（光学工程专业论文）15米膨化石墨卷材加工的现代光学检测技术.pdf

摘要 本文首先简述r 灏课题产生的背景、发展现状和所采用的激光衍射法的基本 原理，列举并讨论了f i 亍射的各种应用，继而指出该项测量的特殊性一测量对象为 宽幅且厚度超过常规衍射尺寸的薄片，然后详细介绍了我们对该项测量的实验原 理、测量方法。从理论分析和利用实验采用的原理性测量系统进行多次实验所得 数据的分析中，确定- 合理的结构参数，提出了对实验数据进行有效处理的方法。 ( 该测量系统主要是依据光学上的衍射原理，以比较测量法求取被测产品厚度 的绝对值。它的优点在于能够同时进行多点测量；实时性好，采集一幅衍射条纹 只需o0 1 8 秒；被测物体不需固定，可实现动态测量；由于衍射测量的光学放大 比很大，对o2 5 r a m 的缝宽来说，测量的灵敏度可以达到62 3jf 硎，因而测量 的灵敏度高：而且由r 激光下的夫朗和费衍射条纹十分清晰、稳定，条纹由2 1 6 0 个象素的光电探测器c c d 采集，图像分辨率高达为o0 1 4 m m ，因此测量精度较 高( o0 l m m 以内) ：多次测量的重复性好。 本课题在较为恶劣的生产环境下实现了多种厚度规格( o2 1 m m ) 的15 米膨 化石墨卷材的自动在线测量工作并对测量系统的结构参数加以分析，编写了一套 能对数据有效处理的软件。最后在自行设计的实验装置的基础上完成了一套对石 墨产品在线测量的实用系统，测量精度o0 1 m m ，测量灵敏度和重复性 o0 0 3 5 m m n ) 、一 关键词：衍射测量、比较法、在线多点测量、信号处理 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，t h er e s e a r c hb a c k g r o u n do ft h i sp r o j e c ta n dt h ep r i n c i p l eo fl a s e r d i f f r a c t i o na d o p t e da r e b r i e f l yr e v i e w e d ，a n dk i n d so fa p p l i c a t i o no f d i f f r a c t i o na r ea l s o d i s c u s s e d ；t h e nu p o np o i n t i n go u tt h es p e c i a l t yo ft h i sm e a s u r e m e n tw h i c hl i e si nt h a t t h em e a s u r e do b j e c ti sak i n do f f l a k et h a ti st h i c k e rt h a nt h eo r d i n a r yd i f f r a c t i o nl e n g t h ， t h e e x p e r i m e n t a lp r i n c i p l ea n dm e a s u r i n gm e t h o da r ep r o p o s e di n d e t a i l f r o mt h e t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dt h ee x p e r i m e n t a ld a t ag a i n e df r o mt i m e so ft e s t i n go nt h i s m e a s u r e m e n ts y s t e m ，t h er e a s o n a b l es t r u c t u r a l p a r a m e t e r s a r ed e t e r m i n e da n dt h e p r o c e s s i n g m e t h o dt o w a r dt h ee x p e r i m e n t a ld a t ai ss e tu p t h i sm e a s u r e m e n ts y s t e mi sm a i n l yb a s e do nt h el a s e rd i f f r a c t i o nr a t i o n a l ，a n du s e c o m p a r i s o nm e t h o d t oo b t a i nt h ea b s o l u t ev a l u eo f t h et h i c k n e s so f t h em e a s u r e do b j e c t t h i ss y s t e mp o s s e s s e st h ef o l l o w i n gm e r i t s f i r s t ，i tc a nm e a s u r em u l t i p l ep o i n t so ft h e g r a p h i t er o l l s ；s e c o n d ，i t c a nd ot h er e a l t i m em e a s u r e m e n tf o r s e