大尺寸工件直径光电检测控制系统设计.doc

学号 2012301200097
密级

武汉大学
本科毕业论文

大尺寸工件直径
光电检测控制系统设计

院（系）名 称：电子信息学院
专 业 名 称 ：通信工程
学 生 姓 名 ：
指 导 教 师 ：

二○一六年五月

摘 要
对大尺寸工件直径的精密测量，是很多大型机器设备加工质量的重要保证之一。随着现代工业技术的快速进步，各种工业设备中系统的自动化程度、工件的精密度越来越高，所以人们对大型工件的精密测量也有了越来越苛刻的要求。与中、小尺寸零件的精确测量相比，大型工件内、外径的精密测量还存在一些有待解决的难点，所以本论文在激光三角位移检测原理、光栅位移检测原理、精密机械技术和计算机控制与数据处理技术的基础上，设计了一种用于测量大尺寸工件直径及圆度误差的光电测量控制系统,用以解决大尺寸工件直径及圆度误差的精密测量问题，能够有效地促进精密加工技术的发展。本文详细叙述了该光电检测系统的总体结构组成、检测系统的工作原理与过程、控制系统的结构组成及设计实现、误差的来源与纠正。
基于光电测量原理，本文介绍了一种采用半导体激光测头的移动和旋转与光栅位移检测技术相结合的测量方法，并设计了对应的光电检测系统。
本文分别对半导体激光测头的激光三角检测原理、光电位置传感器PSD的工作过程与特点、光栅位移检测原理和计算机控制与数据处理技术进行了详细的阐述。按照要求设计了一个高性能的控制系统来进行测量控制、数据处理、结果显示等，把计算机技术、单片机术和电子技术相结合起来，来完成本测量仪的控制系统设计。
通过仿真测试，对该光电检测控制系统的测量精度进行了检验，结果证明，该系统的内、外径测量精度小于±(30+D/100)（D为被测直径）,圆度误差小于±0.05，符合大尺寸工件内外径的测量要求。

关键词： 大尺寸直径；控制系统；光电检测；光三角法；圆度误差

II

ABSTRACT
Precision measurement for large size workpiece diameter, is a lot of large machinery and equipment processing one of the important guarantee of quality.With the rapid progress of modern industrial technology, the automation of various kinds of industrial equipment system, the precision of the workpiece is higher and higher, so the precision measurement of large workpieces have more and more stringent requirements.Compared with the precise measurement of the medium and small size parts, precision measurement of large workpiece inside and outside diameter there are some difficulties to be solved, so this thesis in laser three angular displacement detection principle, the principle of raster displacement detection, precision machinery technology and computer control and data processing technology, based on the design of a kind of used for measuring large size workpiece diameter and roundness error of photoelectric measurement control system, in order to solve the large size workpiece precision measurement of diameter and roundness error problems, can effectively promote the development of precision machining technology.Wen is described in detail the overall structure of the photoelectric detection system composition, the working principle and process, detection system, the architecture of the control system design and implementation, the source of the error and correct.
Based on photoelectric measuring principle, this paper introduces a kind of using semiconductor laser measuring head move and rotate and raster displacement detection technology of combining the measurement method, and corresponding photoelectric detection system is designed.
This paper the principle of laser triangulation of semiconductor laser probe detection, working process and characteristics of photoelectric position sensor PSD, raster displacement detection principle and the computer control and data processing technology are detailed described.According to the requirements by designing a high performance control system for measurement and control, data processing, according
II

to the results, etc., the combination of computer technology, single chip computer and electronic technology, to complete the control system design of the measuring instrument.
By simulation test, the control system of the photoelectric detection accuracy of measurement, the inspection results show that the system of inner and outer diameter measuring precision is less than ±(30+D/100), roundness error is less than ±0.05, conform to the requirements of the large size workpiece diameter measurement.

