專利名稱：激光微機在線長度測量方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及激光檢測技術，特別涉及激光在線檢測技術，屬于非接觸式測量技術，適用于金屬、非金屬在加工過程中(在生產線上)計量長度。
現有技術中美國專利US4，400，882為一種電纜測量裝置，其基本方法是按一定的間距要求打標志(機械打標、色筆打標、激光打標等)，由一對與打標間距相適應的接收探頭，同時接收兩標志，其中一個探頭由512個二極管列陣組成，即在長度方向上有一定的長度，二個二極管之間間距固定，(約為0.6mm)，這樣兩探頭同時接收兩標志點的距離可較準確的測出，同時反饋給打標機，控制打標機延時或縮短時間，使打標的間距能始終保持在兩探頭測量間距允許之內，主要解決地下電纜連接時的準確性，短了接不上，長了又浪費，問題是標志的尺寸不會太小，二極管也有一定的寬度，因而精度不可能很高，因為打標間距與速度變化關系很大，如果速度突然變大或變小，打標間距超出或不足兩探頭之允許間距，那就發(fā)生故障，打標對被測物表面有損害，打標要求徑粗能打上標志，對細徑不能測量，該專利是把打標的標志用透鏡聚焦到二極管上，如果探頭對電纜之間有振動，就聚焦不好，造成錯誤。
本發(fā)明的目的是，提供一種非接觸式的高精度的自動在線測長方法和裝置，并能防振，防塵和防干擾。


圖1為傾角(側向)直接接收的光路圖，圖2為正后向接收的光路圖。
圖3為傾角接收或正后向接收簡易發(fā)射型光路圖，圖4為信號處理框圖，
圖5、圖6是兩光相交區(qū)相干示意圖;
圖7是圖3中分束器(3)的兩種型式，圖8是自控調節(jié)信號幅值的原理框圖。
結合附圖對本裝置的構成及實施例介紹如下本發(fā)明由光機探頭、信號處理器、數據處理器、顯示器及打印記錄器、控制輸出器組成。
本發(fā)明的光機探頭(見圖1、2、3)主要包括激光器1、激光電源2、光學分束器3、發(fā)射透鏡4、接收透鏡7，針孔光闌8、光電倍增管9和外殼，由激光器發(fā)出一束激光，經分束器分為兩束相干光，經發(fā)射透鏡聚焦于被測物表面，由于激光的高相干性，相交區(qū)體積內形成干涉片體，斷面即為干涉條紋，其條紋強度是按照余弦變化，其條紋是等間距的，條紋寬度△X由下式決定△X＝λ/(2sinθ/2)式中λ為激光波長，由選擇的激光器而定，θ角為兩束光相交夾角，由分束距離和發(fā)射距離而定，即光學布置一定，條紋寬度△X就定。而被測運動物體的表面相當于無相對運動的許多粒子穿越干涉條紋，而發(fā)出散光脈沖N(即脈沖數)，有一個脈沖數就相當于物體通過一個條紋寬度△X，因而由獲得的脈沖數N，可計算出通過測點的長度SS＝△X·N＝N·λ/(2sinθ/2)光機探頭通過一套接收系統(tǒng)收集測點運動物體發(fā)出的散光脈沖，由接收透鏡將散光會聚于針孔光闌上，通過針孔射入光電倍增管陰極接收表面，光電倍增管將信號放大，將光信號轉換成電信號，輸給信號處理器。信號處理器為鎖相頻率跟蹤器，將進入的信號進行予處理(放大、濾波、限幅)，并通過一鎖相環(huán)路控制一內部振蕩器，使其輸出信號的相位鎖定在輸入信號相位上，從而達到輸出信號頻率跟蹤輸入信號頻率。內部振蕩器的輸出信號是規(guī)則的連續(xù)信號(正弦波、對稱方波)。通過F-D變換器將其頻率輸出轉變?yōu)閿底州敵觯徒o數據處理器(計算機)進行數據處理，計算出長度、速度，再送給顯示器實時顯示，送給切割或打字控制器進行定長切割或打字控制，也可送給速度控制系統(tǒng)控制速度。還可由打印機打印一段時間內的測量結果。測量精度主要由信號脈沖數N決定，一般在0.6‰以上，精度相當高。