l e c t i n g as e to f d i f f r a c t i o nf r i n g en e e do n l yo018 s ；t h i r d s i n c et h em e a s u r e do b j e c tn e e d sn o tt ob e f i x e d ，i t c a nb em e a s u r e d a u t o m a t i c a l l y ；f o r t h ，t h eo p t i c a lm a g n i f i c a t i o n o ft h e d i f f r a c t i o nm e t h o di ss ob i gt h a ti t sm e a s u r i n gs e n s i t i v i t yi su pt o62 31p m f i f t h t h ef r a u n h o f e rd i f f r a c t i o nf r i n g eo ft h el a s e ri sc l e a ra n ds t a b l e ，a n di ti sd e t e c t e db ya p h o t o d e t e c t o rc c dw i t h 2 1 6 0p i x e l sw h o s ep i c t u r er e s o l u t i o ni so 0 1 4 m m 。s ot h e m e a s u r i n ga c c u r a c y i s h i g h ( o0 1 r a m ) ；a tl a s t ，t h er e p e a t a b i l i t y o f r e p e t i t i o u s m e a s u r e m e n ti sa l s os a t i s f y i n g i nt h i sp r o j e c tu n d e rt h et o u g hp r o d u c t i o nc i r c u m s t a n c et h e15 - m e t e re x p a n d e d g r a p h i t e r o l lt h a th a sd i f f e r e n t s p e c i f i c a t i o n s i nt h i c k n e s sf r o m02 m mt ol m mi s p r a c t i c a l l ym e a s u r e do n - l i n ea n dt h es t r u c t u r a lp a r a m e t e r so f t h em e a s u r e m e n ts y s t e m i s a n a l y z e da n d as e to fs o f t w a r ef o rd a t ap r o c e s s i n gi sa l s oc o m p i l e da m e a s u r e m e n t s y s t e m i s f i n a l l y c o n s t r u c t e do nt h eb a s i so ft h ee x p e r i m e n t a lp r o v i s i o nw i t ht h e m e a s u r i n ga c c u r a c y 0 ，0 1 m m a n dt h e m e a s u r i n gs e n s i t i v i t y & t h er e p e a t a b i l i t y 00 0 3 5 m m k e y w o r d s ：d i f f r a c t i o n m e a s u r e m e n t c o m p a r i s o nm e t h o d o n - l i n em u l t i p l e - p o i n tm e a s u r e m e n t s i g n a lp r o c e s s i n g 致谢 本文的研究工作是在导师杨国光教授的悉心指导下完成的，学生的每一点进 步都凝聚了先生的关怀和心血。从论文选题到材料收集、从理论分析到系统加工、 从实验准备到数据整理、从论文结构到文字修改，导师都倾注了大量的心血，付 出厂巨大的劳动。杨老师广博的学识、对学科发展的战略眼光、精辟的学术见解 使我深受启发，特别是他对工作的严格要求和严谨认真的治学态度永远是我学习 的榜样。我还从他那里，学会了一些做人的道理，这将是我一生的财富。值此之 际，表示我对杨国光老师最衷心的感谢! 本人之所以能够取得一点成绩，得益于导师的精心指导和鼓励，也得益于实 验室各位老师的鼎立指导和热心帮助。感谢沈亦兵教授、候西云高工在光学方面 给予作者的指导和帮助，程上彝副教授、鲍超副教授、舒晓武副教授、刘承副教 授、周柯江副教授、李培勇老师在电路方面给予作者的指导和帮助，陆乃炎教授、 秦树南高工在机械方面的指导和帮助，感谢毛小兰老师给予作者实验器材上的大 力芰持。另外作者还要感谢左丹薇老师、牟旭东老师、白剑老师在科研和论文完 成中给予的关心和支持。 