CN109341566A - 一种独立式全天候在线二维轮廓形状检测仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种独立式全天候在线二维轮廓形状检测仪，包括第一激光测距探头、第二激光测距探头、电源、MCU控制单元以及上位机；两个激光测距探头间隔一定距离设置在输送带正上方，激光测距探头的激光光源采用一字线光幕，第一激光测距探头探测到待检物体后，MCU控制单元开始计时，当第二激光测距探头探测到待检物体后，MCU控制单元停止计时并计算出输送带速度，由第二激光测距探头继续完成对物体轮廓的扫描。本发明结构简单、无需输送带配合、测量效率高、覆盖范围广，为自动化生产或检测流水线提供了较好的解决方案。

Description

一种独立式全天候在线二维轮廓形状检测仪

技术领域

本发明属于激光轮廓检测领域，具体涉及一种独立式全天候在线二维轮廓形状检测仪。

背景技术

针对未知物体的二维轮廓形状检测，目前国内外的测量方法较多。三坐标测量仪及一般轮廓测量仪可实现未知物体的二维轮廓检测，但其测量原理限制了检测物体的尺寸大小并可能对物体表面造成损伤，且必须由人工操作实现，测量效率较低。

激光轮廓扫描仪以高精度电机配合单点激光测距扫描实现为主，测试装置结构复杂，对待测物体形状及待测物体放置位置要求较高，仍需加以人工辅助。效果更好的光学轮廓仪、激光三维扫描仪等结构更为复杂，检测时需将待测物体放在固定位置，每次只可测量一个物体，且由于其必须辅以复杂的处理算法实现，单个物体时间较长，效率较低且价格昂贵，对一般的测量而言性价比极低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种独立式全天候在线二维轮廓形状检测仪，解决现有技术存在的覆盖范围低、所能测量的工件尺寸或形状有所限制、结构复杂、测量效率低、测量时间较长、价格昂贵问题。

实现本发明目的的技术方案为：一种独立式全天候在线二维轮廓形状检测仪，包括第一激光测距探头、第二激光测距探头、电源、MCU控制单元以及上位机；

所述第一激光测距探头与第二激光测距探头间隔一固定距离安装于检测仪内，检测仪固定在输送带正上方，两激光测距探头垂直对着输送带；

所述第一激光测距探头与第二激光测距探头的激光光源采用一字线光幕，覆盖整个输送带宽度；

所述第一激光测距探头探测到待检物体后，MCU控制单元开始计时，当第二激光测距探头探测到待检物体后，MCU控制单元停止计时并计算出输送带速度，由所述第二激光测距探头继续完成对物体轮廓的扫描；

当物待测体通过扫描平面后，由激光测距探头通过距离信息测得一系列扫描曲线，MCU控制单元对这些数据进行初步处理，将时间信息转为距离信息，并进行平滑滤波，并上传至上位机，上位机完整描绘出物体的二维轮廓。

与现有技术相比，本发明的显著优点为：(1)本发明利用一字线线性光源作为单个激光测距探头的光源，相较于传统点光源，覆盖范围广，不再局限于激光点束所在范围，而扩展至一字线光幕所包含的扇形区域，该激光测距可代替多个传统点状测距仪，节省了成本，为需覆盖流水线输送带整个宽度的大范围测量提供了解决方案，同时避免了单点激光测距在测量不规则物体情况下二维轮廓描绘有误的情况；(2)本发明独立式的测量方案，不依赖于输送带或高精度电机的配合，大大减小了仪器成本，且结构简单，安装时无需对已有流水线做任何改动；(3)本发明只针对物体进行二维侧轮廓的形状扫描检测，无需采用CCD或多点探测器，故电路简单且无需进行复杂的算法处理，实时性高，为全自动生产或检测流水线提供了便利条件，性价比极高；(4)本发明测量效率高，针对自动化生产、检测线在工作环境如光照、温度等易发生剧烈变化的条件下仍需连续工作的特殊性，采用增量式PID算法对探测器增益进行实时补偿，可在无人工辅助的情况下，全天候使用。