為了提高本裝置工作的可靠性及測量精度，本發(fā)明還采取了如下措施1、防振動脫靶措施在光學探頭上采取如下措施使兩光相干區(qū)在被測物振動主向上的區(qū)域(長度)大于允許振動的范圍，例如某物振動±20mm，設計的相干區(qū)在此振動方向上可為50mm左右，而此區(qū)域的尺寸主要由θ角決定。這樣可使實際上被測物不脫靶;在接收上設計足夠的接收景深，使被測物在其振動范圍內的散光信號都能接收，使之接收不脫靶;還要采取更重要的措施是應使接收成象的象斑尺寸大于空間濾光器的光闌(針孔光闌)，設計變焦距接收系統(tǒng)，使這一比例可選，其范圍為1∶2～1∶10，視振動大小選取，這樣才使光電倍增管在其振動條件下不脫靶。
在信號處理器上采取如下措施1)自動跟蹤技術，跟蹤其速度變化;
2)信號幅值自動調節(jié)技術，散射光的強弱變化不影響信號幅值，采用自動調節(jié)光電倍增管高壓(即自動調節(jié)信號幅值)達到此目的，維持信號幅值穩(wěn)定，也就維持跟蹤的穩(wěn)定性。
自動調節(jié)信號幅值電路的設計也是本發(fā)明的一個重要特征。信號幅值由接收到的散射光幅值和光電倍增管的實際放大倍數決定。而接收到的散射光幅值在光學布置一定的條件下取決于散射光的強度和散射光的主向方位。由于運動著的被測物體的散射光主向是變化的，物體表面的光潔度，光亮度以及激光功率本身也是變化的等。即在線測量中實際接收到的信號幅值變化較大，會影響測量和數據的準確性。
本電路可在一定范圍內維持信號幅值的穩(wěn)定性，說明如下(見圖8)首先設定較合適的光電流值(例如50μA)，通過一套邏輯電路，將實際的光電流與設定的光電流值相比較，實時輸出比較結果，去控制一直流電壓，用此直流電壓控制高壓模塊的輸出電壓，(如OV對應輸出最高，4V對應輸出最低)即控制了供給光電倍增管的高壓，也即調節(jié)了光電倍增管的放大倍數。如果實際的光電流低于設定值，就降低直流控制電壓，提高光電倍增管高壓，提高實際的光電流，直到與設定值相等，反之也一樣。需要指出的是維持光電流的范圍是有一定限制的，如外界散射光太強時，控制高壓模塊輸出已達最低高壓，光電流仍很大時，超限報警電路報警，立即切斷高壓，待調節(jié)后重新啟動;如果接收的散射光太弱，高壓已達最大值，光電流仍不滿足信號處理器的要求時，要檢查原因，待調節(jié)后再啟動。
3)脫落保護技術，短時間的脫落可以不記錄該數據，維持前邊的數據。
4)自動搜捕信號技術，脫落超過一定時間就要重新捕獲，捕獲時間盡量短，并把從開始捕獲到捕獲閉環(huán)的時間準確計量，對數據進行補償。
2、防塵措施現場的粉塵煙氣必須設法克服，光學探頭采用密封箱體式，發(fā)射和接收透鏡前設計一種氣膜保護。如果光學通道也需潔凈，設計一種氣膜通道，而此措施對測量無任何壞作用。
3、防電磁場干擾措施1)使信號頻率很高，一般信號頻率不低于105Hz;
2)采用多次屏弊措施，如采用隔離變壓器、屏蔽電纜，高頻插頭插座，機柜屏蔽、機箱屏蔽、插件屏蔽等。
采取上述措施，以確保在線測量的可靠和精確。
實施例1圖1、圖2、圖3是三種光路型式。
圖1和圖2的發(fā)射均為由激光器發(fā)出的激光由集成分束器(3)將激光分為兩束平行光，經發(fā)射透鏡(4)聚焦于測點(5)，其接收部分為圖1是傾角(側向)直接接收(經接收透鏡(7)，針孔光闌(8)進入光電倍增管(9);圖2是正后向接收(經兩片反射鏡(6)、接收透鏡(7)、針孔光闌(8)進入光電倍增管(9))。圖1型式適用于遠距離測量，圖2型式光路穩(wěn)定，被測物振動時，針孔不脫靶，適用于近距離測量。
圖3的接收部分與圖1或圖2的接收部分同，其發(fā)射部分為簡易型，激光通過一組分束器(3)(如圖7兩種型式)直接交于測點，不用集成分束器和發(fā)射透鏡，適用于光機探頭振動較輕的場合測量。
圖中(1)是激光器為He～Ne，TEMOO模;
