论双光路激光扫描测径系统的设计范文

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［摘要］针对大直径等相关非透明线材快速实时测量的问题开展研究，设计实现了双光路激光扫描测径系统。该系统基于“三标准棒法”，应用3个标准棒相对测量原理，采用数据分组策略方法，降低环境和偶然误差的影响。以ARM为核心控制器对数据采集并处理，通过TM1638按键显示模块显示测量结果。实验表明，该方法具有较好的测量效果。

［关键词］双路激光扫描测径；标准棒法；ARM

非接触式测量因其高速、高精度等特点，逐步遍及各种高精度检测领域，其中激光测径方法［1］是目前普遍运用的非接触测量方法。当前有两种常用的激光测径方法：基于CCD接收光信号测径方法；激光扫描测径方法。针对CCD接收光信号测径方法，吴吕宪［2］设计了基于线阵CCD及STM32的滚针直径精确测量系统，王蕊［3］设计了基于激光和CCD器件的数字电缆在线测径仪，但是CCD接收光信号测径方法受到光学透镜与同步电机的制约，对环境要求较高，导致测量精度较低。激光扫描测径法采样频率快，测量动态范围大，抗干扰性强，精度高。周志［4］设计了采用标准棒法的细小线材单光路扫描式激光测径仪。谈小龙［5］设计的基于FPGA的精密激光测径仪系统，虽然测量精度得到提升，但是受平凸透镜直径的限制，测量范围较小。迟云桐［6］和宋甲午［7］等设计出了双光路激光扫描测径系统，双光路激光扫描测径仪测量上限不受平凸透镜直径影响，解决了利用小透镜测量大口径的难题。但忽略了同步电机转速产生的影响，导致测量精度不高。本文设计了基于“标准棒法”双路激光扫描测径系统，消除了电机转速对测量结果的影响，抗干扰能力强。以ARM为主控芯片，利用数据分组策略［8］对数据采集及处理，相对于FPGA与FPGA－ARM双核心芯片，ARM结构简单、成本低廉，开源代码资源丰富，同时能够快速采集数据，并对数据分组处理。该双光路扫描测径仪测量范围为20～30mm，示值误差在±0．005mm内，在扩大测量范围的同时提高了测量精度。

1双光路激光测径仪原理及主要性能指标

1．1双光路激光测径仪原理

双光路激光扫描测径系统，由激光发射部分、检测部分和接受部分构成。其中发射部分由激光器、八棱镜和电机组成，光接受部分由光电二极管和相应的数据处理单元构成，检测部分由三个光学透镜和一个半透半反棱镜以及一个全反棱镜组成。激光器发出光线通过扫描转镜产生扫描光速，透镜一将扫描光速变成平行光束，然后通过半透半反棱镜和全反棱镜变成两路平行光速，对被置于测量区域的标准棒和被测工件进行高速扫描，再通过透镜二和透镜三把平行光束聚焦到两个光电二极管，由两个光电二极管获取的光信号转换成电信号，传输给光电信号处理模块，经过光电信号处理模块放大，二值化处理后，通过主控制器模块数据处理将测得直径显示出来。本文设计的双光路激光扫描测径仪基于三标准棒法对被测工件进行处理。该双光路激光扫描测径系统要通过两次测量，第一次将两个小直径标准棒和一个大直径标准棒（与测量棒直径差不多大）放在扫描区域进行测量，将测量的数据保存在STM32中，第二次将被测量棒以及两个合适标准棒放在测量区域进行测量。第一次测量时棱镜与平凸透镜之间的扫描测量区中两个小直径标准棒所遮挡光的时间分别为Ta和Tb，第二次测量时测量棒所遮挡的和两个小直径标准棒遮挡之间的高电平为T3和T4，电机在两个光路的扫描速度分别为V1和V2（这个两个扫描速度基本上一样，为了消除双光路带来扫描速度的误差因此分别设置），两个小直径标准棒分别设置为Da、Db。大直径标准棒为D1，测量棒的直径为D2。

1．2双光路激光扫描测径仪的主要性能指标

双光路激光扫描测径仪的性能指标如：测量精度，±0．001mm；测量范围，20～30mm；分辨率，0．001mm；显示刷新频率，1s／次；工作环境，－10°C～50°C；TM1638数码管显示；电源，5VDC。

2系统的设计

2．1硬件设计系统

硬件分为光学系统和电路系统，光路系统由半导体激光发射管、扫描电机、八棱镜、三个光学平凸透镜、一个半透半反棱镜和一个全反棱镜以及光电接受管等组成。电路系统主要包括核心控制电路和按键显示电路，其中核心控制电路主要包括光电信号处理模块、主控制器模块，按键显示电路主要包括按键模块、显示模块。

2．1．1光电信号处理模块

经过激光扫描后的光信号经过光电二极管后转换成了电信号，此时的电信号只有μA级，只是微弱的电流信号，需要将其转换并放大成电压信号［10］。运用LF353器件模块对微弱的电信号进行前置放大，然后将电流信号转换成电压信号进行跟随滤波及阻抗匹配，减少信号损耗。经过放大器后的电压信号通过LM393高通双路比较芯片进行电平比较，从而产生标准的方波脉冲。然后将方波脉冲发送给STM32芯片，利用定时器功能进行计数，得到小直径标准棒低电平的时间和大直径标准棒和小直径标准棒之间的时间。