附图说明

图1是自动化生产或检测流水线中使用二维轮廓形状检测仪示意图。

图2是本发明独立式全天候在线二维轮廓形状检测仪结构示意图。

图3是本发明一字线生成***结构分解示意图。

图4是本发明激光接收***结构分解示意图。

图5是本发明增量式PID算法自动补偿APD增益程序流程图。

具体实施方式

本发明由两个相隔固定距离的脉冲激光测距探头构成，安装于生产或检测流水线输送带正上方，探头垂直对着输送带。与传统的点束激光测距不同的是，测距光源改为一字线激光光幕，为需覆盖检测输送带的大范围测量应用及待测物体不规则的应用提供了解决办法。独立式的检测方法，可在不依赖输送带速度配合的条件下，实现对物体二维轮廓形状的高精度在线检测，且安装方便。第一激光测距探头探测到待检物体后，MCU开始计时，当第二激光测距探头探测到待检物体后，MCU停止计时并计算出输送带速度，由第二激光测距探头继续完成对物体轮廓的高速扫描。在得知输送带速度的前提下，可根据采样率得知两采样点间的距离，实现不依赖输送带配合的高精度二维轮廓形状检测。在此基础上，可根据需要实现自动分类、合格率检测等，应用于自动化生产或检测线中。为减小环境光对测量的影响，在激光测距探头的接收光路中增加了特制的狭缝片和滤光片，分别对接收光进行空间滤波和光谱滤波。为保证在实际自动化生产、检测线工作环境如光照、温度等易发生剧烈变化的条件下仍可连续工作，采用增量式PID算法对探测器的工作高压进行实时调整以补偿探测器增益。

下面结合附图具体说明本发明的技术方案。

结合图1、图2，一种独立式全天候在线二维轮廓形状检测仪，包括第一激光测距探头、第二激光测距探头、电源、MCU控制单元以及上位机；

所述第一激光测距探头与第二激光测距探头间隔一固定距离安装于检测仪内，检测仪固定在输送带正上方，两激光测距探头垂直对着输送带；

所述第一激光测距探头与第二激光测距探头的激光光源采用一字线光幕，覆盖整个输送带宽度；

所述第一激光测距探头探测到待检物体后，MCU控制单元开始计时，当第二激光测距探头探测到待检物体后，MCU控制单元停止计时并计算出输送带速度，由所述第二激光测距探头继续完成对物体轮廓的扫描；

当物待测体通过扫描平面后，由激光测距探头通过距离信息测得一系列扫描曲线，MCU控制单元对这些数据进行初步处理，将时间信息转为距离信息，并进行平滑滤波，并上传至上位机，上位机完整描绘出物体的二维轮廓。

进一步的，所述激光测距探头包括脉冲激光驱动电路、半导体激光二极管、发射光路组件、接收光路组件、探测器、放大电路和整形电路；

利用脉冲激光驱动电路驱动半导体激光二极管发射激光，该激光为发散光；发射光路组件依次包括聚焦准直镜和一字线光束整形镜片，首先将发散光通过一聚焦凸透镜，使其成为一能量集中、出射光斑小的激光光束，聚焦效果将直接影响到后面一字线激光光幕的粗细及探测距离；然后将出射的能量集中的激光束再经过一字线光束整形镜片，使激光点光束被扩展成具有一定扇面面积的一字线光幕；

接收光路组件依次包括聚焦透镜、狭缝和激光波段对应的窄带滤光片，狭缝和窄带滤光片分别对漫反射的激光进行空间滤波和光谱滤波；探测器与接收光路组件设置在同一接收光光路上；滤波后的返回光信号由光电探测器APD转变成电信号，再进行后续的放大、整形，以捕捉返回时刻。

