高精度激光位移測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)和裝置研究

本項(xiàng)目分析測(cè)量頭及光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)和質(zhì)量對(duì)測(cè)量性能的影響，對(duì)高精度激光三角法測(cè)量的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)；研究了重心法和激光散斑相關(guān)法兩種測(cè)量位移的關(guān)鍵算法，為消除散斑和反射像斑畸變?cè)斐傻恼`差，在強(qiáng)散射情況下采用散斑相關(guān)法測(cè)量技術(shù)；為了消除溫漂的影響，對(duì)激光器進(jìn)行了ADRC溫度控制；分析不同反射特性材料對(duì)測(cè)量精度的影響，為適應(yīng)不同反射特性材料的激光源發(fā)光強(qiáng)度控制，基于FPGA進(jìn)行自適應(yīng)發(fā)光強(qiáng)度控制；采用模糊控制策略，對(duì)CCD接受的光強(qiáng)進(jìn)行綜合控制；研制了以線陣CCD為核心的驅(qū)動(dòng)與高速數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，以USB2.0為接口的數(shù)據(jù)輸出和計(jì)算機(jī)監(jiān)控軟件；對(duì)傳感器進(jìn)行了硬軟件集成，搭建了測(cè)量演示系統(tǒng)和采集標(biāo)定系統(tǒng)。 開(kāi)展了多方面的實(shí)驗(yàn)工作。比較了重心法、散斑相關(guān)法在不同情形下的測(cè)量效果；開(kāi)展了不同物體表面：顏色、粗糙度、光澤、傾斜度、材料等差異時(shí)候，激光位移測(cè)量的效果。全面分析了系統(tǒng)誤差及產(chǎn)生的原因，提出了改進(jìn)措施。高精度激光位移測(cè)量裝置，其測(cè)量工作距離35mm，測(cè)量范圍±7mm，測(cè)量分辨率4μm，在滿量程內(nèi)線性度不大于±0.1%，溫漂不大于±0.02%/°C，且測(cè)量精度不受工件表面反射特性影響。 申請(qǐng)了1項(xiàng)發(fā)明專利，發(fā)表了1篇SCI論文，2篇EI論文，3篇中文核心期刊論文。培養(yǎng)了6名碩士研究生和2名中物體院參研青年。 2100433B

對(duì)高精度激光位移測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)和裝置進(jìn)行立項(xiàng)研究，可以提高中國(guó)工程物理研究院有關(guān)產(chǎn)品的制造、裝配、檢測(cè)等環(huán)節(jié)中的位移檢測(cè)水平，從而提高產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率；此項(xiàng)研究將提升我國(guó)在該領(lǐng)域的科技水平，測(cè)量裝置可應(yīng)用于其他工業(yè)領(lǐng)域。.本項(xiàng)目將研究高精度激光三角法測(cè)量的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分析測(cè)量頭及光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)和質(zhì)量對(duì)測(cè)量性能的影響；消除散斑和反射像斑畸變?cè)斐傻恼`差，研究強(qiáng)散射情況下的散斑相關(guān)法測(cè)量技術(shù)；分析不同反射特性材料對(duì)測(cè)量精度的影響，研究適應(yīng)不同反射特性材料的激光源發(fā)光強(qiáng)度控制方法；研究以線陣CCD為核心的驅(qū)動(dòng)與高速數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)；研究以USB2.0為接口的數(shù)據(jù)輸出和控制技術(shù)。.研究成果除提交專利和論文外，還將提交高精度激光位移測(cè)量裝置，其測(cè)量工作距離35mm，測(cè)量范圍±7mm，測(cè)量分辨率1μm，在滿量程內(nèi)線性度不大于±0.1%，溫漂不大于±0.02%/ C，且測(cè)量精度不受工件表面反射特性影響。