2．1．2主控器模块

主控器以ARM嵌入式系统为核心构架，ARM功耗低、灵活性高、运算速度快，成本低，开源代码资源丰富。ARM相对于FPGA来说可以同时处理两路信号，正好适合本设计双光路激光扫描测径系统。ARM采用的是STM32F103芯片，该芯片拥有Cortex－M3的内核，具有快速数据采集和数据处理功能。ARM将光电信号处理模块产生的标准方波脉冲进行数据采集和算法计算，然后将计算结果发送给按键显示模块。实时测量结果由按键模块进行数据校正，由实时显示模块实时显示。

2．1．3按键显示模块

根据设计要求，测量直径的精度要达到0．001mm，量程在20～30mm范围内，因此至少需要6位数码管用于直径显示。本文选择常用的TM1638按键数码管显示模块，TM1638是带键盘扫描接口的LED（发光二极管显示器）驱动控制专用电路，内部集成有MCU数字接口、数据锁存器、LED高压驱动、键盘扫描等电路。

2．2软件设计

2．2．1软件部分组成

主程序模块是测径仪程序的主流程，包括初始化、ARM数据采集程序［9］、ARM数据处理程序、按键校正程序。其中数据采集和数据处理都由ARM实现，ARM主要完成4个任务：1）对数据进行采集；2）采集光电信号输入的信号，然后对接收数据进行处理计算得出测量棒的直径；3）控制按键模块对处理后的数据进行校正；4）显示模块把测量数据显示出来。

2．2．2ARM数据采集和数据处理ARM数据处理模块程序是主程序中最重要的程序部分，它关系到测量结果的精确度和稳定性。数据处理程序采用分组策略的方法进行数据处理。具体的方法：程序每累加到100个数据就把这些数据分成10组，每组有10个数据，然后把每组的10个数据里面去掉最大值和最小值后再对每组求平均值，最后对所有平均值再求平均值，最后的平均值即测量值。［4］分组策略法与逐次累加平均法相比稳定度更好，测量精度更高。

2．2．3按键校正程序设计

由控制器数据处理后的值还不够精确，需要进行校正。采用非线性修正方案，用按键对测试数据进行校正。即设K1、K2、K3、K4、K5五个分段系数，分别对应20～30mm被测直径，D；若D＜24mm，使用K1系数；D＞27mm，使用K5系数；24mm≤D≤27mm，使用相邻的两个系数加权求平均值。通过按键校正后的数据达到了精度和稳定度的要求。

3实验验证与分析

双光路激光扫描测径仪的整体硬件结构如图7所示。根据JJF1250－2010《激光测径仪校准规范》规定，来验证双光路激光测径仪的重复性、稳定性和测量精度。

3．1重复性测试用标准测

量工件对双光路激光扫描测径仪进行测试，实际测量的直径与标准值进行比较。重复性实验结果显示：测量值的最大示值误差为5μm，最大相对误差0．08％。

3．2稳定性测试

稳定性测试是指激光测径仪随时间变化时稳定的能力，按照JJF1250－2010《激光测径仪校准规范》规定要求，稳定性测试实验要求开机0．5h后用标准测量工件进行测量，实验时间要求2h以上，每1min观察一次，测试实验结果见图8，稳定性实验实际测量值与标准值的最大误差为5μm。

4结论

以ARM为核心控制芯片，对大直径的零件测量设计了一种非接触测量方法。实验分析表明，基于“三标准法”的双光路激光扫描测径仪的测量精度达到0．001mm，系统最大误差±5μm，消除了电机转速的影响，满足了对激光测径系统的设计要求。

［参考文献］

［1］魏小龙．激光测径装置研究［D］．成都：电子科技大学，2013．

［2］吴吕宪．基于线阵CCD及STM32的滚针直径精确测量的研究［D］．南京：南京理工大学，2012．

［3］王蕊．基于激光和CCD器件的数字电缆在线测径仪的研制［D］．哈尔滨：哈尔滨理工大学，2003．

［4］周志，刘斯，吴定祥，等．细小线材扫描式激光测径仪［J］．测控技术，2017，36（1）：96－99．

［5］谈小龙．基于FPGA的精密激光测径仪的开发［D］．武汉：武汉理工大学，2012．

［6］迟云桐．JC－50双光路激光测径仪［J］．冶金自动化，1981（5）：46－50．

［7］宋甲午，张国玉，徐洪吉，等．大直径的激光扫描在线动态测量系统［J］．兵工学报，2000，21（2）：132－134．

［8］李云，谢刚，郑重，等．基于分组策略的RFID自适应防碰撞算法的研究［J］．电视技术，2012，36（23）：138－141．

［9］刘锐，王林．基于ARM数据采集系统的设计［J］．中国测试，2010，36（4）：97－100．

［10］庞琳娜，张阳安，张明伦，等．光电信号转换处理中的CPLD应用［J］．光通信技术，2009，33（1）：57－59.

作者：付波；陈卓；王子鹏 单位：湖北工业大学电气与电子工程学院