进一步的，上位机根据物体速度与采样时间间隔得到两采样点间距离，若MCU测得物体通过两探头时间为△t，已知两探头距离d，即可计算出对应物体或输送带速度v：

由于激光测距探头的采样率f已知，即可计算出两采样点间距离△d：

进而，根据第二激光测距探头的高速采样结果描绘出物体的二维轮廓。

进一步的，采用增量式PID算法对激光测距探头中探测器的工作高压进行实时调整，以实现探测器增益的自动补偿。

MCU对接收信号及驱动信号分别进行频率测量，得出其当前偏差值e_n，进而通过增量式PID算法得出电压补偿值ΔU_n，增量式PID算法公式为：

其中e_n-1与e_n-2为前两次采样得出的偏差，T为采样周期，T_I为积分时间，T_D为微分时间，K_P为比例系数。

进一步的，半导体激光二极管发射激光波长大于760nm。

进一步的，所述一字线光束整形镜片为鲍威尔棱镜。

相比较现有的二维轮廓形状检测仪而言，所述独立式全天候在线二维轮廓形状检测仪结构简单、无需输送带配合、测量效率高、覆盖范围广、对待测物体基本无形状、尺寸要求且成本较低，为自动化生产或检测流水线提供了较好的解决方案。且由于自动化生产、检测线在无人工辅助的条件下连续工作的特殊性，需适应工作环境如光照、温度、湿度等易发生剧烈变化的场合，故采用增量式PID控制算法对所述光电探测器APD的工作高压进行实时调整，实现对所述光电探测器增益的自动补偿。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步阐述。

实施例

结合图1、图2，一种独立式全天候在线二维轮廓形状检测仪，包括第一激光测距探头、第二激光测距探头、电源、MCU控制单元以及上位机；

两个激光测距探头间隔一定距离设置在输送带正上方，激光测距探头包括脉冲激光驱动电路、半导体激光二极管、发射光路组件、接收光路组件、探测器、放大电路和整形电路；

利用脉冲激光驱动电路驱动半导体激光二极管发射激光，该激光为发散光。发射光路组件依次包括第一聚焦凸透镜和一字线光束整形镜片。首先将发散光通过第一聚焦凸透镜，使其成为一能量集中、出射光斑小的激光光束，聚焦效果将直接影响到后面一字线激光光幕的粗细及探测距离。然后将出射的能量集中的激光束再经过一字线光束整形镜片，使激光点光束被扩展成具有一定扇面面积的一字线光幕，该透镜的一字线扩展角度直接关系到探测范围。半导体激光二极管发射激光选择大于760nm的不可见光，本实施例中取905nm。

接收光路组件依次包括第二聚焦凸透镜、狭缝和特制窄带滤光片。狭缝和滤光片分别对漫反射的激光进行空间滤波和光谱滤波，以减小环境光对测距的影响。探测器与接收光路组件设置在同一接收光光路上。滤波后的返回光信号由光电探测器APD转变成电信号，再进行后续的放大、整形等，以捕捉返回时刻。

针对待测物体大小及在输送带上位置未知的特殊情况，第一激光测距探头与第二激光测距探头的激光光源由传统的激光点束改为一字线光幕，使其覆盖整个输送带宽度，防止物体漏检。可用于不规则物体的轮廓扫描，完善了点束激光扫描由于其测量范围小，对不规则物体无法体现其真实二维侧轮廓的不足。

所述二维轮廓形状检测仪被悬挂于所用流水线输送带的正上方，在使用过程中两探头配合实现物体输送速度的测量，由后一探头进行连续高速采样，在扫描平面内形成扫描曲线。当物待测体通过扫描平面后，由激光测距探头通过距离信息测得一系列扫描曲线，MCU控制单元对这些数据进行初步处理(将时间信息转为距离信息，并进行平滑滤波)与上传，由上位机在得知物体输送速度和获取采样点的同时，可完整描绘出物体的二维轮廓。然后可根据需求实现多种功能，如产品分类、产品尺寸合格率检测、产品生产效率计算、物体在线识别等。

