一種基于激光反射的測量微小尺寸改進(jìn)型技術(shù)研究

李 琢，張栗偉

（大連海洋大學(xué)，遼寧大連 116023）

一種基于激光反射的測量微小尺寸改進(jìn)型技術(shù)研究

李 琢，張栗偉

（大連海洋大學(xué)，遼寧大連 116023）

隨著科技的發(fā)展，對測量微小物體尺寸的精確度、速度都提出了新的要求，作者曾提出過一種基于激光發(fā)射測量微小物體尺寸的技術(shù)（見文獻(xiàn)1）。該技術(shù)原理簡單，測量微小物體尺寸的誤差可控。然而，該技術(shù)在測量物體的大小方面還存在著一定的局限性；同時為了使系統(tǒng)達(dá)到最大測量范圍，小齒的斜面與底板夾角α在實(shí)際過程中需要討論。本研究對實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)，從而解決了上述瓶頸問題。

激光反射；微小距離測定

隨著科技的發(fā)展，對測量微小物體尺寸的精確度和速度都提出了新的要求，作者曾提出了一種基于激光發(fā)射測量微小物體尺寸的技術(shù)［1］。該技術(shù)原理簡單，測量微小物體尺寸的誤差可控。然而，研究發(fā)現(xiàn)，該技術(shù)在測量物體的大小方面還存在著一定的局限性；同時為了使系統(tǒng)達(dá)到最大測量范圍，小齒的斜面與底板夾角α在實(shí)際過程中需要討論。

1 改進(jìn)后技術(shù)原理

基于反射原理，測量微小物體尺寸的改進(jìn)測量裝置示意圖如圖1所示。

圖1 改進(jìn)的測量裝置示意圖

圖1中的角β＝45°，在A處放置一向下發(fā)射的激光器，可以向下發(fā)出垂直于水平面的激光束，經(jīng)過小齒的上表面反射以后，反射至前一個小齒的下表面，然后再將激光束反射至底座處，并通過底座射出?？梢娺@樣的反射過程，只需要在B處放置接收器與激光頭同步移動即可接收激光的反射信號進(jìn)行計(jì)數(shù)。

2 改進(jìn)后技術(shù)討論

2.1 物體放置說明

與作者在文獻(xiàn)1中提出的測距裝置相比，該裝置所測物體的形狀沒有限制，即使物體很大，形狀不規(guī)則，也可以對物體進(jìn)行測量。同樣，使用的時候?yàn)槭刮矬w有個承載面，需要此裝置倒轉(zhuǎn)使用，使物體可以平置在“上表面”，這樣放置物體激光頭的位置需要另行安置。

2.2 改進(jìn)后技術(shù)相關(guān)問題說明

在上述原理說明中已經(jīng)提到將角β設(shè)置為45°，是因?yàn)樵贐處的激光器接收的時候很較為容易，實(shí)際上這里對角度沒有特殊要求，取當(dāng)角β﹥45°時，其示意圖如圖2所示。

當(dāng)β﹥45°，經(jīng)過簡單計(jì)算可以得到：射出在B處的激光仍然是垂直于底座出射，即出射光線和入射光線平行。β的大小將影響測量物體的精度，顯然小齒的寬度

圖2 改進(jìn)后原理示意圖（β﹥45°）

當(dāng)β越大，d越小，這樣測量精度便會越高。當(dāng)然激光束的寬度，激光接收器的接收頻率等都會有相應(yīng)的變化。

當(dāng)β﹤45°時，當(dāng)激光從A處射出，其示意圖如圖3所示。當(dāng)激光束射在小齒頂端處時，激光會射向裝置內(nèi)，而不是在前一個小齒上繼續(xù)反射可以在接收器處計(jì)數(shù)。

圖3 改進(jìn)后原理示意圖（β﹤45°）

當(dāng)激光的入射處不在小齒頂端時，反射如圖4所示，這樣激光在兩個小齒之間反射多次（次數(shù)決定于β的大小），激光仍然可以從底座射出，進(jìn)而達(dá)到計(jì)數(shù)的目的。但是接收器的時間間隔則不同于前面，而且接收時間與物體的放置方式有關(guān)，如果物體放在激光頭開始掃描的一端，開始的時候沒有激光被反射回接收器，一直到物體尺度所在的小齒（如果物體的尺度不是剛剛好的整數(shù)個小齒的寬度）才會開始反射，這樣測算的物體尺度會比實(shí)際尺度大一個小齒。