Key words: Large diameter；Control system；Photoelectric detection；
Optical triangulation；Roundness error

目 录
摘要.......................................................................Ⅰ
ABSTRACT..................................................................Ⅱ 1 绪论......................................................................1
1.1 选题的背景..............................................................1
1.2 大尺寸直径检测的国内外现状............................................2
1.3 光电检测技术的研究现状及发展趋势.....................................4
1.3.1 光电检测技术的研究现状..........................................5
1.3.2 光电检测技术的发展趋势..........................................5
1.4 论文课题的来源、研究的目的及意义.....................................6
1.4.1 课题的来源........................................................6
1.4.2 研究的目的及意义.................................................6
1.5 本文的主攻方向、主要内容及主要技术指标...............................7
1.5.1 本文的主攻方向...................................................7
1.5.2 本文的主要内容...................................................7
1.5.3 系统主要技术指标.................................................7
2 光电检测系统的基础理论.............................................8
2.1 各种光电检测技术.......................................................8
2.2 光电检测系统原理.......................................................8
2.2.1 光电检测系统的概念与结构........................................8
2.2.2 光电探测器的原理.................................................9
3 总体方案设计..........................................................11
3.1 总体设计思想及原理....................................................11
3.2 光电检测系统的总体组成及各部分的作用...............................11
3.3 系统基本功能特点......................................................13
3.4 系统检测原理...........................................................13
3.4.1 工件外径与内径的检测原理.......................................13
III

3.4.2 圆度误差检测原理................................................14
4 光电检测系统及原理..................................................15
4.1 激光三角法位移检测技术...............................................15
4.1.1 工作原理.........................................................15
4.1.2 位移测量系统设计................................................15
4.2 光栅位移检测技术......................................................17
5 激光测头的电学控制系统............................................19
5.1 电学系统框图...........................................................19
5.2 PSD前置处理电路......................................................20
5.3 A/D转换电路...........................................................23
6 计算机控制与数据处理系统设计....................................25
6.1 计算机硬件选择.........................................................25
6.2 计算机软件设计.........................................................25
7 误差分析...............................................................28
7.1 系统直径检测主要误差来源及分析......................................28
7.2 系统圆度检测误差来源与分析...........................................29
7.3 误差分析结论...........................................................29
结论.......................................................................31
参考文献..................................................................32
致谢.......................................................................34

