李承志
(山东省科学院激光研究所，济宁，272117)
摘要:本文报导利用激光扫描，在φ5mn、至φ60mm的外径上，实现±0.02mm动态检测精度的研究结果。文中对研制原理及精度分析作出简明阐述.
关键词:激光扫描fθ透镜
一、引言
生产现场对于处在自动线上的管外径测量提出了愈来愈高的要求。我们的研制实践稳定地实现了三方位、动态、非接触式外径测量，并以数字显示、打印制表和超差报警的方式，使操作者及时掌握被测外径的尺寸精度和椭圆度。研制仪器在冶金厂家获得了长时间的稳定运行。利用激光扫描、动态检测外径，据资料报导[1]，1985年日本曾研制成功检测精度为±0.05mm的检测仪器;我国北京605厂[2]亦于同年制作出单方向检测石英管外径的测量仪，检测精度为±0.1mm，但其无法测量椭圆度，且不宜应用于其他行业。
二、仪器的研制原理
整机光路及电路系统如图1所示。
氦氖激光器射出连续的激光束，经棱镜1，2转折后，平行于透镜5主光轴入射，并聚焦在置于透镜5焦点处、且由同步电机驱动的旋转镜鼓3的界面上，从而形成扫描光束8。该光束经准直物镜5后平行于主光轴，再由会聚透镜6将其聚焦于光电元件4的光敏面上，变为电信号输出。
透镜5，6间的平行光束随着旋转镜鼓的旋转而平移。当它被待测外径7挡住时，信号放大及半波峰值检出器9将输出一个代表被测外径的脉冲。另置一稳定的石英晶体振荡器作为晶振源，以其发出的时钟脉冲作为计数系统的基频。被测外径脉冲同晶振源脉冲由与门复合后输出待测外径信号，再进入前置计数器、可逆计数器及储存器进行计数显示.
三、分析与讨论
1.fθ透镜的应用
由扫描测量原理知，待测直径?是由测定扫描光束在被测物上经过的时间t确定的。故光路应能实现?与t间的线性关系。而，式中v为平行光束在待测外径上的扫描速度·由此，v应为定值.
由由图1，光束8与光轴成θ角，经透镜5后所成的平行光束与光轴间距离为h。欲使前述v为定值，则实现：
h随θ变化，而θ取决于旋转镜鼓的转速。当旋转光束8的角速度为?(此时镜鼓转束为?/2)，即θ=?t时，对于不同的透镜，其扫描特性是不同的，如图2所示。一般称θ与h成线性关系的准直物镜为fθ透镜。
图中曲线1为一般透镜，2为fθ透镜，3为傅氏透镜。由a图可见，只有fθ透镜才能实现:
由此可见，fθ透镜的应用为实现扫描法正确测量外径的关键。
2.提高仪器检浏精度的途径
设图1中旋转镜鼓同步电机的转速为f机(r/s)，则其角速度为:
由平面反射镜特性，光束8旋转的角速度为:
设fθ透镜5的焦距为F，则可以认为光束8经透镜5后在测量区间形成的光束之平移速
度为：
令被测外径为甲，其对应的信号脉宽t为?/v，即
四、结果
研制仪器于山东张店钢铁厂焊管生产线应用于焊管外径测量已逾三年，运行正常，效益显著。现场检测结果为，在φsmm至φ60mm范围内，于强电磁干扰、强振动、多粉尘的恶劣环境中，稳定地实现了±0.02mm的外径测量精度。研究课题于1991年底通过鉴定。鉴定意见认为，经调研和国际联机检索，成果在国内处领先地位，达到80年代国际先进水平。
参考文献
1．徐家弊.计量工程光学.北京:机械工业出版社，1981:177~178
2．王之江.光学技术手册.北京:机械工业出版社，1987:1173~1175