(2)是激光器電源為無變壓器模塊電源;
(3)是分束器為集成分束器和分立元件分束器;
(4)是發(fā)射透鏡為雙膠消球差透鏡，設置有防護鏡(或氣膜防護器);
(5)是測點為兩光相交區(qū)(見圖5、圖6);
(6)是反射鏡將信號反射到接收系統(tǒng);
(7)是接收透鏡為雙膠消球差透鏡，設置有防護鏡(或氣膜防護器)和光闌，前后位置可調;
(8)是針孔光闌為空間濾光器，針孔直徑為φ0.2～φ0.5mm，位置可調，設有觀察目鏡可觀察;
(9)是光電倍增管選用頻響范圍合適的管子;
(10)是光電倍增管的高壓輸入端，由圖4中(19)供給;
(11)是信號輸出端輸給圖4中的放大器和濾波器(12);
圖4中(12)是放大器和濾波器，將輸入的電信號進行放大，再濾掉低頻和噪聲，送入鎖相環(huán)路，或送入信號監(jiān)視器(15);
(13)是鎖相環(huán)路能自動頻率跟蹤，失索時有自動信號搜捕;
(14)是電壓控制振蕩器(VCO);
(15)是信號監(jiān)視器可選用雙蹤示波器;
(16)是數據處理器微機用PC機或單板機，對數據進行處理，供顯示器實時顯示，供打印機記錄數據，提供定長控制信號，反饋跟蹤器控制自動量程轉換，自動復位等。
(17)是顯示器、打印機實時顯示被測物速度和長度累計;打印機可記錄下這些數據;
(18)是控制輸出器控制切割機或打字機的定長切割、記米打印等。速度信號還可控制運行速度;
(19)是高壓電源自控高壓電源，提供光電倍增管高壓。并自動調節(jié)信號幅值;
(20)是低壓電源提供整機低壓電源，如±15V、±5V等;
圖5、圖6是兩光相交區(qū)相干示意圖(21)(22)經分束器分開的兩束激光，即前圖(圖1、圖2、圖3)中(5)相交區(qū)的放大;
(23)兩束光相交的夾角θ;決定條紋寬度△X;
(24)兩光相交成橢球體示意圖;
(25)相交區(qū)干涉片體示意圖;
(26)是相交區(qū)X-X斷面相干條紋示意圖;
(27)是相干條紋寬度△X，△X＝λ/(2sinθ/2)。
實施例2激光鋼管定尺儀，用于焊管生產線定長切割中的定尺。
光機探頭采用圖1型式(1)激光器He-Ne管，全內腔，3mw，TEMOO模，發(fā)散角1毫弧度;
(2)分束器集成分束器，分束距離為50mm;
(3)發(fā)射透鏡焦距為500mm，雙膠.φ80mm;
(4)計算干涉條紋寬度△X＝λ/(2sinθ/2)≈λ·f/D＝6.328μm(f為發(fā)射透鏡焦距，D為分束器分束距離)(5)接收透鏡焦距為200mm，雙膠，φ40mm;
(6)透鏡前采用防護玻璃或氣膜防護器;
(7)針孔光闌為φ0.3mm;
(8)光電倍增管GDB-24;
(9)信號處理器采用鎖相頻率跟蹤器，其頻響范圍為10kHz～500KHz，測速范圍為0.06～3.16m/s;
(10)數據處理器PC機或單板機;
(11)高壓400V-1000V;
(12)取樣時間要求6m定尺，6m相應的脈沖數為948k，準確數據為948167個脈沖。鋼管運動速度1.5m/s開始按0.1秒取樣，取樣脈沖大體為23700個，約取樣40次，當累計脈沖數接近948167時，改為連續(xù)取樣至滿額，例如按0.1秒取樣35次后改為連續(xù)取樣;
(13)每累計948167個脈沖就輸出給切割機一個信號，讓切割機切割。
本發(fā)明對于國內八大電纜廠(每廠都有多條生產線)和幾十家中小電纜廠的電纜計米打印、長度計量，配線等進行技術改造，能保證測量精度，提高產品質量，增加產量，節(jié)約原材料，將獲得可觀的經濟效益。全國幾十家鋼管廠，上百條鋼管生產線，用此發(fā)明可準確定尺切割，確保國標，能達到國際標準，這一發(fā)明還可打入國際市場，出口創(chuàng)匯。
權利要求
