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項目案例 Case
Case 激光位移

激光三角-柱狀結構內尺寸的激光光學檢測

日期: 2022-01-17
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提要:介紹了工程中用激光光學方法檢測柱狀結構內尺寸參數(shù)的新進展。對各種方法的適用場合和精度作了分析比較。并提出了一種檢測高精度航空航天器MJ內螺紋的新型激光光纖傳感器的設計思想及檢測原理。


關鍵詞:內尺寸,激光,光學檢測,光纖傳感器


對柱狀內尺寸的檢測(如管道、盲孔、內螺紋等),由于內部空間的限制,需要對測量頭的結構大小提出嚴格的要求,還需要系統(tǒng)有較高的對中定位精度。尤其是對微小內尺寸的檢測,實現(xiàn)起來就更為困難。接觸法有諸多缺點,例如檢測效率低,滿足不了在線檢測的要求;測量力會引起工件的變形、劃傷;另外,測頭易受電磁干擾且不抗化學腐蝕;零件上的灰塵和污物還會附著在測頭上給測量帶入誤差。而隨著工業(yè)特別是航空航天工業(yè)的發(fā)展,對產(chǎn)品質量的要求不斷提高,要求有柔性大、速度快、精度高、可靠性強的自動化檢測系統(tǒng)對產(chǎn)品質量進行在線實時監(jiān)控檢測。激光器、CCD攝像器、光纖等光學技術及超精密加工技術的發(fā)展,給上述檢測要求的實現(xiàn)提供了可能。本文介紹以半導體激光器為光源的幾種最新光學法檢測柱狀內尺寸的原理及應用分析,并提出一種用激光光纖傳感系統(tǒng)檢測航空航天MJ內螺紋尺寸參數(shù)的設計思想。


內尺寸檢測方法的對比分析

1.? ? LD-PSD

這種方法的測量原理如圖1所示。其測量范圍在9.511.0mm之間,測量值的標準偏差約為3μm。測量時對被測面的光潔度要求不高,可實現(xiàn)對較粗糙內表面的檢測。


激光三角-柱狀結構內尺寸的激光光學檢測

1? ?LD-PSD法測內尺寸原理與結構圖


測量時,由激光器(LD)發(fā)出的準直光束聚焦于被測內表面上。經(jīng)被測面反射的發(fā)散光被平短模凸透鏡會聚,再由平面反射鏡將光反射至一維位置檢測器(PSD)上。如果測量之前,標定好PSD,則工件的內尺寸就可以通過光點在PSD上的位置來確定。如果測量光面沒在柱狀表面的徑向上,可以通過沿垂直紙面方向移動測頭,直至找到測量的最大值為止。


改善這種方法檢測精度的途徑,可從以下幾方面考慮:

1)? ? PSD測距之前的標定,是決定系統(tǒng)分辨率和測量精度前提。由于存在空程(滯后移動)的問題,而影響標定的測量結果。為了提高標定精度,可選用具有較高定位精度的測量儀進行標定。

2)? ? 由于會聚透鏡存在球面像差,而破壞了PSD的線性特性。在透鏡出光面考慮使用非球面的形狀,以減小球面像差的影響。

3)? ? 還可以從提高PSD的分辨率和信號處理電路的精度和提高兩路激光光束的對準精度考慮改善系統(tǒng)的檢測精度。


2.? ? LD? ?CCD

這種方法使用半導體激光作為光源,對內尺寸范圍在80140mm之間的工件進行非接觸檢測。測量分辨率為100μm[2]。其測量原理如圖2所示。測量傳感器包括半導體激光光源1,環(huán)形光發(fā)生器2CCD攝像器5。環(huán)形光發(fā)生器將LD出射的光束形成圓環(huán)并投射到被測表面3,由內表面反射和散射的光通過接收透鏡4,CCD的敏感平面內聚焦。傳感器裝在由步進電機驅動的導軌上,以使傳感器能在測量軸線上進行移動。


激光三角-柱狀結構內尺寸的激光光學檢測

2? ?光學法測量內尺寸示意圖


設激光束由A點投射到被測面M點上。R是傳感器中心線到點M的距離。通過焦距為f的接收透鏡對散射光的聚集作用,MCCD上成像于N點。rCCD上與R有關的環(huán)狀圖象的半徑,m是光線出射點A到接收透鏡中心O之間的距離。被測尺寸RCCD敏感面上的圓形圖象半徑r之間的關系為

