摘 要： 柔性物體易于變形，當采用傳統的游標卡尺、千分尺測量其外形尺寸時，不僅效率低，而且重復性和穩定性差。基于激光位移檢測與光電傳感技術，提出了一種用于柔性物體的非接觸測量方法。以STC89C52微控制器為核心并利用激光傳感器和精密絲桿導軌系統設計了測量裝置，根據被測物體遮擋光跳變間隔內絲桿移動的距離確定物體的寬度或外徑。一系列柔性物體的測量實驗結果表明，實際測量精度可達0.1 mm。這種方法也可用于高溫物體的外形尺寸測量。
關鍵詞： 柔性物體；非接觸測量；激光傳感器；伺服電機測距
0 引言
現代工業產品的生產效率越來越高，測量技術也要求高效、準確和無損傷。對于柔性物體的外形尺寸測量，由于其易變形的特性，使得利用游標卡尺、千分尺等傳統的測量方式不僅效率低，而且一致性和穩定性差，還有可能對物體表面造成損傷，因此，非接觸測量得到了廣泛應用，如測量線徑[1]、物體厚度[2]、位移[3]以及限界檢測[4]等。目前非接觸測量儀大多采用電荷耦合器件（Charged Couple Device，CCD）技術，通過對物體各個方向的成像，構建出物體輪廓，由計算機計算出外形尺寸[5-8]。這種方法的圖像數據處理過程較復雜，對計算機性能要求較高，數據量大，價格偏高。
激光具有亮度高、單色性和方向性好的特性，激光測距裝置常常被用于光電跟蹤系統[9]。本文基于非接觸測量方法，利用激光傳感器和精密絲桿導軌系統，設計了一種測量柔性物體尺寸的裝置，具有結構簡單、便于加工制作、適合現場操作、測量數據便捷、顯示信息直觀、價格低廉等優點。這種方法同樣適合高溫物體外形尺寸的測量，并可以推廣到柔性物體產品生產線的在線測量。
1 測量裝置的結構
如圖1所示，非接觸測量裝置由激光傳感器、精密絲桿導軌系統、測控系統組成。
精密絲桿導軌系統包括一根螺距為4 mm的精密絲桿和一個移動滑臺。導軌的一側固定載物臺，由透明玻璃作為放置被測物體的平臺。激光傳感器固定在移動滑臺上，隨絲桿旋轉前后運動，通過放置在載物臺上的物體。該激光傳感器具有靈敏度可調功能，從而適應不同通透性物體。在被測柔性物體的邊沿處，激光傳感器輸出信號發生跳變，根據信號電平兩次跳變之間絲桿運動的距離，便可確定被測物體的實際外徑或寬度。
2 測量裝置的測控系統
非接觸測量裝置測控系統如圖2所示，由單片機最小系統、電源系統、開關、USB接口電路、LED數碼管顯示器等組成。測控系統的核心是STC公司的STC89C52微控制器，具有8 KB Flash存儲器，256 B RAM，32位 I/O口線。
電源系統為單片機最小系統提供5 V直流電壓，并為激光傳感器、伺服電機和伺服電機驅動器提供24 V直流電壓。微控制器通過USB接口與PC相連，用于將程序燒錄到單片機中。測量值由4位LED數碼管顯示，其段選和位選信號分別由單片機的P0口和P2口產生，采用動態掃描顯示方式。
絲桿通過杰美康57J1880EC-1000-50系列直流混合式伺服電機帶動，步距角為1.8°，額定電流為4.0 A。伺服電機由杰美康2HSS57-10000混合式步進伺服驅動器（閉環）控制，驅動器使能信號ENA-和方向信號DIR-分別與單片機P1.0和P1.1相連，PLS-與單片機P1.2端口相連，接受來自STC89C52單片機的脈沖指令。ENA+、DIR+、PLS+引腳接5 V電源。該驅動器具有8種細分模式，工作電流為0～6 A，工作電壓為24～80 V，具有全閉環、低發熱、平滑精確的特點。
3 軟件設計思路
單片機通過定時器0中斷輸出脈沖信號，控制伺服電機轉動。每輸出800個脈沖（定時器中斷1 600次）電機轉一圈，通過記錄定時器中斷次數便可計算出轉動前進的距離。定時器1用于定時掃描數碼管顯示。外部中斷INT0和INT1接光電開關信號。按下按鍵K，單片機開始輸出脈沖，當光電開關被擋住時，INT0觸發，開始記錄脈沖的個數。當物體移出光電開關時（沒有遮擋），INT1觸發。記錄從INT0觸發到INT1觸發之間定時器0中斷的次數N，則電機轉動的距離為L=（N/1 600）×4 mm。
絲桿運動的快慢由控制電路中開關K1或K2決定，開關K1控制的速度是K2的兩倍，可以觀察和比較不同絲桿速度對測量結果的影響。
4 測量實驗
選取不同柔性物體分別進行測量實驗，在此僅給出部分結果。先用游標卡尺對每種物體進行10次測量，取其平均值作為1次的測量值，可看作是一個“標稱值”，然后在不同絲桿運動速度下，用測量裝置分別測量10次，得到物體的測量尺寸。
餐巾紙寬度測量的實驗數據如圖3所示。由于受外力產生形變，游標卡尺測量的尺寸波動較大，從圖中可以看出，數值波動大于0.5 mm。而測量裝置測量的尺寸波動明顯減小，其中絲桿低速運動（K2按下）時測量數據集中于28.7～28.8 mm之間，重復性明顯優于用游標卡尺和絲桿高速運動（K1按下）時測量的值。
