄭重，等．基于分組策略的RFID自適應(yīng)防碰撞算法的研究［J］．電視技術(shù)，2012，36（23）：138－141．

［9］劉銳，王林．基于ARM數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計［J］．中國測試，2010，36（4）：97－100．

［10］龐琳娜，張陽安，張明倫，等．光電信號轉(zhuǎn)換處理中的CPLD應(yīng)用［J］．光通信技術(shù)，2009，33（1）：57－59.

作者：付波；陳卓；王子鵬 單位：湖北工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院