激光三角-柱狀結構內尺寸的激光光學檢測

這種方法已經(jīng)成功地用于實際檢測中,但其測量的分辨率不高,而且只能用于檢測表面形貌變化比較平緩的場合。

以上兩種光學測量內尺寸的方法,具有非接觸檢測的優(yōu)點;其局限在于光學零件的調節(jié)較煩瑣,測頭的尺寸相對較大,從而使測量范圍受到了限制。


3.? ? LED? ? ? ?FOS

FMS(柔性制造系統(tǒng))內尺寸光纖檢測儀傳感器工作原理如圖3所示。測量前,先要對內孔進行定位,然后將測頭移至測量位置,用光纖傳感頭分別對工件進行兩次定位測量,同時根據(jù)與測頭共同運動的雙頻激光干涉儀的測量反射鏡來確定兩個位置的讀數(shù)值,兩者之差與兩定位間隙及測頭結構尺寸之和即為被測孔徑值。被測距離與輸出光強的關系要在測量前進行標定。


激光三角-柱狀結構內尺寸的激光光學檢測

3? ?彎曲式光纖傳感頭結構圖


測頭的直徑為5mm,光纖選用數(shù)值孔徑NA=0.37的多模Y型光纖,光源為中心波長0.88μm的發(fā)光二極管(LED),光電接收元件為PIN光電二極管。用這種辦法測量分辨率可達0.1μm,孔徑定位測量精度為±1μm,對孔徑等內尺寸的測量范圍大于6mm


光纖傳感器測頭部分有四根光纖兩兩相隔90°排列,其中兩根用于定位,另兩根用于測量。其結構如圖4所示。


激光三角-柱狀結構內尺寸的激光光學檢測

4測頭布局


激光三角-柱狀結構內尺寸的激光光學檢測

5測量原理圖


測量時用測頭C2C4分別對內孔表面進行定位,然后將工件移至測量位置,C1C3測量。圖5為測量原理,光纖測頭在兩個位置上分別進行定位,由與測頭一起運動的雙頻激光干涉儀的測量反射鏡讀出兩個位置的讀數(shù)X1X2,兩者之差Δx=x1-x2,再由下式求得孔徑值:

D=Δx+? ? b+e1+e2? ?(2)

其中,e1e2分別是光纖頭兩次定位的間隙,b是結構參數(shù),可通過標定得知。


這種對內尺寸測量的方法不僅提高了測量精度和分辨率,而且對測量范圍有了明顯地改善。由于LED的光譜范圍較大,光強的徑向分布不集中,使其與光纖的耦合效率不高。為了進一步提高測量分辨率,可考慮改用半導體激光器(LD)作光源。


MJ內螺紋檢測方法的研究

MJ內螺紋是在普通螺紋牙型的基礎上發(fā)展起來的一種用于航天航空產(chǎn)品中的高精度、高強度、適合于疲勞極限和可靠性要求較高的場合下使用的連接件。由于對MJ內螺紋產(chǎn)品質量精度要求較高,所以對其參數(shù)要進行量化測量。由于螺紋件具有特殊的內表面形狀,對其測量至少首先要滿足以下兩個要求:

能實現(xiàn)對微小表面(例如內螺紋的大徑)的掃描檢測。

②能實現(xiàn)對不同的距離(例如大、小徑)都具有較高的測量靈敏度。

以往對內表面檢測的光學方法測量范圍的局限性滿足不了多尺寸規(guī)格螺紋的檢測要求,由于光纖測距只在很小的范圍具有較高的靈敏度,加上多模Y型光纖的數(shù)值孔徑較大,在被測表面形成的光斑尺寸較大,從而使多模光纖的橫向分辨率較低,滿足不了對微小表面的掃描測量。


本文提出一種用半導體激光器作光源,采用單模光纖照明,多模光纖接收測量信號的光纖束傳感頭的設計。其結構原理如圖6所示。這里采用單模光纖作為發(fā)射光纖,因為單模光纖具有較小的數(shù)值孔徑,通常,光纖的出光角與受光角相同。這樣,單模光纖照射到被測面上時,易獲得較小的光點尺寸。例如,設待檢測的螺紋為MJ10×1.25,則其大徑的削平寬度為P/8=156.25μm,單模光纖的數(shù)值孔徑NA=0.1,纖芯半徑r=2.5μm,為了使系統(tǒng)能分辨出156.25μm的尺寸,光點直徑α<156.25μm。由于螺紋本身的牙型高度h≈609μm,測量時取測距d=700μm。則有光點直徑a=2d·tg(arcsinNA)+2r≈145μm。可見,上述的參數(shù)設計能夠滿足對微小表面的掃描測量。