IV

1 绪论
1.1 选题的背景
测量是人类认识客观事物本质的基本手段之一，通过测量能使人们对事物作出量化描述,获得定量的概念并发现总结出事物的规律性[1]。测量，在人类的生产和生活的各个领域中都具有举足轻重的地位，它是促进科学技术发展的重要环节之一，伴随着科学技术的不断进步，测量技术也随之得到了迅速的发展。测量为现代科学技术的发展提供了精确的依据，所以说没有测量也就没有现代科学。
随着科学技术的飞速发展和现代机械加工行业的不断深化，许多大型机器设备都在向着精密化、集成化和自动化等方向发展，这是发展的必然结果，而这就导致这些设备中所需的大型零部件的加工要求及难度也在不断增加。测量作为保证零部件尺寸精度的重要环节之一，其检测过程会对加工的质量及周期产生重要的影响。传统的测量方法具有很大的局限性，特别是近些年来，随着精密制造技术的不断提高，各种材料和形状的精密零件的大量出现，传统的测量方法已经跟不上当代精密加工行业不断发展的步伐，严重影响了生产产品的安全质量以及企业的经济获益。随着科学技术的迅速发展以及精密加工的迫切需求，各种各样的精密加工方法的陆续兴起，人们对精密测量技术的要求也在不断提高，所以世界各先进国家都投入了大量的人力物力对精密测量技术进行更深入的研究。从根本上来说，精密测量技术必须比精密加工技术更加先进才行，只有这样才符合人们对产品加工精度不断提高的需求，而测量技术又对精密加工起到了不可或缺的作用。当前，高精度、高速度、非接触光电检测技术已经成为现代测量技术中最重要、最尖端、应用范围最广泛的组成部分之一，而以红外、激光、CCD、PSD等为探测器的光电检测技术在国民经济的各个行业中发挥着越来越重要的作用。
光电检测技术测量精度高、速度快，而且系统自动化程度很高，所以它在很多生产和生活领域中得到了非常普遍的应用，发展的也十分迅猛。光电检测技术结合了光学技术和现代电子学技术，它被广泛地应用到工农业生产、精密医学仪器、军事兵器和空间科学等领域中。现在，国际上每年都会涌现出一大批适用于各个领域、各种场合、具有各种功能的光电检测仪表仪器[2]产品，多数都是基于光电测量原理对各种工件的圆度误差和尺寸等要素进行测量。
激光检测技术是[3]当前光电检测技术领域中测量方法最先进、应用也最普遍的检测技术之一。把激光技术用在测量工作上，最主要的原因是由于激光具有高亮度性、高方向性、高单色性和高相干性等突出优点。基于激光的多种良好特性，激光检测技术在精密、超精密工件加工行业之中发挥不可替代的作用。激光检测技术可以对产品的位置、尺寸、形状、位移等多种相关参数进行高精度、高效率的非接触式在线测量，并且不易受外界环境影响、测量速度快、可靠性高、而且测量系统能够实现自动化和智能化。激光检测技术由于其本身具有的优势，正在逐步深入通信、信息处理、制造业等国民经济的各个行业。伴随着激光技术、精密机械技术、微电子技术和计算机处理技术的飞速进步，基于激光检测技术的光电测试设备也得到了快速的发展和广泛地应用，越来越受到世界各国的青睐。
1.2 大尺寸直径检测的国内外现状
这些年来，人们研究出了许多针对中小尺寸零件直径检测的测量方法[4]，并且它与大尺寸工件直径检测有很多相通之处，可以从直径测量方面对相关测量方法进行叙述。
测量工件直径的方法从根本上可分成三大类：机械方法、光学方法、其它方法。
（1） 机械测径方法
机械测量法检测原理简单明了、使用方便快速、测量价格便宜，因而在检测工件内外径时被普遍采纳，但总的说来其测量误差很大，具体有以下几种方法：
（A) 大型外径千分尺和内径千分尺
用千分尺测量圆柱体工件的内、外径是目前我国使用最普遍的检验手段，测量尺寸1米以下的工件时，其误差为±0.03，其测量精度受自重变形、两测杆不平行、零位调整、外界温度以及操作人员等因素的影响很大，检测范围为：大型外径千分尺可检测2米以下的工件，内径千分尺可检测6米以下的零件。近年来，随着电子技术的发展，国内外出现了多种类型的数显卡尺，这些数显卡尺在外观上与一般的卡尺并无两样，只是用数字显示代替了人眼读数，用容栅代替了机械刻线，因而检测精度有所提高，检测1米的工件，其测量误差为±0.01，但检测范围有限，只能测量l米以下的工件。
（B）尺法[5]
