本文针对需要对工件直径进行非接触在线检测的特定领域。对基于激光差动扫描测量原理的直径测量方法进行了研究和探讨,包括光学系统结构和机械结构、光束接收模块、放大和滤波电路、共轭边界检出电路、FPGA计时电路、测量和控制软件等一系列关键技术。课题研究的主要内容包括:(一)深入分析和探讨激光差动扫描测量光学系统结构,对常用激光器的特性进行比较,选取氦氖激光器作为系统光源;对系统测量场光束大小进行理论分析,获取扩束准直结构设计的一般原则;分析差动扫描转镜结构特点,得出了差动特征量选取对测量结果的影响。(二)对激光直径测量信号的边界特征进行分析,考虑工件的实际振动问题,给出了由像素光纤过渡头与硅光电二极管组合的方式作为边界激光信号接收模块,从而避免了由于工件振动所带来的影响。对常用光电探测器件的特性进行分析,选取硅光电二极管作为光电信号转换器件。(三)针对本系统特定要求,设计二级差动放大和滤波电路用于实现将光电流信号转换为电压信号,很好地消除了多个光电二极管并联所引起的噪声影响。研究和实现了一种新的信号边界检出方法——共轭边界检出,并通过Proteus软件在线仿真以及硬件电路验证,表明该方法具有良好的稳定性和环境自适应能力。(四)完成了基于FPGA的数字移相高精度脉冲宽度测量,采用XilinxSpartan II系列中XC2S50芯片,在ISE9.1软件环境中编写了相应的VHDL源程序并成功在硬件系统FPGA上实现脉冲计数。(五)设计了主控系统MCU硬件电路和数码管显示电路,编写了相应的数据通信程序和显示控制程序,通过RS232串口实现了串行通信、测量结果可视化等功能。(六)对测量系统的实验结果和误差进行了综合分析,指出了可能实现的误差补偿方法,并提出了进一步改善系统精度的措施。