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［摘要］針對大直徑等相關非透明線材快速實時測量的問題開展研究，設計實現了雙光路激光掃描測徑系統。該系統基于“三標準棒法”，應用3個標準棒相對測量原理，采用數據分組策略方法，降低環境和偶然誤差的影響。以ARM為核心控制器對數據采集并處理，通過TM1638按鍵顯示模塊顯示測量結果。實驗表明，該方法具有較好的測量效果。

［關鍵詞］雙路激光掃描測徑；標準棒法；ARM

非接觸式測量因其高速、高精度等特點，逐步遍及各種高精度檢測領域，其中激光測徑方法［1］是目前普遍運用的非接觸測量方法。當前有兩種常用的激光測徑方法：基于CCD接收光信號測徑方法；激光掃描測徑方法。針對CCD接收光信號測徑方法，吳呂憲［2］設計了基于線陣CCD及STM32的滾針直徑精確測量系統，王蕊［3］設計了基于激光和CCD器件的數字電纜在線測徑儀，但是CCD接收光信號測徑方法受到光學透鏡與同步電機的制約，對環境要求較高，導致測量精度較低。激光掃描測徑法采樣頻率快，測量動態范圍大，抗干擾性強，精度高。周志［4］設計了采用標準棒法的細小線材單光路掃描式激光測徑儀。談小龍［5］設計的基于FPGA的精密激光測徑儀系統，雖然測量精度得到提升，但是受平凸透鏡直徑的限制，測量范圍較小。遲云桐［6］和宋甲午［7］等設計出了雙光路激光掃描測徑系統，雙光路激光掃描測徑儀測量上限不受平凸透鏡直徑影響，解決了利用小透鏡測量大口徑的難題。但忽略了同步電機轉速產生的影響，導致測量精度不高。本文設計了基于“標準棒法”雙路激光掃描測徑系統，消除了電機轉速對測量結果的影響，抗干擾能力強。以ARM為主控芯片，利用數據分組策略［8］對數據采集及處理，相對于FPGA與FPGA－ARM雙核心芯片，ARM結構簡單、成本低廉，開源代碼資源豐富，同時能夠快速采集數據，并對數據分組處理。該雙光路掃描測徑儀測量范圍為20～30mm，示值誤差在±0．005mm內，在擴大測量范圍的同時提高了測量精度。

1雙光路激光測徑儀原理及主要性能指標

1．1雙光路激光測徑儀原理

雙光路激光掃描測徑系統，由激光發射部分、檢測部分和接受部分構成。其中發射部分由激光器、八棱鏡和電機組成，光接受部分由光電二極管和相應的數據處理單元構成，檢測部分由三個光學透鏡和一個半透半反棱鏡以及一個全反棱鏡組成。激光器發出光線通過掃描轉鏡產生掃描光速，透鏡一將掃描光速變成平行光束，然后通過半透半反棱鏡和全反棱鏡變成兩路平行光速，對被置于測量區域的標準棒和被測工件進行高速掃描，再通過透鏡二和透鏡三把平行光束聚焦到兩個光電二極管，由兩個光電二極管獲取的光信號轉換成電信號，傳輸給光電信號處理模塊，經過光電信號處理模塊放大，二值化處理后，通過主控制器模塊數據處理將測得直徑顯示出來。本文設計的雙光路激光掃描測徑儀基于三標準棒法對被測工件進行處理。該雙光路激光掃描測徑系統要通過兩次測量，第一次將兩個小直徑標準棒和一個大直徑標準棒（與測量棒直徑差不多大）放在掃描區域進行測量，將測量的數據保存在STM32中，第二次將被測量棒以及兩個合適標準棒放在測量區域進行測量。第一次測量時棱鏡與平凸透鏡之間的掃描測量區中兩個小直徑標準棒所遮擋光的時間分別為Ta和Tb，第二次測量時測量棒所遮擋的和兩個小直徑標準棒遮擋之間的高電平為T3和T4，電機在兩個光路的掃描速度分別為V1和V2（這個兩個掃描速度基本上一樣，為了消除雙光路帶來掃描速度的誤差因此分別設置），兩個小直徑標準棒分別設置為Da、Db。大直徑標準棒為D1，測量棒的直徑為D2。

1．2雙光路激光掃描測徑儀的主要性能指標

雙光路激光掃描測徑儀的性能指標如：測量精度，±0．001mm；測量范圍，20～30mm；分辨率，0．001mm；顯示刷新頻率，1s／次；工作環境，－10°C～50°C；TM1638數碼管顯示；電源，5VDC。

2系統的設計

2．1硬件設計系統

硬件分為光學系統和電路系統，光路系統由半導體激光發射管、掃描電機、八棱鏡、三個光學平凸透鏡、一個半透半反棱鏡和一個全反棱鏡以及光電接受管等組成。電路系統主要包括核心控制電路和按鍵顯示電路，其中核心控制電路主要包括光電信號處理模塊、主控制器模塊，按鍵顯示電路主要包括按鍵模塊、顯示模塊。

2．1．1光電信號處理模塊

經過激光掃描后的光信號經過光電二極管后轉換成了電信號，此時的電信號只有μA級，只是微弱的電流信號，需要將其轉換并放大成電壓信號［10］。運用LF353器件模塊對微弱的電信號進行前置放大，然后將電流信號轉換成電壓信號進行跟隨濾波及阻抗匹配，減少信號損耗。經過放大器后的電壓信號通過LM393高通雙路比較芯片進行電平比較，從而產生標準的方波脈沖。然后將方波脈沖發送給STM32芯片，利用定時器功能進行計數，得到小直徑標準棒低電平的時間和大直徑標準棒和小直徑標準棒之間的時間。

