2020-12-28 17:00:17 0
視覺檢測設(shè)備各配件怎么使用的
1.簡介
位移傳感器的目的是在生產(chǎn)現(xiàn)場進(jìn)行檢查（產(chǎn)品的形狀，厚度，高度等），并測量微米級的定位誤差。傳感器的使用提高了精確檢查和控制的水平，從而可以進(jìn)行高質(zhì)量的高質(zhì)量制造。迄今為止，通常使用三角測量型激光位移傳感器，但是由于在安裝過程中難以調(diào)節(jié)，因此在尖端制造現(xiàn)場出現(xiàn)了一些問題，導(dǎo)致取決于所測量材料的誤差。為解決此類問題，我們基于2012年的新原理，將同軸白光共焦位移傳感器（型號：ZW）商業(yè)化。該傳感器結(jié)構(gòu)緊湊，易于安裝，
最近，由于重量和尺寸的減小以及提供更高性能的更薄智能手機(jī)產(chǎn)品設(shè)計的改進(jìn)，精密零件和檢查項目的數(shù)量增加，因此需要以更高的速度進(jìn)行更準(zhǔn)確的檢查。
2.白光共焦測量原理
該產(chǎn)品是一種傳感器（白光共焦位移傳感器），可以通過將不同波長的光聚焦在對象高度方向上并僅通過CMOS接收聚焦在該對象上的波長的光來測量與被測對象的距離分光鏡的1）。
該系統(tǒng)由光源，分支耦合器，光纖，傳感器頭，光譜儀和CPU組成，如圖1所示。傳感器頭包含一個衍射透鏡和一個物鏡，而光譜儀包含一個衍射光柵和一個CMOS。
來自白光源的光通過分支耦合器和光纖進(jìn)入傳感器頭。光通過傳感器頭中的衍射透鏡在物體的高度方向上分離。由于傳感器頭是共焦光學(xué)系統(tǒng)，從物體反射的光會聚在光纖上，因此只有聚焦在對象上的特定波長的光會聚在連接到傳感器頭的光纖上并進(jìn)入光譜儀。例如，在圖1的情況下，因為綠光會聚在被測物體上，所以只有綠光進(jìn)入分光鏡。另一方面，紅色和藍(lán)色的光不會聚集在物體上，因此光不會聚集在光纖上，也不會進(jìn)入光譜儀。進(jìn)入光譜儀的光被衍射光柵分開，
與傳統(tǒng)技術(shù)相比，該原理具有以下優(yōu)點：
（1）白光共焦距離傳感器是同軸光學(xué)系統(tǒng)，因此與常規(guī)激光位移傳感器相比，即使在光滑表面上具有較陡的角度，也可以測量其形狀。圖2示出了測量透鏡形狀的結(jié)果。我們發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)類型相比，可以進(jìn)行擴(kuò)展形狀測量范圍的測量。因此，即使對于平坦的物體，也可以通過簡單的安裝來進(jìn)行測量。
圖2激光位移傳感器與白光共焦位移傳感器的角度特性比較
圖2激光位移傳感器與白光共焦位移傳感器的角度特性比較
（2）使用常規(guī)的激光位移傳感器，光接收波形根據(jù)材料而變化，并且由于物體上的束斑中的光強(qiáng)度分布直接投射在CMOS上而可能發(fā)生測量誤差。相反，對于白光共焦位移傳感器，在任何給定點的光強(qiáng)度分布都不是問題，即使材料不同，也可以以相同的精度進(jìn)行測量，因為距離是根據(jù)光源的波長計算得出的反射光。
3.技術(shù)問題
例如，在檢查智能手機(jī)的組裝狀態(tài)時，由于甚至比以前需要更高的組裝精度，并且由于重量和尺寸的減小，檢查點的數(shù)量增加，因此需要更高的速度和更高的精度。為了滿足客戶的需求，我們必須改進(jìn)白光共焦技術(shù)，并開發(fā)出速度更快，精度更高的位移傳感器。
3.1關(guān)于白光共聚焦技術(shù)中高精度測量的問題
圖4示出了最大表面粗糙度為3.2μmRz的不銹鋼材料（稱為SUS）的掃描測量結(jié)果。問題在于，當(dāng)被測物的表面粗糙度為3.2μm以上時，會發(fā)生測量誤差，并且在掃描時不能穩(wěn)定地進(jìn)行測量。在本文中，將實際表面粗糙度值或更高出現(xiàn)的測量
誤差的標(biāo)準(zhǔn)偏差的四倍（4σ）定義為掃描測量的色散。
3.2關(guān)于白光共聚焦技術(shù)中高速測量的問題