1.激光微機在線長度測量方法，采用激光和微機技術實現在線長度計量，其特征在于，利用激光的高相干性在測量區(qū)內形成等距離的干涉片體，其斷面為干涉條紋，被測物穿過干涉條紋時，形成散光脈沖頻率，由光學接收系統(tǒng)接收后，通過光電倍增管將光信號放大并轉換成電信號輸入至信號處理器，輸出信號脈沖數，再輸入至計算機做數據處理，然后輸出控制，打印信號和實時顯示。
2.按權利要求1所說的方法，其特征在于，在光學探頭上使兩光相干區(qū)在被測物振動主向上的區(qū)域(長度)大于允許振動的范圍，在光學接收系統(tǒng)上設計足夠的景深，通過改變接收透鏡(7)的位置，使接收成象的象斑尺寸大于針孔光闌(8)的針孔尺寸。
3.按權利要求1和2所說的方法，其特征在于，采用不低于105Hz的高頻信號，采用多次屏蔽措施，隔離變壓器、屏蔽電纜、高頻插頭插座、機柜、機箱、插件屏蔽等以防電磁干擾。
4.激光微機在線長度測量裝置，由光機探頭，信號處理器，數據處理器，顯示器和打印記錄器及控制輸出器組成，其特征在于，光機探頭主要包括激光器(1)(由激光電源(2)提供電源)發(fā)出的激光經分束器(3)分為兩束平行光，經發(fā)射透鏡(4)聚焦于測點(5)，由接收透鏡(7)通過針孔光閥(8)進入光電倍增管(9)(將光信號放大并轉換成電信號(11)送入信號處理器(12))，接收透鏡(7)前后位置可調，以便在光闌(8)的位置上獲得足夠大的象斑尺寸，在接收透鏡(7)和發(fā)射透鏡(4)上有防護鏡或氣膜防護器，信號處理器包括放大器和濾波器(12)(對輸入的信號進行放大，并濾掉低頻和噪聲)的輸出送入鎖相環(huán)路(13)，其輸出通過電壓控制振蕩器(14)，放大器和濾波器(12)的輸出也可送至信號監(jiān)視器(15)，高壓電源(19)，低壓電源(20)，信號處理器將信號脈沖數送入數據處理器(16)(采用PC微機或單板機均可)對數據進行處理后供打印機(17)記錄數據，由微機(16)提供定長控制信號輸入至控制輸出器(18)，控制切割機或打字機的定長切割，記米打印等，
5.按權利要求4所說的裝置，其特征在于，在光電倍增管(9)的高壓輸入端設置了信號幅值自動調節(jié)電路，由控制邏輯電路、高壓模塊、超限報警電路構成，由邏輯電路將實際光電流值與設定值比較去控制直流電壓，再控制高壓模塊的輸出電壓，然后控制共給光電倍增管的高壓，改變實際是光電流值使與設定值比較，去控制直流電壓，再控制高壓模塊的輸出電壓，然后控制供給光電倍增管的高壓，改變實際的光電流值使與設定值一致，從而達到了自動調節(jié)信號幅值的目的。
6.按權利要求4或5所說的裝置，其特征在于，光學探頭裝于密封箱體內。
7.按權利要求4或5所說的裝置，其特征在于，發(fā)射部分不用分束器，由激光器發(fā)出的光直接通過棱鏡及兩片反射鏡聚焦于測點(5);或直接由一半透半反鏡和一反射鏡，將激光器發(fā)出的光聚焦于測點。
全文摘要
本發(fā)明涉及激光檢測技術，特別涉及激光在線檢測技術，適用于金屬、非金屬在生產線上計量長度。本發(fā)明利用激光的高相干性，在測量區(qū)形成干涉條紋，累計運動體通過時產生的脈沖數及等間距條紋的間隔，可以得到運動體通過測點的長度。采用本發(fā)明，可以提高有關生產廠家的測量精度，提高產品的質量，增加產量，節(jié)約原材料，有很高的經濟價值，在有關出口產品方面，可使其計量合格，為國家多創(chuàng)匯。
文檔編號G01B11/02GK1056930SQ9110293
公開日1991年12月11日 申請日期1991年5月8日 優(yōu)先權日1991年5月8日
發(fā)明者劉玉民, 韓克禮, 吳國強, 陳連海, 韓濯新, 樂鳳榮 申請人:中國科學院工程熱物理研究所, 鞍山鋼鐵公司自動化研究所