激光三角-柱狀結構內尺寸的激光光學檢測

6? ?檢測MJ內螺紋的光纖傳感頭


激光三角-柱狀結構內尺寸的激光光學檢測

7? ?被測距離d(μm)與光強關系


另外,對強度型光纖位移傳感器來說,其靈敏度較高的區(qū)段很窄(一般不超過300μm),為了同時實現(xiàn)對內螺紋大小徑的自動掃描測量,必須想辦法擴大其靈敏區(qū)段。本文采用圖6中給出的傳感頭結構,當測量小徑時,取光纖束A中所接收的信號;而測大徑時,取光纖束B中接收的信號,從而達到擴大量程的目的。兩束接收光纖的位移光強關系曲線如圖7所示。


從以上分析可看出,這種光纖傳感器結構能很好地實現(xiàn)對MJ內螺紋特性內表面的檢測問題。



論文題目:柱狀結構內尺寸的激光光學檢測

作者:陸述田,趙勇(濰坊高等工業(yè)專科學校,哈爾濱工業(yè)大學)


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    2022 - 12 - 03
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    無論是半導體加工過程中還是鋰電池制造過程中總是伴隨著腐蝕,高溫振動等惡劣環(huán)境,為了保證生產(chǎn)的高效穩(wěn)定,無錫泓川科技推出了多種具有不同鋼鐵不銹鋼金屬外殼的激光位移傳感器,具有高防護性,可以從容的面對各種復雜的環(huán)境。在生產(chǎn)過程中總是在惡劣的環(huán)境中進行。在當今的環(huán)境中,自動化解決方案有時會暴露在非常困難的生產(chǎn)條件下。而且還必須具有可靠的功能,這對傳感器技術來說是一個挑戰(zhàn)。無錫泓川科技有限公司廣泛的測試程序,確保了我們的激光位移傳感器能夠承受惡劣的環(huán)境要求。例如在電子行業(yè)中電子產(chǎn)品在我們日常生活中扮演著重要的角色。無論是在電動巴士和汽車的電池中,還是在太陽能發(fā)電模塊中。自動化生產(chǎn)在電子工業(yè)的許多領域都是非常復雜的。真空和高溫環(huán)境是隨處可見的。使用的化學物質具有腐蝕性。這不僅影響生產(chǎn)條件和機器在許多應用領域,傳感器解決方案也面臨著新的挑戰(zhàn)。那么能滿足這些挑戰(zhàn)的出色的激光位移傳感器是什么樣的呢?在某些情況他必須能抗抵抗至少70度到100度的高溫。或者他必須能承受真空環(huán)境并且具有腐蝕性,化學物質的過程中也能抗拒。他應該有特別耐用的材料制成如不銹鋼甚至特氟龍材料。無錫泓川科技有限公司提供范圍廣泛的激光位移傳感器和激光位移傳感器技術,尤其適用于惡劣環(huán)境。
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無錫泓川科技PD50激光位移傳感器:中空同軸+50mm長距測量,0.05μm精度開啟工業(yè)檢測新維度 2025 - 04 - 07 ...