由于在照射光的波長元素中僅使用對應(yīng)于距離的特定波長元素的原理，所以白光共聚焦法使用光的效率較低。例如，如果提高采樣速度以更高速度檢查物體的表面形狀，則存在不能確保測量所需的足夠量的接收光的問題。對于被測物體的反射率為10％的情況，過去
需要500μsec來確保足夠的接收光量。因此，臨界移動速度為20 mm / s，以10μm的間距進(jìn)行掃描測量。為了解決該問題，可以考慮擴(kuò)大構(gòu)成導(dǎo)光單元的光纖的芯的方法。增大的纖芯允許傳播更多的光，但是根據(jù)白光共聚焦方法的原理，接收光波形的半值寬度變大。半值寬度越大，測量值的分散越大，因此，出現(xiàn)降低測量精度的缺點。
4.技術(shù)細(xì)節(jié)
在本節(jié)中，以下三個主題被認(rèn)為是提高準(zhǔn)確性以減少測量偏差的方法：
（1）景深
A的減小接收光波形的半值寬度的減小減小了測量誤差。（2）通過波形斜率算法
進(jìn)行誤差校正通過使用接收光波形的斜率校正測量誤差。（3）使用多根光纖2）
增加對象的測量范圍可以消除對象的不均勻性并減少任何測量誤差。
作為提高速度的方法，我們還考慮了多纖維的使用，光源亮度的提高以及來自光接收元件的噪聲的降低。技術(shù)細(xì)節(jié)如下所述。
4.1降低景深以實現(xiàn)更高的測量精度
關(guān)于白光共焦位移傳感器，光投射束在被測量物體的高度方向上分離，因此，當(dāng)景深較小時，所接收的光的波長寬度較小。因此，我們認(rèn)為接收光波形的半值寬度變薄，并且測量誤差減小了。實驗結(jié)果表明，景深的增加擴(kuò)大了掃描測量的色，
根據(jù)上述公式，對于增加景深而言，希望減小衍射透鏡的NA并增大物鏡的NA。確定傳感器頭和物體之間的測量中心距離（對于測量范圍為19到21 mm的位移傳感器，將其表示為測量中心距離為20 mm的位移傳感器）后，確定物鏡，然后根據(jù)制造極限確定物鏡的NA。因此，確定外部尺寸，并且確定衍射透鏡的NA。
表1列出了在使用景深為20 mm的傳感頭的情況下將景深減小至0.27倍時的初步計算結(jié)果。
表1測量中心距離為20 mm的傳感器頭的景深
設(shè)計參數(shù) 與常規(guī)類型的比率
衍射透鏡的NA 0.65倍
物鏡不適用 1.54倍
景深 0.27倍
4.2高精度測量中校正波形斜率的算法
在第4.1節(jié)中，描述了光學(xué)系統(tǒng)精度的提高，并且還考慮了算法的使用。關(guān)于掃描測量的分散，如圖7所示，由于被檢體的不平整，來自被測<br/>體的反射光的波長發(fā)生變化。因此，在接收光波形中產(chǎn)生失真，并且假定產(chǎn)生測量誤差。
因此，我們考慮如果可以量化接收光波形的失真，則可以校正并減少誤差。然后，我們根據(jù)接收光波形計算出波形斜率。具體地，如圖8所示，我們獲得了具有接收光波形的峰值功率的70％和30％的線的中心位置，然后將通過這些坐標(biāo)的直線的斜率定義為波形斜率。
我們發(fā)現(xiàn)接收光波形的斜率與測量誤差的標(biāo)準(zhǔn)偏差（掃描測量的色散）的四倍之間具有很高的相關(guān)性（相關(guān)系數(shù)：R = 0.94），如圖9所示。因此，我們發(fā)明了一種算法通過計算接收光波形的斜率，基于該斜率推定測量誤差，然后從測量值中減去計算值，以減小測量誤差。
圖7由于被測物的不平整引起的接收光波形失真
圖7由于被測物的不平整引起的接收光波形失真
圖8接收光波形和波形斜率
圖8接收光波形和波形斜率
圖9波形斜率與測量誤差的關(guān)系
圖9波形斜率與測量誤差的關(guān)系
4.3用于高速和高精度測量的多光纖
本節(jié)介紹多纖維，它具有高速和高精度的優(yōu)點。通過這種技術(shù)，我們認(rèn)為可以增加接收功率，可以平整被測物體的輕微不均勻性，并且可以通過使用多根保持纖芯的光纖來穩(wěn)定地進(jìn)行測量。圖10示出了該技術(shù)的系統(tǒng)配置。
