專利名稱：無(wú)掃描物鏡的光學(xué)掃描外徑測(cè)量系統(tǒng)及其測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及幾何量測(cè)量設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，具體是指一種無(wú)掃描物鏡的光學(xué)掃描外徑測(cè)量系統(tǒng)及其測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
已有的光學(xué)掃描外徑測(cè)量系統(tǒng)由光源、準(zhǔn)直鏡、反射轉(zhuǎn)鏡、掃描物鏡、接收物鏡和光電器件組成，其工作過(guò)程為光源發(fā)出的光線經(jīng)準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直后，投射在偏轉(zhuǎn)鏡上成為偏轉(zhuǎn)光線，再經(jīng)掃描物鏡后為掃描測(cè)量光線，掃描光線被測(cè)量物遮擋形成陰影，接收并測(cè)量陰影寬度，即可求出物件尺寸。現(xiàn)有技術(shù)在設(shè)計(jì)制造和實(shí)用中存在以下問(wèn)題1.掃描系統(tǒng)精度主要取決于高精度的掃描物鏡的加工和安裝精度，原理方案上，由于存在因掃描物鏡設(shè)計(jì)、制造而存在的誤差難以完全補(bǔ)償，高精度前提下的動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍受限。
2.上述掃描物鏡設(shè)計(jì)、制造和裝配都比較困難，故生產(chǎn)效率低、制造成本高，限制了設(shè)備推廣使用。
3.系統(tǒng)使用時(shí)，由于溫度變化影響掃描物鏡精度，實(shí)際使用時(shí)系統(tǒng)對(duì)環(huán)境要求高，在一般生產(chǎn)環(huán)境中，系統(tǒng)可靠性不高。
4.測(cè)量范圍受制于掃描物鏡尺寸，擴(kuò)大量程有較大困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足之處，提供一種無(wú)掃描物鏡的光學(xué)掃描外徑測(cè)量系統(tǒng)及其測(cè)量方法，該系統(tǒng)制作工藝簡(jiǎn)單，安裝調(diào)試方便、容易擴(kuò)充測(cè)量范圍，優(yōu)良的性能價(jià)格比使其能夠更有效地推廣至各類線材生產(chǎn)的檢測(cè)控制過(guò)程。
本發(fā)明所述一種無(wú)掃描物鏡的光學(xué)掃描外徑測(cè)量系統(tǒng)，其特征是，它由兩個(gè)或兩個(gè)以上無(wú)掃描物鏡的光學(xué)掃描單元構(gòu)成，各單元相對(duì)或按任意角度安裝，每個(gè)單元由光源、準(zhǔn)直鏡、掃描轉(zhuǎn)鏡、接收物鏡、光電接收器依次相互連接組成，光電接收器還通過(guò)信號(hào)線與計(jì)算機(jī)相連接。
為了更好地實(shí)現(xiàn)本發(fā)明，所述掃描轉(zhuǎn)鏡與接收物鏡之間還可以增加有平面反射鏡；所述光源是激光光源或LED光源；所述掃描轉(zhuǎn)鏡有一個(gè)或多個(gè)，掃描轉(zhuǎn)鏡有一個(gè)或多個(gè)反射面；所述接收物鏡是反射式或折射式或上述兩者的組合；所述光電接收器前可以加裝濾光片或防塵保護(hù)性玻璃或其它透明材料制作的防護(hù)裝置或上述裝置的組合；所述掃描轉(zhuǎn)鏡前或后可以加裝防塵保護(hù)性玻璃或其它透明材料制作的防護(hù)裝置。