所述独立式全天候在线二维轮廓形状检测仪中使用的激光测距探头主要分为两个部分，一字线光幕生成***和激光接收***，其结构分解示意图分别如图3和图4所示。一字线光幕生成***包括半导体激光器1、第一聚焦凸透镜2、一字线镜片3；激光接收***包括第二聚焦凸透镜4、狭缝片5、滤光片6以及光电探测器APD7。

一字线激光光幕测距具体实施步骤如下：

步骤1、利用激光驱动电路驱动激光二极管产生光脉冲，根据半导体激光二极管的使用手册，得到此时出射的激光光束具有9°横轴轴向发散角及25°垂轴轴向发散角，该数值决定了该激光光束能量发散，无法对远距离进行探测。

步骤2、将步骤1中的发散光束经过焦距为8mm的第一聚焦凸透镜2，用于压缩其发散角，使激光光束发散角更小，能量更为集中。其中激光二极管与第一聚焦凸透镜2之间的距离应严格按照第一聚焦凸透镜2的焦距进行安装放置，且所述激光二极管发光点的中心和第一聚焦凸透镜2的透镜中心应在同一直线上。经过第一聚焦凸透镜2后的激光束为一能量集中，出射光斑小而亮的点光束。

步骤3、将步骤2中出射的能量集中的点光束再经过—字线镜片3，该一字线镜片为鲍威尔棱镜，所述一字线镜片使激光束通过后可以最优化地划成光密度均匀、稳定性好、直线性好的一条直线。所述一字线镜片3位于第一聚焦凸透镜2的出射面侧，且两镜片的主光轴重合；所述一字线镜片3位于步骤2出射光束的投射范围内。经过一字线镜片后的激光光束被扩展成具有一定扇面面积的一字线激光光幕。

步骤4、一字线激光光幕全部打到待测目标表面后发生漫反射，回波光信号将进入第二聚焦凸透镜4，根据第二聚焦凸透镜4的几何性质，其出射光束为回波光信号聚焦而成。

步骤5、聚焦后的光信号依次通过所述特制的狭缝片5和所述特制的滤光片6，所述狭缝片5与所述滤光片6的中心轴都应与第二聚焦凸透镜4的主光轴重合，所述狭缝片5的狭缝的大小应根据实际测量视场范围特制，以尽可能地滤除测量视场范围外的环境光并不限制测量的视场范围。所述特制的滤光片6，其可通过光波段应根据所述半导体激光器1特制，以尽可能地滤除激光波段外的其他光，且其透过率应不低于90％。所述特制的滤光片6应紧贴在光电探测器APD7的感光面一侧。

步骤6、所述光电探测器7位于第二聚焦凸透镜4后方，所述光电探测器7的感光面应设置于第二聚焦凸透镜4的焦平面上或焦平面前且与焦平面平行，其中心应位于第二聚焦凸透镜4的主光轴上。所述光电探测器7的感光面位置距所述第二聚焦凸透镜4的焦平面越远即距第二聚焦凸透镜4越近，光电探测器7视场角越大，但感应信号强度会越弱。所述光电探测器采用具有雪崩效应的雪崩光电二极管对所述回波光信号进行光电转换，光电转换后的信号微弱，为了能有效提取信号，需根据所述信号调理电路对信号进行放大整形处理后输出到计时***。

由于自动化生产、检测线在无人工辅助的条件下连续工作的特殊性，需适应工作环境如光照、温度、湿度等易发生剧烈变化的场合，故采用增量式PID控制算法对所述光电探测器APD的工作高压进行实时调整，实现对所述光电探测器增益的自动补偿，如图5所示。增益合适的放大整形后的信号频率应与脉冲激光发射频率一致，因此由MCU对接收信号及驱动信号分别进行频率测量，得出其当前偏差值e_n，进而通过增量式PID算法得出电压补偿值ΔU_n。增量式PID算法公式为：