換句話說，我們可以預(yù)期使用四根光纖將接收到的光量增加三倍，并且使四根光纖拉平的效果可以將掃描測量的色散提高兩倍。
4.4增強(qiáng)亮度并降低噪聲以進(jìn)行高速測量
除了使用多纖維接收到的四倍的光量外，我們還考慮了增強(qiáng)亮度并減少了來自白色LED /光接收元件的噪聲，從而進(jìn)一步增加了接收到的光量。通過選擇能夠進(jìn)行高速成像的接收光元件設(shè)備并在整個測量過程中使用現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA），可以實現(xiàn)最大20μsec的高速測量，因為增加單獨接收的光量可以無法實現(xiàn)高速測量。圖11示出了傳統(tǒng)傳感器和新傳感器的LED亮度。最多5。
圖12示出了將來自傳統(tǒng)傳感器的噪聲與來自將要使用的光接收元件（新傳感器）的噪聲進(jìn)行比較的結(jié)果。與傳統(tǒng)傳感器相比，來自光接收元件的噪聲降低了約0.66倍，因此，信噪比提高了1.5倍。另外，接收到的光量與信噪比的平方成正比，并且以接收到的光量表示，可獲得約2.3倍的效果。
5.效果
5.1通過使用多纖維和降低景深來實現(xiàn)高精度的效果
圖13顯示了使用具有單芯光纖的傳統(tǒng)傳感器和具有四芯多光纖的傳感器頭減小了景深的標(biāo)準(zhǔn)粗糙度為3.2μmRz的標(biāo)準(zhǔn)粗糙度件的掃描測量結(jié)果的掃描測量結(jié)果的分散情況。 。掃描測量的色散提高了約5.7倍，這是因為4σ的掃描測量值的色散在傳統(tǒng)傳感器中為18.1μm，在新傳感器中為3.1μm。此外，新傳感器的結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)件的3.2μmRZ值幾乎相同，這使我們相信形狀已正確測量。
圖13常規(guī)傳感器和新型傳感器的掃描測量結(jié)果分散
圖13常規(guī)傳感器和新型傳感器的掃描測量結(jié)果分散
5.2通過校正波形斜率的算法進(jìn)行高精度增強(qiáng)的結(jié)果
圖14示出了在對3.2μm的Rz的標(biāo)準(zhǔn)粗糙度片進(jìn)行掃描測量并且根據(jù)接收光波形的斜率確定校正值之后的測量值校正的結(jié)果。我們確認(rèn)掃描測量值的偏差在校正之前的最大值和最小值之間大約為9μm，而在校正之后變?yōu)?μm，這意味著精度提高了大約三倍。
圖14校正波形斜率前后掃描測量結(jié)果的色散比較結(jié)果
圖14校正波形斜率前后掃描測量結(jié)果的色散比較結(jié)果
5.3速度提高的結(jié)果
表2顯示了速度提高的結(jié)果，該結(jié)果由每個設(shè)備接收的光量表示。結(jié)果達(dá)到了總數(shù)的11.7倍。表3列出了接收到的光量以及測量反射鏡最快的采樣時間。接收到的光量是常規(guī)量的12.5倍，幾乎與每個設(shè)備接收到的光量相同，并且該值的測量時間為20微秒，這是最快的采樣時間。對于反射率被測量為10％的物體，僅需要20微秒即可接收測量所需的光量。因此，即使以500mm / s的移動速度進(jìn)行掃描測量，也可以以10μm的間距測量被測物體。
表2速度增加的結(jié)果
項目 接收到的光量
白光LED發(fā)光 與傳統(tǒng)型號相比，是5.1倍
多纖維 是傳統(tǒng)型號的4倍
低噪聲CMOS 是傳統(tǒng)型號的2.3倍
傳感器頭的透射率 0.25倍于傳統(tǒng)型號
總 是傳統(tǒng)型號的11.7倍
表3用反射鏡測量的光量結(jié)果
接收功率/微秒 最快的采樣時間
常規(guī)傳感器 48 500微秒
新傳感器 600 20微秒
六，結(jié)論
與傳統(tǒng)模型相比，我們實現(xiàn)了5.7倍或更高的高精度測量，采樣速度高達(dá)20微秒，這比傳統(tǒng)模型快25倍，如第5節(jié)所示。通過引入多芯光纖和一種減小視場深度并校正波形斜率的算法作為同軸白光共焦技術(shù)，然后我們將基于ZW-7000系列的位