本發(fā)明所述一種無(wú)掃描物鏡的光學(xué)掃描外徑測(cè)量方法，其特征是，采用本發(fā)明所述一種無(wú)掃描物鏡的光學(xué)掃描外徑測(cè)量系統(tǒng)掃描被測(cè)物體，以任意兩單元為一組，構(gòu)成測(cè)量系統(tǒng)，設(shè)兩掃描轉(zhuǎn)鏡反射中心(或等效中心)點(diǎn)之間的距離為l0，被測(cè)物體對(duì)光線偏轉(zhuǎn)中心張角分別為2θ1、2θ2，被測(cè)物體中心和兩掃描轉(zhuǎn)鏡反射中心(或等效中心)點(diǎn)之間連線與掃描轉(zhuǎn)鏡反射中心(或等效中心)點(diǎn)之間連線的夾角分別為α1、α2，按照下述方式測(cè)量被測(cè)物體直徑d即d＝2kl0，其中，k＝1/(cosα1/sinθ1+cosα2/sinθ2)為了更好地實(shí)現(xiàn)本發(fā)明，可以通過(guò)下述方式進(jìn)行多次測(cè)量采樣，確定α1、α2即sinθ1sinα1＝sinθ2sinα2。
本發(fā)明使用雙路(多路)測(cè)量方案，理論和技術(shù)上可有效消除原理誤差的影響，同時(shí)避免已有技術(shù)中高精度線性掃描物鏡加工、調(diào)試及維護(hù)所帶來(lái)的困難，調(diào)試與維護(hù)方便，可達(dá)較高的測(cè)量精度(1um)，制造成本相對(duì)降低，便于推廣至一般應(yīng)用場(chǎng)合。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果1.本發(fā)明無(wú)掃描物鏡，使用一個(gè)球差得到良好校正的準(zhǔn)直透鏡，不存在軸外像差，掃描點(diǎn)在軸上和軸外的一致性較好，便于調(diào)整，對(duì)光瞳位置要求相對(duì)降低，制造相對(duì)容易。
2.本發(fā)明使用兩個(gè)掃描單元組合結(jié)構(gòu)，原理上不存在不確定的系統(tǒng)誤差，也不存在掃描物鏡殘余像差的影響，容易進(jìn)行較完善的系統(tǒng)誤差補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)誤差的計(jì)算機(jī)數(shù)值補(bǔ)償。
3.本發(fā)明由于沒(méi)有掃描物鏡，影響測(cè)量的敏感環(huán)節(jié)減少，實(shí)際使用的工作穩(wěn)定性好，可靠性提高，測(cè)量只與角速度有關(guān)，而與測(cè)量場(chǎng)處掃描線速度無(wú)直接關(guān)系，與傳統(tǒng)有掃描物鏡時(shí)的情景不同，后者要求掃描線速度恒定。
4.本發(fā)明使用兩路(多路)掃描結(jié)構(gòu)，有效消除系統(tǒng)誤差，可在較大的動(dòng)態(tài)范圍，達(dá)到高的測(cè)量精度，適用于一般工廠環(huán)境下的在線檢測(cè)，穩(wěn)定性能較好。
5.本發(fā)明安裝調(diào)試及維護(hù)更加簡(jiǎn)單方便，用于精密計(jì)量用途時(shí)，可以考慮使用相向結(jié)構(gòu)(即αi＝0)，能夠達(dá)到較高精度，此時(shí)結(jié)構(gòu)可以設(shè)計(jì)成獨(dú)立單元形式，安裝調(diào)試極為簡(jiǎn)單快捷。
6.本發(fā)明的制造成本有效降低。


圖1是本發(fā)明的組成單元結(jié)構(gòu)原理圖；圖2是本發(fā)明的由兩個(gè)單元組成的掃描外徑測(cè)量系統(tǒng)原理圖；圖3是本發(fā)明的有兩個(gè)單元組成的但只有一個(gè)掃描轉(zhuǎn)鏡的掃描外徑測(cè)量系統(tǒng)原理圖；圖4是現(xiàn)有系統(tǒng)的測(cè)量原理圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步地詳細(xì)說(shuō)明。
