基于激光扫描钢管直径在线检测研究

摘要：为了实现对红热钢管直径在线检测的目的，采用了数字式激光扫描的方法。该方法基于模数变换的原理，用电机带动四面体棱镜旋转，实现激光双光束同时对钢管直径和光栅的扫描，用光栅的栅距度量钢管直径。其创新之处是采用激光双光束同时扫描方式，克服了电机转速不稳带来的误差。用标准件做了原理实验测试，获得令人满意的结果，最大测量误差为±20 μm。使用此方法进行钢管直径在线检测具有实用性。

关键词：激光扫描； 直径； 信息变换； 在线检测

中图分类号：TN24934文献标识码：A文章编号：1004373X(2011)23020803

Online Detection of Pipe Diameter Based on Laser Scanning

ZHANG Yongfeng1, GUO Danwei2

(1.Shenzhen Polytechnic Industrial Training Centre, Shenzhen 518055, China;

2. College of Optical and Electronical Information, Changchun University of Science and Technology, Changchun 130000, China)

Abstract： In order to achieve online detection of redhot pipe diameter, a digital laser scanning method was used. The method was based on analogdigital conversion, used a motor driven tetrahedron prism rotating to achieve doublebeam laser on the pipe diameter and grating while scanning at the same time, adopted grating pitch as a ruler to measure the diameter of the pipe. Using of this doublebeam laser scanning, the error caused by the motor speed instability was overcame. The satisfactory results can be obtained by experimental test, the maximum measurement error is . A conclusion that online detection of pipe is practical.

Keywords： laser scanning; diameter; information transformation; online detection

收稿日期：201107200引言

根据钢管生产线要求，应在加工过程中实时监控钢管的直径，使生产的钢管直径达到所需的尺寸指标要求。实现红热钢管直径的在线检测，应具备非接触式检测、检测速度快、精确度高及便于数据处理与传输等特点。而采用模数式激光扫描钢管直径检测是较为理想的方案。采用激光直径检测仪可实时检测钢管直径，并将检测数据输入计算机，由计算机将实时检测的数据与预先给定的钢管直径参数进行比较，然后将直径偏差值送至伺服控制器，再由伺服控制器控制钢管生产机，使生产加工的钢管直径达到给定值。在钢管加工过程中，钢管直径的检测技术十分关键，将直接影响钢管直径的准确度。

1激光扫描直径信息变换原理

钢管生产线上的测控系统如图1所示，该系统包括激光直径检测仪、计算机和伺服控制器三个部分。

激光扫描直径信息变换属于模数光电信息变换，是将钢管直径经光电信息变换成为数字量。激光可产生一束很细的平行光，采用激光作为扫描光源是非常理想的。图2为激光扫描钢管直径信息变换原理图。激光束经透镜1后被反射镜反射，由于旋转反射镜的转动可产生扫描光束，扫描光束经透镜1后变为平行的扫描光束，并以速度v对工件扫描，经透镜2后被探测器接收。由于工件的遮挡原理，将工件直径D变为光脉冲φs信号。由于激光束有一定的直径，在扫描工件边缘时会产生过渡区，使光脉冲信号前后沿变斜。光脉冲经探测器接收并放大后变为电压信号Us，再由边缘检测电路(鉴幅器)确定工件边缘的转换点，输出理想的脉冲信号，脉冲宽度t与工件直径成正比，则将对钢管直径D的测量转换为对脉冲宽度t的测量。

图1钢管在线测控系统

图2激光扫描直径信息变换原理图对脉宽t的测量有两种方法，一种是时间测量法，即利用激光扫过钢管直径D所需的时间进行测量，这种方法要求激光扫描的速度v恒定。另一种是位移测量法，即利用激光扫过钢管直径D所产生的位移量进行测量。下面介绍采用位移测量法实现数字式激光直径检测仪的工作原理。

2数字式激光直径检测仪

从激光器1发射的光束被分光镜2分成两束，一束通过透镜3和透镜4，然后再通过玻璃四面体5。玻璃四面体绕中心轴O(垂直图面)旋转，使光束的扫描方向与光轴相垂直。由几何光学可知，一束光按一定角度入射平行玻璃体时，由于折射结果使通过平行玻璃体的光束与原入射光束平移一段距离，而平行位移的大小与入射角度有关。那么，如果玻璃四面体按顺时针方向旋转时，使光束入射玻璃体的角度连续改变，因而使通过四面体的光束也连续平移，即光束连续扫描，如图3所示。玻璃四面体在5位置时，通过玻璃四面体的光束在10位置，当玻璃四面体旋到5′位置时，通过玻璃四面体的光束平行位移到10′位置。可见，当玻璃四面体顺时针旋转时，光束10由上向下扫描。扫描光束通过窗口6，然后横扫待测直径的钢管7。通过工件周围的光束由透镜8聚焦于光电接收器9，当光束扫描到工件边缘(光束与工件相切点)时，因为光束在切点处开始被工件遮挡，所以光电接收器接收光能从有到无突然变化，使其输出电信号也突然变化。输出的信号经过电子线路处理后，能分辨出激光光束与工件上下边缘相切点位置的偏差为±1 μm。