在大型工件檢測、鋰電池極片測厚、航空航天等高精度長距測量場景中,傳感器需兼具大范圍掃描能力與微米級精度,同時解決多設備空間協(xié)同難題。無錫泓川科技LTPD50激光位移傳感器創(chuàng)新采用中空分體式結構設計,以50mm超長參考距離、0.05μm重復精度及進口半價成本,突破進口設備在長距高精度領域的壟斷,為工業(yè)用戶提供“遠距精準測量+多設備同軸集成”的國產(chǎn)化標桿方案。核心優(yōu)勢:中空架構+超長量程,重構工業(yè)檢測邊界中空同軸設計,賦能多設備協(xié)同φ25mm貫通孔:傳感器主體中空,支持工業(yè)相機、激光打標頭等外設直接穿過,實現(xiàn)測量點與操作中心零偏差同軸,解決傳統(tǒng)長距傳感器體積大、遮擋視野的痛點。超薄機身:緊湊型設計(74205110mm),適配機器人導軌、自動化產(chǎn)線等空間受限場景,安裝靈活性提升60%。長距高精度,性能對標進口50mm參考距離±0.8mm量程:覆蓋鋰電池極片、金屬板材等大尺寸工件的高精度厚度檢測需求,減少傳感器移動頻次。0.05μm重復精度:媲美基恩士LK-G系列,線性誤差**成本顛覆:售價僅為進口同類產(chǎn)品的40%~50%,且無需外置控制器,綜合成本降低70%。硬核參數(shù):長距測量的性能標桿參數(shù)LTPD50(無錫泓川)進口競品(如基恩士LK-G500)參考距離50mm50mm測量范圍±0.8mm±0.5mm重復精度0.05μm(無平均)0.1μm采樣頻率160...
泓川科技國產(chǎn)激光位移傳感器HC16-15與進口Micro-Epsilon米銥ILD1420-10技術... 2025 - 04 - 02 ...


以下為HC16-15國產(chǎn)激光位移傳感器與進口ILD1420-10的對比分析報告,重點圍繞技術參數(shù)、性能指標及國產(chǎn)替代可行性展開:一、核心參數(shù)對比指標HC16-15(泓川科技)ILD1420-10(Micro-Epsilon)測量范圍±5mm(總10mm)10mm(SMR 20mm至EMR 30mm)線性度±0.1% F.S.±0.08% F.S.重復精度1μm0.5μm采樣頻率3000Hz(最高)4000Hz(最高)光源波長655nm(可見紅光)670nm(可見紅光)輸出接口RS485(Modbus RTU)、0-10V/4-20mARS422、4-20mA/1-5V工作溫度-10°C ~ +50°C0°C ~ +50°C防護等級IP67IP65尺寸(mm)44×31×18約47.5×14(主體)重量70g(含線纜)60g(含線纜)激光安全等級Class 2Class 2(ILD1420)/ Class 1(CL1版本)二、性能深度分析1. 精度與穩(wěn)定性HC16-15:線性度±0.1% F.S.(優(yōu)于多數(shù)國產(chǎn)傳感器),1μm重復精度滿足工業(yè)級需求,溫度特性0.05% F.S/°C,適合寬溫環(huán)境。ILD1420-10:線性度±0.08% F.S....
關于德國米銥(Micro-Epsilon)optoNCDT 1420 系列激光位移傳感器的深度研究報... 2025 - 04 - 02 ...


一、引言1.1 研究背景與意義在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)與精密測量領域,對高精度、高可靠性位移測量技術的需求與日俱增。激光位移傳感器憑借其非接觸測量、高精度、高響應速度以及抗干擾能力強等顯著優(yōu)勢,已成為實現(xiàn)自動化生產(chǎn)、質量控制與精密檢測的關鍵技術手段,廣泛應用于汽車制造、電子生產(chǎn)、機械加工、航空航天等眾多行業(yè)。optoNCDT 1420 系列激光位移傳感器作為德國米銥(Micro-Epsilon)公司推出的微型化、高精度位移測量解決方案,在尺寸、性能與功能集成等方面展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢。其緊湊的設計使其能夠輕松集成到空間受限的設備與系統(tǒng)中,滿足了現(xiàn)代工業(yè)對設備小型化、集成化的發(fā)展需求;同時,該系列傳感器具備出色的測量精度與穩(wěn)定性,可實現(xiàn)對微小位移變化的精確檢測,為精密測量與控制提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。深入研究 optoNCDT 1420 系列激光位移傳感器的技術原理、性能特點及應用場景,對于推動激光位移測量技術的發(fā)展,拓展其在各行業(yè)的應用范圍,提升工業(yè)生產(chǎn)的自動化水平與產(chǎn)品質量具有重要的理論與實際意義。通過對該系列傳感器的全面剖析,能夠為相關領域的工程師、技術人員提供有價值的參考依據(jù),幫助他們更好地選擇與應用激光位移傳感器,解決實際工程中的測量難題。1.2 研究目標與范圍本研究旨在全面深入地探究 optoNCDT 1420 系列激光位移傳感器,具體目標包括:詳細闡述該傳感器的工作原理,深入分析其技術...
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