如圖1所示，每個(gè)單元由光源1、準(zhǔn)直鏡2、掃描轉(zhuǎn)鏡3、接收物鏡5、光電接收器6依次相互連接組成，光電接收器6還通過(guò)信號(hào)線與計(jì)算機(jī)相連接。光源(激光光源或LED光源)1經(jīng)準(zhǔn)直鏡2準(zhǔn)直后投射在掃描轉(zhuǎn)鏡3上形成掃描光束，掃描光束掃描被測(cè)物體4后形成掃描陰影，經(jīng)接收物鏡5由其后的光電接收器6接收，處理電路將信號(hào)處理后送計(jì)算機(jī)，構(gòu)成本發(fā)明的基本單元。掃描轉(zhuǎn)鏡3有一個(gè)或多個(gè)反射面，接收物鏡5是反射式或折射式或上述兩者的組合，光電接收器6前加裝濾光片或防塵保護(hù)性玻璃或其它透明材料制作的防護(hù)裝置或上述裝置的組合，掃描轉(zhuǎn)鏡3前或后加裝防塵保護(hù)性玻璃或其它透明材料制作的防護(hù)裝置。如圖4所示，本發(fā)明與現(xiàn)有系統(tǒng)相比，無(wú)掃描物鏡1 3。
如圖2所示，本發(fā)明系統(tǒng)由兩個(gè)單元構(gòu)成，即光源1、準(zhǔn)直鏡2、掃描轉(zhuǎn)鏡3、接收物鏡5、光電接收器6和光源7、準(zhǔn)直鏡8、掃描轉(zhuǎn)鏡9、接收物鏡10、光電接收器11組成的兩個(gè)單元。每個(gè)單元結(jié)構(gòu)上相對(duì)獨(dú)立，并相對(duì)或根據(jù)三角測(cè)量法原理按任意角度安裝，中央處理器(或計(jì)算機(jī))在接收到來(lái)自兩個(gè)單元的測(cè)量信號(hào)后，根據(jù)特定的測(cè)量方程，計(jì)算補(bǔ)償后輸出測(cè)量結(jié)果。
如圖3所示，本發(fā)明系統(tǒng)引入了兩個(gè)平面反射鏡12，光源1、準(zhǔn)直鏡2、掃描轉(zhuǎn)鏡3只有一套，測(cè)量原理和效果與圖2相同，結(jié)構(gòu)更加緊湊，能夠達(dá)到較高(微米級(jí))的測(cè)量精度。在掃描轉(zhuǎn)鏡3后增加僅作為補(bǔ)償性質(zhì)的平板玻璃或具有微小曲率的補(bǔ)償元件，仍是一種可行的結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的測(cè)量原理是設(shè)光線在兩掃描轉(zhuǎn)鏡A、B反射中心點(diǎn)之間的距離為l0，被測(cè)物體對(duì)光線偏轉(zhuǎn)中心張角為2θ，由圖中各幾何量之間關(guān)系可以推出被測(cè)物體直徑為d＝2kl0(1)式中，k＝1/(cosα1/sinθ1+cosα2/sinθ2)(2)方程(1)為本發(fā)明的測(cè)量方程。θ1、θ2可由計(jì)數(shù)電路直接得出，兩測(cè)量主光軸夾角為(α1+α2)，實(shí)際方案實(shí)施時(shí)，為確定α1、α2，有以下校驗(yàn)方程sinθ1sinα1＝sinθ2sinα2(3)由式(3)通過(guò)多次測(cè)量采樣，可判定基線AB的準(zhǔn)確位置，α1、α2由此可準(zhǔn)確判定。系統(tǒng)相關(guān)測(cè)量數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)處理，從而可方便快捷地準(zhǔn)確得出被測(cè)物體直徑尺寸。
本發(fā)明系統(tǒng)的誤差分析對(duì)式(1)右邊分別關(guān)于θi和αi(i＝1，2)微分，可求得由于角度測(cè)量引起的相對(duì)誤差Δdθi/d=k(cosαicosθi/sin2θi)Δθi-----(4)]]>Δdαi/d＝-k(sinαi/sinθi)Δαi(5)通過(guò)考察式(5)與式(4)的比值關(guān)系，可得出同等角度誤差條件下引起直徑測(cè)量誤差的相對(duì)權(quán)重關(guān)系|Δdαi/d|/|Δdθi/d|=tanθitanθi|(Δαi/Δθ)|i------(6)]]>如上所述，即可較好地實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種無(wú)掃描物鏡的光學(xué)掃描外徑測(cè)量系統(tǒng)，其特征是，它由兩個(gè)或兩個(gè)以上無(wú)掃描物鏡的光學(xué)掃描單元構(gòu)成，各單元相對(duì)或按任意角度安裝，每個(gè)單元由光源、準(zhǔn)直鏡、掃描轉(zhuǎn)鏡、接收物鏡、光電接收器依次相互連接組成，光電接收器還通過(guò)信號(hào)線與計(jì)算機(jī)相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無(wú)掃描物鏡的光學(xué)掃描外徑測(cè)量系統(tǒng)，其特征是，所述掃描轉(zhuǎn)鏡與接收物鏡之間安裝有平面反射鏡。