用钢带尺或尺围绕被测件，检测其周长，然后求其平均直径。检测时要求钢带尺与被测件圆周紧密接触，因带尺与被测件表面摩擦很大，测量精度受测量力和温度变化的影响较大，此外被测件的形状误差对检测精度也有影响，故这种方法的检测精度很低，一般只能检测8级精度以下的零件。现国外有人采用温度膨胀系数很小的殷钢制作的尺，并在尺上加以恒定的测量力和读数显微镜，在一定程度上提高了检测精度。
（C）弦高法[6]
弦高法的检测是通过测得弦高H及弦长S，就可计算出被测直径，检测l米的工件其检测误差为±0.05，故检测精度很低。
(2) 光学测径方法
因光学检测方法[7]为非接触式，检测时无测力，无磨损，无变形，在保证较高检测精度的同时具有高的检测速度，因而它越来越被广泛应用于机械加工中的在线检测与控制。光学测径方法，按瞄准工件的方式可迸一步分为：影像法瞄准；衍射法瞄准；接触式瞄准及激光光线瞄准等。
（A）CCD影像法
CCD影像法是目前国内外采用较为广泛的在线检测手段之一，其检测是通过测得像的大小就可测得被测直径的大小。这种方法的检测精度可达，检测范围。
（B）衍射法瞄准
为克服对被测工件直接成像时不易瞄准的缺点，近年来国外不少人利用衍射法瞄准，检测系统由激光光源、驱动马达以及读取衍射像位置并转换为电信号的光电接收器三大部分组成，此装置能保证的加工精度，但它只能作相对测量，测量的范围有限。
（C）干涉法瞄准[8]
该系统实际上是由两台干涉仪组成，由白光干涉仪的零级条纹瞄准定位，由激光干涉仪进行检测，由准直仪发出的光线被半透半反镜分为两部分，一部分射向与激光干涉仪联在一起的参考镜，另一部分射向被测件：在薄膜镜处分为两部分，即反射一次的光线和反射两次的光线，两光线的光程差为两倍的被测孔径，此仪器的检测精度为，但仪器调整及零级条纹的观察都比较困难，其测量范围为。
（D）激光光束瞄准
激光光束具有方向性好、能量集中等特点，因而越来越被广泛应用于对被测工件的瞄准，具体应用激光光束瞄准的方法有：能量法、扫描法、光焦点法、中心跟踪法等。
能量法：通过探测光束掠射工件后的能量变化来检测被测直径的变化，其检测范围为，检测直径的变化范围为。 测量精度为。
扫描法：扫描法是近年来国内外发展较快的一种光学检测方法，广泛用于飞机制造业和机械加工业中的中小尺寸零件的控制与在线检测，检测范围为。检测误差为。
（3） 其它测径方法
测量直径除了主要采用光学与机械方法外，近年来还出现了其它一些方法，如气动法、超声波法等。
（A）气动法
气动法的测量范围为，测量精度为，该方法的主要优点在于气流连续通过喷咀可以将冷却液和切削吹掉，缺点是工件表面粗糙度对测量的影响较大，线性范围小。
（B）超声波方法
这种方法的原理是利用超声波到达工件表面和接受器的时间间隔与工件表面和传感器的距离有关这一特性，这种方法的测量精度不高，测量范围有限，还没有在实际中得到应用。
综上所述表明，目前国内外对中小尺寸的检测技术日趋完善，近十几年来出现了许多测量中小尺寸零件的新方法、新仪器，这些新方法和新仪器已基本上能满足现代化生产的要求。但是对大尺寸的测量，特别是大型工件内外径(超过)的测量发展却十分缓慢，而新技术，新工艺，新项目对大直径尺寸高精度测量技术提出了越来越高的要求。
1.3 光电检测技术的研究现状及发展趋势
光电检测技术是把光学技术和电子学技术有机结合起来而产生的一门新兴检测技术[9]，它是以光电子学为原理基础，以光电子器件为功能主体，利用光电传感器敏感特性对光学信号进行探测并转化成微弱的电学信号，然后对该信号进行转换、传递、储存、控制、计算和显示等操作处理[10]。由于光电检测系统测量精度高、测量速度快，而且是非接触式测量，所以在各行各业中都得到了快速的发展和普遍的应用，是目前最受重视和最具有发展潜力的光电信息技术之一。
1.3.1 光电检测技术的研究现状
西方科技发达国家，从上世纪六十年代就开始研究光电检测技术及其应用领域，而且陆续发现一些光电检测技术的研究成果及应用方向，然后进行相关仪器产品的研发和生产，并逐步在国际上形成产业化[2]。随着科学技术的飞速发展，光电检测技术也发展地越来越好、越来越快，目前其测量精度已达到纳米、亚纳米级。小型、高速的微型光、机、电、算相结合的光电检测系统由于其结构简单、成本低下、操作方便、综合性价比高等优点在国民经济的各个行业中应用地越来越普遍，发挥着越来越重要的作用。得益于激光技术、微电子技术、光电传感技术和计算机处理技术的飞速进步，光电检测仪器产品的发展也日新月异，其性能指标越来越高，产品质量越来越好。
