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激光测距仪直径测量的工作原理

2010-12-18

激光测距仪直径测量的工作原理
直径的测量
20世纪50年代末，出现了激光理论；20世纪60年代初，激光由于亮度高、单色性好、相干性好和方向性好等优点被广泛应用于精密测量技术中；20世纪70年代起，激光测径仪得到了发展，可以对棒材、线材和管材的外径进行动态测量，测量范围可以从十微米到几百毫米，精确度可达0.1% ~ 1%。
1、激光测量直径的工作原理
用束细光以恒定的速度扫描被测线材，同时由放在线材另一侧的光电元件来接收光线。当光束扫描无线材区域时，由于没有庶光物，所以光电元件接收到的光能，有信号输出；当光束把扫描线材时，由于线材庶光，光电元件接收不到光能，故无信号输出。光电元件输出的电信号是一个方波脉冲，脉冲宽度与线材直径成正比。测出这个肪冲的宽度，原则上就测量了线材的直径。
为了得到细光束，这里采用氦-氖激光器，激光具有其他光束无法比拟的优点。为了使光束以恒定的速度扫描测量区域，这里采用同步电动机来带动多面棱镜旋转，光线经过棱镜反射后，形成速度恒定的扫描光线，再经过前透镜将旋转的光束变成平行移动的光束来扫描测量区域，通过透镜再把平行光束会聚到光电元件上，光电元件把光信号转变成电信号。本仪器利用石英晶体振荡器的振荡周期作为测量线材脉冲宽度的时间基准。
激光器发出的细光束，经光路透射到多面棱镜上，由于棱镜随着电动机匀速转动，那么反射光线以反射点O（O点为前透镜的焦点）为中心匀速旋转起来；此光线经过前透镜折射后则变为平行的扫描光束，此光束会先经过路径OABO，随着棱镜的旋转，它会向路径AO’B’O’移动。平行扫描光束，经后透镜聚焦在光电元件O（O为后透镜的焦点）上，光电元件把光信号转变成电信号，此信号是一个方波脉冲信号（低电平对应着线材遮光部分）。如果激光束很细，以至于可以看成理想的几何光线，那么线材脉冲就是一个理想的方波。
2、误差分析
实质上光线扫描的线速度是不均匀的，即不是匀速的，这导到了原理误差。原理误差随着线材中心位置偏离光轴而增大，当增大焦距F时，可减小误差，但F的增大会降低仪表的读数精确度。此测量第统采用了透镜，由于存在透镜像差或系统装校不合适，扫描光线不是严格的平行光线，光线或多或少地存在会聚或发射散等，这些都会导致出现测量误差。另外，由于激光束不是几何光线，它有一定的线性度，当它与线材相遇时，光电元件输出的光电流是一个逐渐变化的过程，因此线材脉冲的上升和下降沿有一定的过渡时间，导致整形后的线材脉冲宽度变化，这也可以引起相应的测量误差。
思考题和习题
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