[发明专利]一种测量物体尺寸的方法及其设备

说明书

本发明涉及一种由光学系统将激光束转变为均匀平行光照射物体，测量其直径、厚度、宽度等的方法及其设备，适用于各种线材，管材或其它物体被测件的测量。    

应用激光技术测量线材、管材直径，厚度、宽度等的方法及其设备已在工业生产中得到了应用。其中与本发明最接近的技术就是被称之为“扫描型激光测径”的方法及其设备。这种仪器设备的工作原理是将激光束照射到由电机带动旋转的旋转镜上，使激光束以匀角速度运动，当激光束通过线性扫描透镜时，扫描激光线即由匀角速度变为匀线速度。然后光线再通过积分透镜会聚于光电探测器上，当有物体在扫描头和接收头之间时，就会产生一定的挡光时间，利用挡光与不挡光的时间之差测得物体的直径、厚度、宽度等数值。应用此方法测量物体，对测量设备要求很高，电机的抖晃，电路元件温度的漂移，季节及气候的变化都能对测量精度产生较大的不利影响。另外测量设备开机后稳定时间较长，从而影响了线操作。再就是由于设备必须存在有运动件，使得结构复杂，使用不方便，故障多，体积大，成本高。虽然后来有人在这个基础上对电机转速不稳，抖晃及信号处理电路中的元器件参数受温度变化而不稳定给测量精度所造成的影响做了一些补偿，例如：电子科技大学的专利申请(申请号91107169.5)，它在F(Q)

透镜与积分透镜之间安置了一个标准挡光件在A/D变换器与终端显示设备之间有一进行数据处理及测量误差补偿的计算机处理系统，但仍没有解决结构复杂，使用不便，体积大，成本高的问题。

本发明的目的就是提供一种利用激光的能量在物体进入测量范围内，因物体遮挡而相对减少的原理而设计的激光测量仪，使其没有运动机构，操作方便，体积小，成本低。 

本发明的技术方案是在将激光器件发出的近似圆锥形的光束转换为平行光速的透镜前或后放置一个透光孔为双凹形的条形光栏，当激光光束通过透光孔后即变为截面为双凹形的平行光束。我们都知道，激光二极管发出的激光束，虽然可以用透镜系统转变为平行光束，但在宽发射角度的方向上，其能量是呈正态分布，即平行光束的垂直平面内能量并不是呈均匀分布状态，中间强，两边弱。如果此时将被测物体放入平行光束中，置于不同的位置，由于挡去的能量强弱不同，光电接收端所起的电压变化也就不一样，测量也就失去了准确性。本方案设计的双凹形透光孔光栏，解决了上述平行光束能量分布不均问题，激光束通过透光孔后，即变成一个截面为双凹形的平行光束，此光束在双凹形长轴方向上能量分布近似相等，显然一物体放置在这样的光束范围内任一位置所引起的电压变化也将基本一致。这样就保证了利用激光能量被被测物体遮挡而减少原理测量被测物的直径，厚度、宽度的可能性和精确性。

实现上述测量方法的测量设备包括有：一台激光发射器，一个可将激光器件发出的近似圆锥形的光束转换为平行光束的透镜系统，一个可将平行激光束转变为一维方向能量均匀的透光孔为双凹形条形光栏，一个可接收平行激光束，并将激光束汇聚到光电器件上的汇聚透镜系统，一台光电器件，以及电压放大器系统。

本发明采用了特殊的双凹曲线透光孔的光栏解决了激光束中能量分布不均匀的问题，使利用激光能量被被测物遮挡而减少原理测量物体直径，宽度、厚度成为可能。用此方法测量物体直径、宽、厚等均简便易行，设备无需任何运动机构，体积小，成本低，也简化了电路。

下面根据附图对本发明作进一步的描述。

图1光路原理图

图2双凹曲线透光孔光栏结构示意图，

其中：1.高稳定电源  2.激光器    3.透光镜  4.光栏5.被测物  6.汇聚透镜   7.光电器件   8.放大器

如图1所示：由激光器(2)与高稳定电源(1)相连，将一双面凸透光镜(3)放置在激光器前，将双凹曲线透光孔光栏(4)挡在透光镜前或后构成测量设备的发射器系统。接收器系统是由一个接收平行光束的汇聚透镜(6)，光电器件(7)置于其后并与电压放大器(8)相连构成。测量步骤如下：首先将被测物体(5)置于透光镜和汇聚透镜之间，使被测物体的轴线垂直于光束截面的长轴。从激光器发出的高稳定光束经过透镜变为平行光束，再经过双面为凹形的透光孔光栏变为横截面为与透光孔同形的激光束，该光束从双凹形的短轴方向看，单位长度发射出的能量是不均匀的，但从双凹形长轴方向看单位长度发射出的能量确是均匀的。当此光经过被测物体时，部分能量将被被测物挡住，所挡住能量与被测物所测直径(宽度、厚度)成线性关系。剩余能量通过汇聚透镜被光电器件接收并输入放大器电路，放大器电路的输出电压随被测物测量的直径(宽度、厚度)线生变化，再经过AD/DA处理即可测量物体的直径(宽度、厚度)实际值。