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無(wú)掃描物鏡的光學(xué)掃描外徑測(cè)量系統(tǒng)，其特征是，所述光源是激光光源或LED光源。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無(wú)掃描物鏡的光學(xué)掃描外徑測(cè)量系統(tǒng)，其特征是，所述掃描轉(zhuǎn)鏡有一個(gè)或多個(gè)，掃描轉(zhuǎn)鏡有一個(gè)或多個(gè)反射面，所述掃描轉(zhuǎn)鏡前或后安裝有防塵保護(hù)性玻璃或其它透明材料制作的防護(hù)裝置。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無(wú)掃描物鏡的光學(xué)掃描外徑測(cè)量系統(tǒng)，其特征是，所述接收物鏡是反射式或折射式或上述兩者的組合。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無(wú)掃描物鏡的光學(xué)掃描外徑測(cè)量系統(tǒng)，其特征是，所述光電接收器前加裝濾光片或防塵保護(hù)性玻璃或其它透明材料制作的防護(hù)裝置或上述裝置的組合。
7.一種無(wú)掃描物鏡的光學(xué)掃描外徑測(cè)量方法，其特征是，采用權(quán)利要求1所述一種無(wú)掃描物鏡的光學(xué)掃描外徑測(cè)量系統(tǒng)掃描被測(cè)物體，以任意兩單元為一組，構(gòu)成測(cè)量系統(tǒng)，設(shè)兩掃描轉(zhuǎn)鏡反射中心或等效中心點(diǎn)之間的距離為l0，被測(cè)物體對(duì)光線偏轉(zhuǎn)中心張角分別為2θ1、2θ2，被測(cè)物體中心和兩掃描轉(zhuǎn)鏡反射中心或等效中心點(diǎn)之間連線與掃描轉(zhuǎn)鏡反射中心或等效中心點(diǎn)之間連線的夾角分別為α1、α2，按照下述方式測(cè)量被測(cè)物體直徑d即d＝2kl0，其中，k＝1/(cosα1/sinθ1+cosα2/sinθ2)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種無(wú)掃描物鏡的光學(xué)掃描外徑測(cè)量方法，其特征是，通過(guò)下述方式進(jìn)行多次測(cè)量采樣，確定α1、α2即sinθ1sinα1＝sinθ2sinα2。
全文摘要
本發(fā)明是一種無(wú)掃描物鏡的光學(xué)掃描外徑測(cè)量系統(tǒng)及其測(cè)量方法，該系統(tǒng)由兩個(gè)或兩個(gè)以上無(wú)掃描物鏡的光學(xué)掃描單元構(gòu)成，各單元相對(duì)或按任意角度安裝，每個(gè)單元由光源、準(zhǔn)直鏡、掃描轉(zhuǎn)鏡、接收物鏡、光電接收器依次相互連接組成，光電接收器還通過(guò)信號(hào)線與計(jì)算機(jī)相連接。該方法是以任意兩單元為一組，掃描轉(zhuǎn)鏡反射中心點(diǎn)之間的距離為l
文檔編號(hào)G01B11/08GK1529121SQ20031011175
公開(kāi)日2004年9月15日 申請(qǐng)日期2003年10月14日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月14日
發(fā)明者馬國(guó)欣 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)