浙江视觉检测设备设备应用配件-东莞瑞科

浙江视觉检测设备设备应用配件

2020-12-28 17:00:17 0

视觉检测设备各配件怎么使用的

1.简介

位移传感器的目的是在生产现场进行检查（产品的形状，厚度，高度等），并测量微米级的定位误差。传感器的使用提高了精确检查和控制的水平，从而可以进行高质量的高质量制造。迄今为止，通常使用三角测量型激光位移传感器，但是由于在安装过程中难以调节，因此在尖端制造现场出现了一些问题，导致取决于所测量材料的误差。为解决此类问题，我们基于2012年的新原理，将同轴白光共焦位移传感器（型号：ZW）商业化。该传感器结构紧凑，易于安装，

最近，由于重量和尺寸的减小以及提供更高性能的更薄智能手机产品设计的改进，精密零件和检查项目的数量增加，因此需要以更高的速度进行更准确的检查。

2.白光共焦测量原理

该产品是一种传感器（白光共焦位移传感器），可以通过将不同波长的光聚焦在对象高度方向上并仅通过CMOS接收聚焦在该对象上的波长的光来测量与被测对象的距离分光镜的1）。

该系统由光源，分支耦合器，光纤，传感器头，光谱仪和CPU组成，如图1所示。传感器头包含一个衍射透镜和一个物镜，而光谱仪包含一个衍射光栅和一个CMOS。

来自白光源的光通过分支耦合器和光纤进入传感器头。光通过传感器头中的衍射透镜在物体的高度方向上分离。由于传感器头是共焦光学系统，从物体反射的光会聚在光纤上，因此只有聚焦在对象上的特定波长的光会聚在连接到传感器头的光纤上并进入光谱仪。例如，在图1的情况下，因为绿光会聚在被测物体上，所以只有绿光进入分光镜。另一方面，红色和蓝色的光不会聚集在物体上，因此光不会聚集在光纤上，也不会进入光谱仪。进入光谱仪的光被衍射光栅分开，

与传统技术相比，该原理具有以下优点：

（1）白光共焦距离传感器是同轴光学系统，因此与常规激光位移传感器相比，即使在光滑表面上具有较陡的角度，也可以测量其形状。图2示出了测量透镜形状的结果。我们发现，与常规类型相比，可以进行扩展形状测量范围的测量。因此，即使对于平坦的物体，也可以通过简单的安装来进行测量。

图2激光位移传感器与白光共焦位移传感器的角度特性比较

（2）使用常规的激光位移传感器，光接收波形根据材料而变化，并且由于物体上的束斑中的光强度分布直接投射在CMOS上而可能发生测量误差。相反，对于白光共焦位移传感器，在任何给定点的光强度分布都不是问题，即使材料不同，也可以以相同的精度进行测量，因为距离是根据光源的波长计算得出的反射光。

3.技术问题

例如，在检查智能手机的组装状态时，由于甚至比以前需要更高的组装精度，并且由于重量和尺寸的减小，检查点的数量增加，因此需要更高的速度和更高的精度。为了满足客户的需求，我们必须改进白光共焦技术，并开发出速度更快，精度更高的位移传感器。

3.1关于白光共聚焦技术中高精度测量的问题

图4示出了最大表面粗糙度为3.2μmRz的不锈钢材料（称为SUS）的扫描测量结果。问题在于，当被测物的表面粗糙度为3.2μm以上时，会发生测量误差，并且在扫描时不能稳定地进行测量。在本文中，将实际表面粗糙度值或更高出现的测量

误差的标准偏差的四倍（4σ）定义为扫描测量的色散。

3.2关于白光共聚焦技术中高速测量的问题

由于在照射光的波长元素中仅使用对应于距离的特定波长元素的原理，所以白光共聚焦法使用光的效率较低。例如，如果提高采样速度以更高速度检查物体的表面形状，则存在不能确保测量所需的足够量的接收光的问题。对于被测物体的反射率为10％的情况，过去

需要500μsec来确保足够的接收光量。因此，临界移动速度为20 mm / s，以10μm的间距进行扫描测量。为了解决该问题，可以考虑扩大构成导光单元的光纤的芯的方法。增大的纤芯允许传播更多的光，但是根据白光共聚焦方法的原理，接收光波形的半值宽度变大。半值宽度越大，测量值的分散越大，因此，出现降低测量精度的缺点。

4.技术细节

在本节中，以下三个主题被认为是提高准确性以减少测量偏差的方法：

（1）景深

A的减小接收光波形的半值宽度的减小减小了测量误差。（2）通过波形斜率算法

进行误差校正通过使用接收光波形的斜率校正测量误差。（3）使用多根光纤2）

增加对象的测量范围可以消除对象的不均匀性并减少任何测量误差。

作为提高速度的方法，我们还考虑了多纤维的使用，光源亮度的提高以及来自光接收元件的噪声的降低。技术细节如下所述。

4.1降低景深以实现更高的测量精度

关于白光共焦位移传感器，光投射束在被测量物体的高度方向上分离，因此，当景深较小时，所接收的光的波长宽度较小。因此，我们认为接收光波形的半值宽度变薄，并且测量误差减小了。实验结果表明，景深的增加扩大了扫描测量的色，