激光位移(三角法)是最常見(jiàn)的激光測(cè)位移的方法之一，20世紀(jì)70年代用于熱軋帶鋼板形測(cè)量，由于這種板形測(cè)量方法簡(jiǎn)單，響應(yīng)速度快，在線數(shù)據(jù)處理容易實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)已廣泛用于板形測(cè)量領(lǐng)域。激光測(cè)位移系統(tǒng)由激光光源和接收器(PSD和CCD)兩部分組成。激光器LD發(fā)出的光經(jīng)透鏡L1匯聚照射在被測(cè)帶鋼表面的點(diǎn)O，其散射光由透鏡L2接收匯聚到線性光電元件(CCD)上的點(diǎn)O'，O與O'點(diǎn)共軛。當(dāng)被測(cè)帶鋼表面相對(duì)激光器LD發(fā)生位移x，而使物光點(diǎn)偏離零點(diǎn)O,像光點(diǎn)X'也將產(chǎn)生位移而偏離光電元件的零點(diǎn)(O')。由幾何關(guān)系可推得x=aX'/(bsinβ十X'cosβ)。實(shí)際應(yīng)用中調(diào)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可能略有不同，但測(cè)量原理基本相同。同時(shí)，光束在接收元件的位置通過(guò)模擬和數(shù)字電路處理，并通過(guò)微處理器分析，計(jì)算出相應(yīng)的輸出值，并在用戶設(shè)定的模擬量窗口內(nèi)，按比例輸出標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)信號(hào)。如果使用開(kāi)關(guān)量輸出，則在設(shè)定的窗口內(nèi)導(dǎo)通，窗口之外截止。另外，模擬量與開(kāi)關(guān)量輸出可獨(dú)立設(shè)置檢測(cè)窗口。

采取三角測(cè)量法的激光位移傳感器最高線性度可達(dá)1um，分辨率更是可達(dá)到0.1um的水平。比如ZLDS100類型的傳感器，它可以達(dá)到0.01%高分辨率，0.1%高線性度，9.4KHz高響應(yīng)，適應(yīng)惡劣環(huán)境。

激光位移法只是測(cè)量帶鋼因浪形而上下擺動(dòng)的位移量，而要得到對(duì)應(yīng)平直度的參數(shù)計(jì)算出帶鋼寬度方向不同位置縱向纖維長(zhǎng)度差異。因此，通常要沿帶鋼寬度方向設(shè)置三臺(tái)以上激光位移傳感器。

如圖2所示，磁性標(biāo)尺緊貼在導(dǎo)軌側(cè)壁上，并隨導(dǎo)軌固定在機(jī)床床身上；檢測(cè)頭固定在滑塊上，檢測(cè)頭中有磁敏電阻和信號(hào)處理電路等，滑塊和工作臺(tái)等移動(dòng)部件連接在一起。當(dāng)工作臺(tái)移動(dòng)時(shí)。檢測(cè)頭將位移信號(hào)通過(guò)電纜輸出。圖2所示為磁阻位移測(cè)量裝置的工作原理。

在圖2中a）中，磁性標(biāo)尺上的磁性材料按一定間距λ排列，檢測(cè)頭磁鐵產(chǎn)生的磁力線穿過(guò)兩個(gè)磁敏電阻尺R_M，與標(biāo)尺上的磁性材料構(gòu)成磁回路。因?yàn)榇判圆牧铣蕯嗬m(xù)分布，檢測(cè)頭在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，磁敏電阻上的磁場(chǎng)強(qiáng)度發(fā)生改變，所以磁敏電阻的阻值也隨之變化。每移動(dòng)一個(gè)λ距離，阻值變化一次，如圖2中b）所示。磁敏電阻的變化值經(jīng)信號(hào)處理電路整形、放大，轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)，作為位移測(cè)量信號(hào)。兩個(gè)磁敏電阻相距1/4λ的整數(shù)倍，使各自輸出的脈沖相位差90°，用于辨向。

因?yàn)榇抛栉灰茰y(cè)量裝置中的磁敏電阻不需要復(fù)雜的交流激勵(lì)源，和磁柵相比，具有很高的響應(yīng)速度，很適合在高速數(shù)控機(jī)床中進(jìn)行位移測(cè)量。

磁阻位移測(cè)量裝置具有很好的持久精度，不僅簡(jiǎn)化了位移傳感器的結(jié)構(gòu)，便于裝配和調(diào)整，導(dǎo)軌除了導(dǎo)向和支承功能外，還具有直線位移測(cè)量功能。