測量鉛筆盒寬度的實驗數據如圖4所示。由于堅硬物體測量時的受力變形幾乎可以忽略不計，此時可以認為游標卡尺測量的結果非常準確，而此時測量裝置的測量精度不如手工測量，絲桿低速運動（K2按下）時的測量誤差為±0.1 mm，絲桿高速運動（K1按下）時測量效果略差一些。
為了提高測量精度，調整激光傳感器輸出靈敏度和傳感器輸出電路比較門限，再次測量兩種不同物體的外形尺寸，測量結果如圖5所示。其中，紙片寬度的標稱值為10.00 mm，游標卡尺的測量值為10.12 mm，用測量裝置測量的數值在9.98～10.10 mm之間，測量最大偏差為±0.1 mm，誤差為1.0%。U盤寬度的標稱值為17.30 mm，用游標卡尺測量的值為17.27 mm，用測量裝置測量的數值在17.26～17.32 mm之間波動，測量最大偏差為±0.04 mm，誤差為2.3‰。可以看出，上述測量結果較穩定，且多次測量值與“標稱值”非常接近。
5 測量誤差分析
5.1 絲桿誤差
滾珠絲桿副與滾珠之間的間隙會帶來測量誤差，使得單片機根據兩次中斷之間的間隔和絲桿的螺距計算出的距離并不等于絲桿移動的實際距離，影響多次測量時的一致性。絲桿導軌系統的位置控制誤差的理論值為±0.02 mm，這也是導致數據波動的主要原因之一。為了減小誤差，可以選擇更高精度的絲桿導軌系統。
5.2 測量響應誤差
從激光傳感器輸出信號跳變到單片機中斷響應的延遲帶來的誤差，導致計數器啟動和停止滯后[10]，表現為電機轉速越快，測量數據的誤差越大。為了減小誤差，應優化中斷服務程序的代碼，縮短中斷響應時間，同時電機轉動不能太快。
5.3 傳感器感應誤差
受聚焦性能的影響，任何激光線束都有一定的寬度，當物體的邊緣部分遮擋或露出光線時，激光傳感器輸出信號就可能發生跳變，特別是物體邊緣不平整時，這取決于傳感器輸出靈敏度和信號比較電路的門限設置。不同通透性的物體，傳感器感光靈敏度不同，因此，需要進行匹配與標定[11-12]，在硬件和軟件兩方面進行修正。為了避免現場干擾引起的丟光現象，可以采用斷光續接補償措施[13]，消除測量中斷問題。
6 結論
本文基于伺服電機測距原理設計了柔性物體非接觸測量裝置，利用激光傳感器、伺服電機與精密絲桿導軌系統，研制了基于STC89C52單片機的測控系統。通過對不同物體進行多次測量實驗，證明了該方法的可行性。
（1）利用激光傳感器將被檢測物體邊緣轉化成高低電平信號，由單片機的外部中斷模塊捕捉柔性物體邊緣信號，測量柔性物體外形尺寸，重復精度可達0.1 mm。
（2）利用單片機的實時中斷產生伺服電機的控制脈沖，實現伺服電機轉速和位置的精確控制，理論控制精度可達±0.02 mm。
（3）對于不同通透性的物體，測量靈敏度需要進行匹配與標定。選用更高精度的絲桿導軌系統，減小激光傳感器接收器的透光縫隙，優化中斷服務程序的代碼，測量精度有望進一步提高。
與現有的游標卡尺人工測量相比，本文設計的非接觸測量裝置結構簡便、使用方便、價格低廉，可滿足常規的柔性物體外形尺寸的測量，該原理可進一步推廣至高溫物體的外形尺寸測量。
參考文獻
[1] 李慧鵬，王軍，張軍，等.一種新型非接觸式線徑測量系統[J]．儀器儀表學報（增刊），2004，25（4）：209-211.
[2] 劉江，汪濤，唐清清，等．激光三角法厚度測量儀的設計與研究[J]．微型機與應用，2014，33（10）：16-19.
[3] 周劍，趙宏，田豐，等．測量剛體位移的非接觸式光電系統[J]．光電工程，1997，24（6）：60-66.
[4] 何帥，高曉蓉，王黎，等．激光限界檢測系統的設計與實現[J]．微型機與應用，2010，29（2）：89-92.
[5] 張愛雪，孟櫻．基于ARM和FPGA的線陣CCD測徑系統的設計[J]．電子技術應用，2011，37（2）：82-84，87.
[6] 錢思明．動態線材直徑測量儀[J]．儀表技術與傳感器，2007（9）：17-19.
[7] 苗世迪，喬佩利．基于線陣CCD的精確測量方法研究[J]．哈爾濱理工大學學報，2006，11（2）：103-105.
[8] 陳重，滕勤．基于CIS圖像傳感器的數字式求積儀設計[J]．微型機與應用，2014，33（4）：41-44.
[9] RAVI G． Novel back-illuminated CCD enhances low-light-level detection[J]． Laser Focus World， 2010，46（4）：63-66.
[10] 耿春萍，程度，張治．激光脈沖測距的測距精度及誤差分析[J]．光電技術應用，2007，22（2）：28-31.
[11] 盧科青，王文，陳子辰．點激光測頭激光束方向標定[J]．光學精密工程，2010，18（4）：880-886.
[12] 周會成，曾理湛，陳吉紅，等．點光源測頭光束方向的標定[J]．儀器儀表學報，2004，25（3）：388-391.
[13] 章文娟，王中宇，周維虎，等．基于DSP的激光跟蹤儀數據通信及處理模塊設計[J]．微型機與應用，2011，30（17）：54-56.