根据上述公式，对于增加景深而言，希望减小衍射透镜的NA并增大物镜的NA。确定传感器头和物体之间的测量中心距离（对于测量范围为19到21 mm的位移传感器，将其表示为测量中心距离为20 mm的位移传感器）后，确定物镜，然后根据制造极限确定物镜的NA。因此，确定外部尺寸，并且确定衍射透镜的NA。

表1列出了在使用景深为20 mm的传感头的情况下将景深减小至0.27倍时的初步计算结果。

表1测量中心距离为20 mm的传感器头的景深

设计参数与常规类型的比率

衍射透镜的NA 0.65倍

物镜不适用 1.54倍

景深 0.27倍

4.2高精度测量中校正波形斜率的算法

在第4.1节中，描述了光学系统精度的提高，并且还考虑了算法的使用。关于扫描测量的分散，如图7所示，由于被检体的不平整，来自被测<br/>体的反射光的波长发生变化。因此，在接收光波形中产生失真，并且假定产生测量误差。

因此，我们考虑如果可以量化接收光波形的失真，则可以校正并减少误差。然后，我们根据接收光波形计算出波形斜率。具体地，如图8所示，我们获得了具有接收光波形的峰值功率的70％和30％的线的中心位置，然后将通过这些坐标的直线的斜率定义为波形斜率。

我们发现接收光波形的斜率与测量误差的标准偏差（扫描测量的色散）的四倍之间具有很高的相关性（相关系数：R = 0.94），如图9所示。因此，我们发明了一种算法通过计算接收光波形的斜率，基于该斜率推定测量误差，然后从测量值中减去计算值，以减小测量误差。

图7由于被测物的不平整引起的接收光波形失真

图8接收光波形和波形斜率

图9波形斜率与测量误差的关系

4.3用于高速和高精度测量的多光纤

本节介绍多纤维，它具有高速和高精度的优点。通过这种技术，我们认为可以增加接收功率，可以平整被测物体的轻微不均匀性，并且可以通过使用多根保持纤芯的光纤来稳定地进行测量。图10示出了该技术的系统配置。

换句话说，我们可以预期使用四根光纤将接收到的光量增加三倍，并且使四根光纤拉平的效果可以将扫描测量的色散提高两倍。

4.4增强亮度并降低噪声以进行高速测量

除了使用多纤维接收到的四倍的光量外，我们还考虑了增强亮度并减少了来自白色LED /光接收元件的噪声，从而进一步增加了接收到的光量。通过选择能够进行高速成像的接收光元件设备并在整个测量过程中使用现场可编程门阵列（FPGA），可以实现最大20μsec的高速测量，因为增加单独接收的光量可以无法实现高速测量。图11示出了传统传感器和新传感器的LED亮度。最多5。

图12示出了将来自传统传感器的噪声与来自将要使用的光接收元件（新传感器）的噪声进行比较的结果。与传统传感器相比，来自光接收元件的噪声降低了约0.66倍，因此，信噪比提高了1.5倍。另外，接收到的光量与信噪比的平方成正比，并且以接收到的光量表示，可获得约2.3倍的效果。

5.效果

5.1通过使用多纤维和降低景深来实现高精度的效果

图13显示了使用具有单芯光纤的传统传感器和具有四芯多光纤的传感器头减小了景深的标准粗糙度为3.2μmRz的标准粗糙度件的扫描测量结果的扫描测量结果的分散情况。。扫描测量的色散提高了约5.7倍，这是因为4σ的扫描测量值的色散在传统传感器中为18.1μm，在新传感器中为3.1μm。此外，新传感器的结果与标准件的3.2μmRZ值几乎相同，这使我们相信形状已正确测量。

图13常规传感器和新型传感器的扫描测量结果分散

5.2通过校正波形斜率的算法进行高精度增强的结果

图14示出了在对3.2μm的Rz的标准粗糙度片进行扫描测量并且根据接收光波形的斜率确定校正值之后的测量值校正的结果。我们确认扫描测量值的偏差在校正之前的最大值和最小值之间大约为9μm，而在校正之后变为3μm，这意味着精度提高了大约三倍。

图14校正波形斜率前后扫描测量结果的色散比较结果

5.3速度提高的结果

表2显示了速度提高的结果，该结果由每个设备接收的光量表示。结果达到了总数的11.7倍。表3列出了接收到的光量以及测量反射镜最快的采样时间。接收到的光量是常规量的12.5倍，几乎与每个设备接收到的光量相同，并且该值的测量时间为20微秒，这是最快的采样时间。对于反射率被测量为10％的物体，仅需要20微秒即可接收测量所需的光量。因此，即使以500mm / s的移动速度进行扫描测量，也可以以10μm的间距测量被测物体。