由分光镜2投射出的第二束光通过透镜11和12聚焦，并由棱镜13和14转向，使其与第一束光垂直，然后通过旋转玻璃四面体。第二束光通过玻璃四面体以前经由光栅15，其刻线与图平面垂直，玻璃四面体旋转时，使第二束光类似第一束光进行扫描，其扫描方向由左向右。第二束光扫描过第二光栅16，其第二光栅的刻线与第一光栅平行，透过光栅16的光束由透镜17聚焦在光电接收器18上。光电接收器18输出的信号随着第二束光扫过光栅16而作正弦变化，其每一振荡周期相当于光束移过光栅刻线的一个节距。

从图3中所示的图线可以看出，这两束扫描光束相对它们入射光的位移是相等的。玻璃四面体旋转90°角时，每一扫描光束就进行一次完整的扫描。

图3结构原理图两个光电接收器输出的信号经放大整形后其波形如图4所示。光束10扫过工件时，光束接收器9输出信号经放大整形为方波脉冲如图4(a)所示，此脉冲宽度正比于被测工件的直径。光束19扫过光栅16时，光电接收器18输出的正弦信号叫节距信号，经放大整形后为计量脉冲，如图4(b)所示。用方波脉冲控制电子门20，在此脉宽时间内打开电子门20，用电子计数器21计入计量脉冲，如图4(c)所示。设量化节距为q，所计脉冲数为n，则被测工件的直径:D=qn(1)玻璃四面体的旋转速度一般是3 000 r/min，在此旋转速度下，每秒内可以测量200次。因此，可用于连续测量轴向移动工件的直径。由于两个扫描光束是同步扫描，当玻璃四面体旋转一定角度时，两光束扫过的位移是相等的，因此，这种测量方法与时间间隔无关，那么玻璃四面体旋转速度的变化对直径测量的精确度将没有影响，即放宽了对玻璃四面体旋转速度的要求。

图4波形图3误差分析

影响测量精确度的因素有以下几方面：

(1) 量化误差：设光栅的节距为q,q值既是量化单位，也是测量的最小分辨率，其测量误差为±1/2q，这是测量的原理误差。目前，光栅节距(栅距)有20 μm,10 μm,5 μm等。光栅尺寸的刻度误差将直接影响量化误差，所以对光栅刻度误差有一定要求。另外，为了提高测量精确度，将透过光栅16的整个光通量变化用透镜17聚焦在光电接收器18的光敏面上，这样具有积分效果，可以克服个别光栅刻线的较大误差，从而放宽了对光栅刻线的要求。

(2) 玻璃四面体的几何形状误差：理想的玻璃四面体是一个正方形四面体，能保证两个扫描光束的位移量相等。实际加工过程中存在几何形状误差，这个误差直接影响扫描光束的位移量，给测量直径尺寸带来误差。

当工件移动速度较慢时，将玻璃四面体旋转一周或数周时所连续测量的直径取平均值，可大大减小由于玻璃四面体几何形状的偏差所引起的误差。在这种情况下，测量精确度约为2 μm。

(3) 工件移动过程中检测带来的位移误差：上面已经提到，在高速扫描的情况下，工件移动速度较慢时，可以忽略此项误差。但当工件移动速度较快时，位移误差不能忽略。

图5为钢管移动时，对应不同位置直径的变化曲线,横坐标为位置量，纵坐标为直径量，设钢管的标准直径为D0，A点为开始检测位置。由于工件以v1速度移动，扫描光束离开工件时为B点位置，则给测量A点位置的直径带来误差，为分析方便，设A点位置的直径为D0，B点位置的直径为D0+ΔD，若钢管沿轴心对称增大，则测量直径误差为1/2ΔD。

图5位移误差分析设D=f(x)即直径是位置的函数，工件移动速度为v1，扫描速度为v2，工件由A点移到B点时的位移为Δx，在Δx很小的情况下，直径曲线的变化可视为线性变化，其变化斜率为f′(xA)。

扫描光束扫过钢管直径的时间ｔ为:t=D0/v2(2)在此时间内钢条的移动位置Δx为:Δx=v1t(3)钢管直径的增长量ΔD为:ΔD=f′(xA)•Δx(4)将式(2)和式(3)代入式(4)得:ΔD=D0f′(xA)v1/v2(5)从公式(5)可以看出，位移误差的大小正比于工件移动速度v1与光束扫描速度v2之比。当工件移动速度较慢，即v1/v21时，可以忽略位移误差,即工件速度的上限值受扫描速度和测量精确度的限制。

(4) 随机误差：在检测过程中，因工件受到震动使位置变化、光源波动使光束与工件相切点位置变化、电源波动都将引入误差。所以进行多次直径测量，取其平均值，可以使随机误差减少，甚至忽略。为此，可采用8面、16面玻璃体扫描，以提高扫描次数。

总之，影响检测精确度的主要有量化误差和位移误差。在静态测量或工件移动速度不大时，主要为量化误差，而其他随机误差可以通过多次测量取平均值来克服。

4结论

当钢管运行速度为150 m/min时，连续测量分辨率为10 μm,测量精确度为±20 μm。该项科研成果已通过省部级科技鉴定，已形成系列产品，除用于钢管厂测量红热钢管的直径外还可用于测光纤、电线等线材直径。

参考文献

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作者简介： 张永枫男，1960年出生，吉林长春人，副教授。国家精品课程单片机应用技术负责人，多年从事自动控制及检测技术的教学与科研工作。

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