其中e_n-1与e_n-2为前两次采样得出的偏差，T为采样周期，T_I为积分时间，T_D为微分时间，K_P为比例系数。

公式中的PID控制参数通过正交试验法得出，使得自动补偿的超调值小、响应快且稳态精度高。

本发明独立式全天候在线二维轮廓形状检测仪为全自动生产或检测的应用场合提供了解决方案，且结构简单、安装便捷、精度较高、测量效率高、适用性强且成本较低。

Claims (7)

1.一种独立式全天候在线二维轮廓形状检测仪，其特征在于，包括第一激光测距探头、第二激光测距探头、电源、MCU控制单元以及上位机；

所述第一激光测距探头与第二激光测距探头间隔一固定距离安装于检测仪内，检测仪固定在输送带正上方，两激光测距探头垂直对着输送带；

所述第一激光测距探头与第二激光测距探头的激光光源采用一字线光幕，覆盖整个输送带宽度；

所述第一激光测距探头探测到待检物体后，MCU控制单元开始计时，当第二激光测距探头探测到待检物体后，MCU控制单元停止计时并计算出输送带速度，由所述第二激光测距探头继续完成对物体轮廓的扫描；

当物待测体通过扫描平面后，由激光测距探头通过距离信息测得一系列扫描曲线，MCU控制单元对这些数据进行初步处理，将时间信息转为距离信息，并进行平滑滤波，并上传至上位机，上位机完整描绘出物体的二维轮廓。

2.根据权利要求1所述的独立式全天候在线二维轮廓形状检测仪，其特征在于：所述激光测距探头包括脉冲激光驱动电路、半导体激光二极管、发射光路组件、接收光路组件、探测器、放大电路和整形电路；

利用脉冲激光驱动电路驱动半导体激光二极管发射激光，该激光为发散光；发射光路组件包括第一聚焦凸透镜和一字线光束整形镜片，首先将发散光通过第一聚焦凸透镜，转换为激光光束；然后将出射的能量集中的激光束经过一字线光束整形镜片，使激光点光束被扩展成一字线光幕；

接收光路组件依次包括第二聚焦凸透镜、狭缝和激光波段对应的窄带滤光片，狭缝和窄带滤光片分别对漫反射的激光进行空间滤波和光谱滤波；探测器与接收光路组件设置在同一接收光光路上；滤波后的返回光信号由光电探测器APD转变成电信号，再进行后续的放大、整形，以捕捉返回时刻。

3.根据权利要求1或2所述的独立式全天候在线二维轮廓形状检测仪，其特征在于：上位机根据物体速度与采样时间间隔得到两采样点间距离，若MCU测得物体通过两探头时间为△t，已知两探头距离d，即可计算出对应物体或输送带速度v：

由于激光测距探头的采样率f已知，即可计算出两采样点间距离△d：

进而，根据第二激光测距探头的高速采样结果描绘出物体的二维轮廓。

4.根据权利要求3所述的独立式全天候在线二维轮廓形状检测仪，其特征在于：采用增量式PID算法对激光测距探头中探测器的工作高压进行实时调整，以实现探测器增益的自动补偿。

5.根据权利要求4所述的独立式全天候在线二维轮廓形状检测仪，其特征在于：MCU对接收信号及驱动信号分别进行频率测量，得出其当前偏差值e_n，进而通过增量式PID算法得出电压补偿值ΔU_n，增量式PID算法公式为：

其中e_n-1与e_n-2为前两次采样得出的偏差，T为采样周期，T_I为积分时间，T_D为微分时间，K_P为比例系数。

6.根据权利要求2所述的独立式全天候在线二维轮廓形状检测仪，其特征在于：半导体激光二极管发射激光波长大于760nm。

7.根据权利要求2所述的独立式全天候在线二维轮廓形状检测仪，其特征在于：所述一字线光束整形镜片为鲍威尔棱镜。