2．1．2主控器模塊

主控器以ARM嵌入式系統為核心構架，ARM功耗低、靈活性高、運算速度快，成本低，開源代碼資源豐富。ARM相對于FPGA來說可以同時處理兩路信號，正好適合本設計雙光路激光掃描測徑系統。ARM采用的是STM32F103芯片，該芯片擁有Cortex－M3的內核，具有快速數據采集和數據處理功能。ARM將光電信號處理模塊產生的標準方波脈沖進行數據采集和算法計算，然后將計算結果發送給按鍵顯示模塊。實時測量結果由按鍵模塊進行數據校正，由實時顯示模塊實時顯示。

2．1．3按鍵顯示模塊

根據設計要求，測量直徑的精度要達到0．001mm，量程在20～30mm范圍內，因此至少需要6位數碼管用于直徑顯示。本文選擇常用的TM1638按鍵數碼管顯示模塊，TM1638是帶鍵盤掃描接口的LED（發光二極管顯示器）驅動控制專用電路，內部集成有MCU數字接口、數據鎖存器、LED高壓驅動、鍵盤掃描等電路。

2．2軟件設計

2．2．1軟件部分組成

主程序模塊是測徑儀程序的主流程，包括初始化、ARM數據采集程序［9］、ARM數據處理程序、按鍵校正程序。其中數據采集和數據處理都由ARM實現，ARM主要完成4個任務：1）對數據進行采集；2）采集光電信號輸入的信號，然后對接收數據進行處理計算得出測量棒的直徑；3）控制按鍵模塊對處理后的數據進行校正；4）顯示模塊把測量數據顯示出來。

2．2．2ARM數據采集和數據處理ARM數據處理模塊程序是主程序中最重要的程序部分，它關系到測量結果的精確度和穩定性。數據處理程序采用分組策略的方法進行數據處理。具體的方法：程序每累加到100個數據就把這些數據分成10組，每組有10個數據，然后把每組的10個數據里面去掉最大值和最小值后再對每組求平均值，最后對所有平均值再求平均值，最后的平均值即測量值。［4］分組策略法與逐次累加平均法相比穩定度更好，測量精度更高。

2．2．3按鍵校正程序設計

由控制器數據處理后的值還不夠精確，需要進行校正。采用非線性修正方案，用按鍵對測試數據進行校正。即設K1、K2、K3、K4、K5五個分段系數，分別對應20～30mm被測直徑，D；若D＜24mm，使用K1系數；D＞27mm，使用K5系數；24mm≤D≤27mm，使用相鄰的兩個系數加權求平均值。通過按鍵校正后的數據達到了精度和穩定度的要求。

3實驗驗證與分析

雙光路激光掃描測徑儀的整體硬件結構如圖7所示。根據JJF1250－2010《激光測徑儀校準規范》規定，來驗證雙光路激光測徑儀的重復性、穩定性和測量精度。

3．1重復性測試用標準測

量工件對雙光路激光掃描測徑儀進行測試，實際測量的直徑與標準值進行比較。重復性實驗結果顯示：測量值的最大示值誤差為5μm，最大相對誤差0．08％。

3．2穩定性測試

穩定性測試是指激光測徑儀隨時間變化時穩定的能力，按照JJF1250－2010《激光測徑儀校準規范》規定要求，穩定性測試實驗要求開機0．5h后用標準測量工件進行測量，實驗時間要求2h以上，每1min觀察一次，測試實驗結果見圖8，穩定性實驗實際測量值與標準值的最大誤差為5μm。

4結論

以ARM為核心控制芯片，對大直徑的零件測量設計了一種非接觸測量方法。實驗分析表明，基于“三標準法”的雙光路激光掃描測徑儀的測量精度達到0．001mm，系統最大誤差±5μm，消除了電機轉速的影響，滿足了對激光測徑系統的設計要求。

［參考文獻］

［1］魏小龍．激光測徑裝置研究［D］．成都：電子科技大學，2013．

［2］吳呂憲．基于線陣CCD及STM32的滾針直徑精確測量的研究［D］．南京：南京理工大學，2012．

［3］王蕊．基于激光和CCD器件的數字電纜在線測徑儀的研制［D］．哈爾濱：哈爾濱理工大學，2003．

［4］周志，劉斯，吳定祥，等．細小線材掃描式激光測徑儀［J］．測控技術，2017，36（1）：96－99．

［5］談小龍．基于FPGA的精密激光測徑儀的開發［D］．武漢：武漢理工大學，2012．

［6］遲云桐．JC－50雙光路激光測徑儀［J］．冶金自動化，1981（5）：46－50．

［7］宋甲午，張國玉，徐洪吉，等．大直徑的激光掃描在線動態測量系統［J］．兵工學報，2000，21（2）：132－134．

［8］李云，謝剛，鄭重，等．基于分組策略的RFID自適應防碰撞算法的研究［J］．電視技術，2012，36（23）：138－141．

［9］劉銳，王林．基于ARM數據采集系統的設計［J］．中國測試，2010，36（4）：97－100．

［10］龐琳娜，張陽安，張明倫，等．光電信號轉換處理中的CPLD應用［J］．光通信技術，2009，33（1）：57－59.

作者：付波；陳卓；王子鵬 單位：湖北工業大學電氣與電子工程學院