我国对于光电检测技术的研究起步较晚，所以相对于西方发达国家来说，技术不是很先进，但是基于国家建设的需要，我国在应用基础和实用领域方面的发展较快，经过近30年的不懈努力，有些技术的性能指标已经达到国际领先水平。
1.3.2 光电检测技术的发展趋势
西方发达国家本着国防兵器工业建设和工业产品市场竞争力的需要，越来越关注光电检测技术及其产业的发展和成长，所以每年都投入大笔的资金和人力、物力进行光电检测新技术的研究和新产品的开发。因此，光电检测技术及相关产业的产值也正以每年超过10％的速度猛涨，西方发达国家几乎垄断了光电检测技术的整个国际市场。随着世界各国日益激烈地竞争以及整体科研技术水平的飞速提高，检测技术发展地日新月异，并且在国民经济的各个行业中，发挥着举足轻重的作用。无论是科学技术的研究、产品的质量检测还是系统的自动化控制等领域都要用到检测，光电检测技术以现代光学技术为媒介，以光电传感期间作为检测手段，具有非接触式测量、测量距离远、抗外界干扰的能力强、受环境影响较小、检测速度快、测量精度高等突出优点，是当今检测技术发展的主要方向，具有广泛地应用前景。各种光电传感器件的开发和功能特殊材料的发现及应用，对现代光电检测技术的发展起到了推动作用。CCD器件、半导体激光器、光电传感器等光电检测器件的制造技术日益先进，已经获得应用，显示了超强的发展活力和开发潜力。光电检测技术的发展趋势主[11]要表现在：
(1)光电检测系统中电子元件及处理电路向集成化方向发展；检测技术向自动化方向、非接触测量方向发展；检测结果向数字化方向发展，实现光电测量与光电控制的同步发展；检测系统向智能化方向发展。
(2)光电检测仪器的功能向综合性、多参数、多维测量等多元化方向发展；光电检测系统向小型化、便携化方向发展；光电检测仪器结构向模块化方向发展；检测状态向动态测量方向发展；检测精度向高精度方向发展；检测效率向快节拍方向发展。
以上这些发展趋势是现代化生产的需要，是现代科学技术发展的需要，是国防建设的需要。
1.4 论文课题的来源、设计的目的及意义
1.4.1 课题的来源
本课题为教师自拟
1.4.2 设计的目的及意义
在汽车、飞机、船舶及国防兵器等大型工业机器设备制造业中，随着这些机器设备越来越复杂、系统自动化程度越来越高，其中大型零部件的精密加工及精确测量一向是影响其产品的质量及周期的世界性难点之一，此类零部件的精度是影响其产品的综合性能的主要因素之一。怎样提高大尺寸轴类工件在线检测的精度和速度，是大型机器加工和安装行业的重要课题。它不但能促进民用机械加工行业的发展及生产，而且对于我国国防兵器工业建设，尤其是航空航天领域更是不可或缺的。但目前国内外在测量大尺寸工件直径时，大多数仍采用大型螺旋测微器、大型千分尺、钢带尺等接触式测量仪器，但是这些测量仪器不仅结构复杂、测量效率低下而且还易受操作人员及外界测量环境的影响。
为此本文提出了一种采用半导体激光测头的移动和旋转与光栅位移检测系统相结合的测量方法，并设计了相应的检测系统，运用此检测系统可对大尺寸工件多个部位的外径、内径及圆度作出高速度、高精度的非接触式测量。本检测系统对提高大尺寸工件的加工质量和加工速度、减少生产成本、降低产品的废品率和保证机器设备的性能具有重大的意义。
1.5 本文的主攻方向、主要内容及主要技术指标
1.5.1 本文的主攻方向
本文的主攻方向是根据要求设计一个能够测量大尺寸工件直径和圆度误差的光电测量控制系统 ，用该控制系统操控测量过程，并进行数据处理和结果显示等，以计算机技术、单片机技术和电子技术为基础，来完成本光电检测系统的控制系统设计。
1.5.2 本文的主要内容
本文的主要内容是对大尺寸工件的内径、外径、圆度误差的光电检测控制系统进行详细地分析和设计。主要包括以下内容：
（1）简要了解各种光电测量的测量方法和测量原理，分析大尺寸轴类工件的光电测量方法及测量原理，并对其作简要介绍；
(2) 设计大尺寸工件直径光电检测系统的总体方案，简要介绍其结构组成以及各部分的作用；
(3) 详细分析大尺寸工件直径光电检测系统的检测原理，并设计相应的检测系统；
(4) 详细分析大尺寸工件直径光电检测系统中控制系统的结构组成及原理，并设计相应的控制系统，包括激光测头的电学控制系统设计和计算机控制与数据处理系统设计；
