一种基于激光反射的测量微小尺寸改进型技术研究

李 琢，张栗伟

（大连海洋大学，辽宁大连 116023）

一种基于激光反射的测量微小尺寸改进型技术研究

李 琢，张栗伟

（大连海洋大学，辽宁大连 116023）

随着科技的发展，对测量微小物体尺寸的精确度、速度都提出了新的要求，作者曾提出过一种基于激光发射测量微小物体尺寸的技术（见文献1）。该技术原理简单，测量微小物体尺寸的误差可控。然而，该技术在测量物体的大小方面还存在着一定的局限性；同时为了使系统达到最大测量范围，小齿的斜面与底板夹角α在实际过程中需要讨论。本研究对实验装置进行适当改进，从而解决了上述瓶颈问题。

激光反射；微小距离测定

随着科技的发展，对测量微小物体尺寸的精确度和速度都提出了新的要求，作者曾提出了一种基于激光发射测量微小物体尺寸的技术［1］。该技术原理简单，测量微小物体尺寸的误差可控。然而，研究发现，该技术在测量物体的大小方面还存在着一定的局限性；同时为了使系统达到最大测量范围，小齿的斜面与底板夹角α在实际过程中需要讨论。

1 改进后技术原理

基于反射原理，测量微小物体尺寸的改进测量装置示意图如图1所示。

图1 改进的测量装置示意图

图1中的角β＝45°，在A处放置一向下发射的激光器，可以向下发出垂直于水平面的激光束，经过小齿的上表面反射以后，反射至前一个小齿的下表面，然后再将激光束反射至底座处，并通过底座射出。可见这样的反射过程，只需要在B处放置接收器与激光头同步移动即可接收激光的反射信号进行计数。

2 改进后技术讨论

2.1 物体放置说明

与作者在文献1中提出的测距装置相比，该装置所测物体的形状没有限制，即使物体很大，形状不规则，也可以对物体进行测量。同样，使用的时候为使物体有个承载面，需要此装置倒转使用，使物体可以平置在“上表面”，这样放置物体激光头的位置需要另行安置。

2.2 改进后技术相关问题说明

在上述原理说明中已经提到将角β设置为45°，是因为在B处的激光器接收的时候很较为容易，实际上这里对角度没有特殊要求，取当角β﹥45°时，其示意图如图2所示。

当β﹥45°，经过简单计算可以得到：射出在B处的激光仍然是垂直于底座出射，即出射光线和入射光线平行。β的大小将影响测量物体的精度，显然小齿的宽度

图2 改进后原理示意图（β﹥45°）

当β越大，d越小，这样测量精度便会越高。当然激光束的宽度，激光接收器的接收频率等都会有相应的变化。

当β﹤45°时，当激光从A处射出，其示意图如图3所示。当激光束射在小齿顶端处时，激光会射向装置内，而不是在前一个小齿上继续反射可以在接收器处计数。

图3 改进后原理示意图（β﹤45°）

当激光的入射处不在小齿顶端时，反射如图4所示，这样激光在两个小齿之间反射多次（次数决定于β的大小），激光仍然可以从底座射出，进而达到计数的目的。但是接收器的时间间隔则不同于前面，而且接收时间与物体的放置方式有关，如果物体放在激光头开始扫描的一端，开始的时候没有激光被反射回接收器，一直到物体尺度所在的小齿（如果物体的尺度不是刚刚好的整数个小齿的宽度）才会开始反射，这样测算的物体尺度会比实际尺度大一个小齿。

图4 入射处不在小齿的顶端示意图

关于装置的材质，这里做一下简单的说明，由于要在C处和D处进行反射，因此，小齿的相关面需要是可以反射激光的材质，而且要求激光尽可能的反射，而不在C和D处透射。

底座要求激光可以射出以便接收器接收计数，因此需要有很好透射性；由于激光束很细（激光束和物体尺度比拟，故不存在衍射的可能性），底座不能反射太多的激光。当然，如果接收器装在激光头处，即A处，激光经A处射出，经过一系列反射后返回A处被接收器接收到的时间忽略不计，激光头和接收器都是同步移动的那么根据光路的可逆性，只要底座将射出的激光反射，则激光可以在A处被接收，可以减小装置的大小，轻便使用。

2.3 误差说明

当物体的尺度不是小齿的宽度的整数倍时，测量的结果会存在系统误差。这里的测量结果一般是小于物体的实际尺度，原因在于，当物体的尺度大于n个小齿，小于n＋1个小齿时，激光束便可以在n＋1个小齿处发生反射，使装置认为物体不够n＋1个小齿的宽度，给出n个小齿的测量结果，实际上物体尺度要大于测量值。这里的这个误差的产生的原因在于β＝45°（β﹥45°时与β为45°时结论相同，而β﹤45°时上述已有说明），那么激光束在小齿的顶端便可以发生反射，反射光也可以经过前面小齿的再次反射而到达接收器处，即激光可以在n＋1个小齿上发生反射，反射光射向接收器，故装置会认为物体尺度不够n＋1个小齿的宽度。

2.4 改进型装置评价与小齿替代的设想

这种改进的测微技术要求小齿斜面厚度均匀，以便接收器可以匀速接收反射光，底座可以有光出射，且由于小齿与底座的接触如图2，故制作的时候难度较大。小齿的制作需要技术很高，需要在纳米尺度操作。因此提出一种对小齿替代的设想，通过嵌在上下表面的接收器来收集物体尺度信息。其原理如图5所示：

图5 代替小齿装置原理图

在图5中，O处有一个激光器，可以发射出很细的激光束，A、B、C、D、E处都设有很小的接收器，并且这些接收器都可以将收到的激光反射，即从O处发射的激光到达B处，被B处的接收器接收记录后经过B处反射到A处，同理A处的接收器接收激光后将激光射向C处，以此类推，激光可以在上下表面之间反射。当激光从A处射出后，如果没有物体的遮挡，会依次到达各个接收器，当到达放入物体位置的时候，由于物体的遮挡，激光在反射的过程中会停止在某个接收器处，这样便可以知道物体遮挡了几个接收器，从而通过已知的装置的总长度减去挡住的接收器所占有的宽度，便可以得到物体的尺度。

3 结 论

本文在文献［1］基础上提出了一种基于激光反射的测量微小尺寸改进型测量技术。研究表明，就理论而言，这种基于激光反射测量微小物体尺寸的技术具有很好的可行性。用该技术测量微小物体的尺寸，具有实时性、智能化和精度高等优点，同时操作原理简单易懂。结合实物系统的进一步实验研究工作还在继续。

［1］ 张栗玮，李琢.基于激光反射的测量微小物体尺寸技术研究［J］.大学物理实验，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