圖4 入射處不在小齒的頂端示意圖

關(guān)于裝置的材質(zhì)，這里做一下簡單的說明，由于要在C處和D處進(jìn)行反射，因此，小齒的相關(guān)面需要是可以反射激光的材質(zhì)，而且要求激光盡可能的反射，而不在C和D處透射。

底座要求激光可以射出以便接收器接收計(jì)數(shù)，因此需要有很好透射性；由于激光束很細(xì)（激光束和物體尺度比擬，故不存在衍射的可能性），底座不能反射太多的激光。當(dāng)然，如果接收器裝在激光頭處，即A處，激光經(jīng)A處射出，經(jīng)過一系列反射后返回A處被接收器接收到的時間忽略不計(jì)，激光頭和接收器都是同步移動的那么根據(jù)光路的可逆性，只要底座將射出的激光反射，則激光可以在A處被接收，可以減小裝置的大小，輕便使用。

2.3 誤差說明

當(dāng)物體的尺度不是小齒的寬度的整數(shù)倍時，測量的結(jié)果會存在系統(tǒng)誤差。這里的測量結(jié)果一般是小于物體的實(shí)際尺度，原因在于，當(dāng)物體的尺度大于n個小齒，小于n＋1個小齒時，激光束便可以在n＋1個小齒處發(fā)生反射，使裝置認(rèn)為物體不夠n＋1個小齒的寬度，給出n個小齒的測量結(jié)果，實(shí)際上物體尺度要大于測量值。這里的這個誤差的產(chǎn)生的原因在于β＝45°（β﹥45°時與β為45°時結(jié)論相同，而β﹤45°時上述已有說明），那么激光束在小齒的頂端便可以發(fā)生反射，反射光也可以經(jīng)過前面小齒的再次反射而到達(dá)接收器處，即激光可以在n＋1個小齒上發(fā)生反射，反射光射向接收器，故裝置會認(rèn)為物體尺度不夠n＋1個小齒的寬度。

2.4 改進(jìn)型裝置評價與小齒替代的設(shè)想

這種改進(jìn)的測微技術(shù)要求小齒斜面厚度均勻，以便接收器可以勻速接收反射光，底座可以有光出射，且由于小齒與底座的接觸如圖2，故制作的時候難度較大。小齒的制作需要技術(shù)很高，需要在納米尺度操作。因此提出一種對小齒替代的設(shè)想，通過嵌在上下表面的接收器來收集物體尺度信息。其原理如圖5所示：

圖5 代替小齒裝置原理圖

在圖5中，O處有一個激光器，可以發(fā)射出很細(xì)的激光束，A、B、C、D、E處都設(shè)有很小的接收器，并且這些接收器都可以將收到的激光反射，即從O處發(fā)射的激光到達(dá)B處，被B處的接收器接收記錄后經(jīng)過B處反射到A處，同理A處的接收器接收激光后將激光射向C處，以此類推，激光可以在上下表面之間反射。當(dāng)激光從A處射出后，如果沒有物體的遮擋，會依次到達(dá)各個接收器，當(dāng)?shù)竭_(dá)放入物體位置的時候，由于物體的遮擋，激光在反射的過程中會停止在某個接收器處，這樣便可以知道物體遮擋了幾個接收器，從而通過已知的裝置的總長度減去擋住的接收器所占有的寬度，便可以得到物體的尺度。

3 結(jié) 論

本文在文獻(xiàn)［1］基礎(chǔ)上提出了一種基于激光反射的測量微小尺寸改進(jìn)型測量技術(shù)。研究表明，就理論而言，這種基于激光反射測量微小物體尺寸的技術(shù)具有很好的可行性。用該技術(shù)測量微小物體的尺寸，具有實(shí)時性、智能化和精度高等優(yōu)點(diǎn)，同時操作原理簡單易懂。結(jié)合實(shí)物系統(tǒng)的進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究工作還在繼續(xù)。

［1］ 張栗瑋，李琢.基于激光反射的測量微小物體尺寸技術(shù)研究［J］.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2011，24（1）：20-22.

Improved Technology on the Small Distance Measurement Based on Laser Reflection

LI Zhuo，ZHANG Li-wei，
（Dalian Ocean University，Liaoning，Dalian 116023）

On the basis of our previous studies，the authors have developed a improved technology on the small distance measurement based on laser reflection.not only the principle of our previous equipment is simple，but also the error can be controlled.However，the previous technique has certain limitation to some extent，such as the angle in the actual process of the inclined plane and the bottom plate should be discussed to make the system to reach the maximum measuring range.And for this device is improved properly in order to make it more convenient and accurate.

small distance measurement；laser reflection

O4-33

A

1007-2934（2012）03-0030-03

2011-12-07