(5) 对检测系统的测量误差进行分析，对导致该系统误差的来源进行剖析，推导出误差修正公式，提出降低系统误差的方法，并通过实验加以论证。
1.5.3 系统主要技术指标
测量范围 Φ500-Φ1500，
直径检测精度 ±(30+D/100), D为被测直径
圆度误差检测精度 ±0.05mm
2 光电检测系统的基础理论
2.1 各种光电测量技术
（1）光电直接探测技术
光电直接探测技术是将待测光学信号直接入射到光探测器的光敏感面上，由光电传感器将光学信号直接转化为电学信号，根据不同的要求，再经后续电路处理，最后获得有用的信号。
一般，光探测器前可采用光学天线，在其前端还可经过频率滤波和空间滤波处理。这是为了进一步探测效率和减少杂散的背景光。
（2） 光外差探测技术
光外差探测技术采用两束具有微小频率差的光产生干涉，生成的信号为交流电，不仅克服了光电直接检测的飘移问题，而且细分地更加容易，显著提高了抗干扰能力。
光外差探测技术被普遍地应用到激光通信、激光雷达、测角、测速等检测领域。与光电直接探测技术相比，光外差探测技术的测量精度更高。
（3）微弱信号检测技术
在很多科学研究和生产应用领域中，都需要用到到微弱信号的精密测量技术。但是，任何一个检测系统都肯定存在噪声，而所探测到的信号又十分微弱，所以，怎样把处于噪声中的有效信号提取出来就显得尤为重要。该课题引起越来越多的人的关注，我们通常从两条不同的途径来解决：
1. 想办法减小检测系统的噪声，使被测信号功率超过噪声功率，以使得信噪比大于1
2. 采用相关接收技术
（4）图像探测技术
（5）光谱检测技术
2.2 光电检测系统原理
2.2.1 光电检测系统的概念与结构
光电检测技术是在人类探索和研究光电效应的过程中产生和发展起来的。人类从1873年最早发现光电导现象到1929年制造出第一个实用的光接收器件，共用了56年时间。把光的各种相关参数变化转换为电量（电阻、电压和电流等）变化的器件叫光电探测器。随着现代材料科学和半导体技术的迅速发展，各种各样的光探测器正朝着功能化、集成化和智能化方向发展，为光电检测技术的发展奠定了基础。光电检测技术是以激光、红外、光纤等现代光电检测器件为基础，通过光电探测器把目标携载的光信息转变成为电信号，由输入电路、前置放大、滤波等光电检测电路提取有效的信息，再通过A/D变换接口输入微型计算机进行运算、处理，最后显示或打印输出所需检测物体的几何量或物理量。光电检测技术就是研究与此过程有关的被测信号的采集、调制、解调、信号的变换、传输、处理的理论和技术，研究检测仪器和检测系统及其设计的基本原理与技术。
光电检测主要是由光电传感器件进行测量，光源产生的光和辐射的参数受被测对象的控制，光和辐射参量的变化由光电器件接收后转变成电参数变化来进行测量。在光电检测技术中，信息的变换是以光作为转换媒介，光是信息的载体。被测信息与光的各项参数联系在一起，所以光电检测的精确度高、灵敏度高，可以检测变化速度极快的现象。因为光子的速度远比电子的速度要快的多，光的频率也比无线电的频率高的多，所以为了提高信息的传输速度和载波密度，由电子发展到光子是发展的必然趋势。
下图2.1为光电检测系统的结构模型[12]
光

源
光

学

系

统
被

测

对

象
光

学

变

换
光 变

电 换

传 电

感 路
电

信

号

处

理
存 储
控 制
显 示
图2.1 光电检测系统的结构模型

2.2.2 光电探测器的原理
当光入射到物质表面时，与光电敏感材料中的电子相互之间发生作用，改变了电子的能量状态，进而引发各种电学参量变化，这种现象被称为光电效应[13]。根据不同的光电现象，光电效应大致可以分为两大类：在光线作用下，光电敏感材料中的电子从物质表面逸出的现象称为外光电效应；内光电效应是指受到光照射的物质内部电子能量状态发生改变，光子激发所产生的载流子仍保留在材料内部，不存在表面发射电子的现象。能改变物体电导的现象称为光电导效应；而能够产生一定方向电动势的被称为光生伏特效应。光电导效应和光生伏特效应都统称为内光电效应。

3 总体方案设计
3.1 总体设计思想及原理
根据下图3.1 激光三角测量原理图[14]：已知三角形的三个顶点(A、B、C)的坐标值，可以计算出三角形的外接圆的直径和圆心坐标。由电控平移动系统控制的光栅位移检测