本课题是在“石墨卷材”课题组同仁彭德艳硕士的帮助下完成的，还得到了 “激光陀螺”、“半球成像”、“二元光学”三个课题组的各位师兄弟们的帮助， 他们是：戴旭涵博士、丁军硕士、叶志坚硕士、毛彩虹博士、米凤文博士、朱方 明博士、杨李茗博士、姚炜勇硕士、吴剑硕士、严卫平硕士、王冬云硕士、贺银 波博士、熊任强硕士等，在此表示衷心的感谢。他们在工作中所表现的才智和勤 勉给我留下了非常深刻的印象，与他们共事是令人愉快的。 在两年多的时间里，我一直生活在实验室这个大家庭中。实验室严谨、踏实 的作风、活跃的学术思想，以及师兄弟之间互助的团结精神，一直洋溢在我的周 围使我受益匪浅。我再次表示深深的感谢。 最后，将最深切的谢意献给我的家人。是他们的爱使我能有今天，无论什么 时候，我都能从这份爱中得到安慰和鼓励。谨以此文献给辛勤培育我的父母! 丛虹 2 0 0 1 年2 月于求是阳 本人主要工作简介 本文讨论的15 米石墨卷材的在线测量问题主要是围绕对大宽度石墨卷材的 厚度、均匀度进行动态在线测量的问题。重点分析了测量依据的原理、测量方法、 信号采集、测量数据的信号处理4 个方面。本课题研制的激光衍射测量系统能够 对石墨卷材进行在线、实时测量，实现了衍射技术从实验室向工程应用的转变， 并且将衍射测量推广到一个新的应用领域一厚度超过常规衍射尺寸的物体的绝对 测量。这对以后其它产品生产的厚度或表面面形在线检测都会具有指导意义。 在论文完成过程中，涉及的主要工作有： l衍射测量系统方案的原理性分析、光路设计。 由于被测产品为大宽度的薄片，但其厚度本身并未达到衍射意义上的微小尺 寸，并且产品规格有多种( 厚度o2 一l m m ) ，由此提出了衍射的比较测量法。 对多点测量的光路布置、结构参数的选取做了一定的讨论分析。 2衍射测量系统的部分机械设计、生产现场测量装置在机械方面的改良。 衍射测量的实验装置和生产现场使用的样机中探测器的遮光系统多数由本人 完成，对样机的刀口、滚筒和激光器的固定部分提出了改良建议并付诸实施。 3衍射测量系统光学实验的设计、完成和后期数据的信号处理。 从对标准缝的测量到对滚筒的测量，从一点测量到多点测量，本人设计了很 多小实验，逐渐完成了对产品的在线测量在技术上的实现。对测量数据的信 号处理也经过多种方法的摸索找出一种可行的方法。 4样机在生产现场的调试。 将测量系统安装在生产现场进行动态的联机测量和全场测量。 浙江大学硕士学位论文 第一章概述 1 - 1 总述 1 9 7 2 年加拿大国家研究所的trp r y e r 提出了激光衍射计量方法【1 i 。这是一 种利用激光衍射条纹的变化来精密测量长度、角度、轮廓的一种全场计量方法。 这种方法与干涉计量法、全息计量法、莫尔条纹法相比，具有简单、快速、精密 以及价廉的优点。因此，2 0 年来受到各方面的重视，逐步发展成为一种专门的 计量测试技术学科。 衍射计量技术的发展有其深刻的技术背景。光学中的衍射现象早被人们所熟 知，有着各种重要的应用，例如各种衍射光栅技术；但直接用于精密计量却是在 激光器出现并发展成熟以后的事，是7 0 年代开始形成并很快发展起来的种新 的非接触计量测试方法，广泛应用在表面粗糙度的检验，细丝直径的检验，矿 石、材料的结构成份的分析检验【3 i 等各个生产领域。它特别适合于自动检测，作 为一种极灵敏的光传感器而使用。由于这种方法计算方便，操作简单，性能稳定 而具有令人为之欣喜的发展前景。其次是计算机的处理速度大幅度提高，使生产 现场的实时在线测量成为可能。 1 - 2 课题背景 在石化、航空、汽车等行业管道输送中都有个跑、冒、滴、漏的老大难问题， 每年损伤更是无法估量。过去采用石棉制品作为密封材料，但石棉有毒，由于污 染、致癌等问题，对人体危害极大，国际上己明文禁用。橡胶及塑料密封材料， 不耐高温，不耐酸、碱，易腐蚀，密封性能差，使用寿命短，也属淘汰产品。而 柔性石墨材料亦称膨化石墨材料，是世界上7 0 年代开发研制的用来取代石棉、 橡胶、塑料的新型工程材料，具有耐高温、耐腐蚀、耐辐射和良好的可塑性、导 热性以及自润滑等特点，特别是它具有较高的压缩率、回弹率及低应力松弛率等 特性，因而是一种十分优良的密封材料。近年来，随着科学技术的发展，通过 改性，其耐油性能和防渗透性能得以提高和加强，其应用领域也不再限于密封材 料，还可作为保温隔热材料、缓冲击材料、消振动材料、电磁屏蔽利料、泡沫防 本课题受国家自然科学基金资助 第一章概述 火剂材料以及水处理中有害物质的吸附剂等，其应用领域正不断扩大，是当前国 内外实现静密封的最佳材料。 当前柔性石墨材料在国内、国际市场卜十分走俏，市场预测表明，国际市场 列柔性石墨卡才料的需求将迅猛增长。目前世界年需量为万吨，预计到2 0 0 0 年 达3 万吨。随着汽车工业及其它应用领域的拓宽，柔性石墨板、带材系列密封 材料年需求量以3 0 递增，预计2 0 0 0 年全国柔性石墨系列制品需求量为2 0 0 0 吨，柔性石墨板、带材目前国内售价为1 3 万元吨，出口价l5 万美元吨，根据 中汽公司全国行业规划预测报告，2 0 0 0 年汽车气垫一项的需求量是4 5 0 0 万 件，可见市场容量巨大。而我国石墨卷材的生产情况是目前产品纸幅最宽仅为 l m ，而且质量不够稳定，应当积极开发高质量、宽幅度的石墨卷材以适应国内 外市场的需求，提高我国产品的国际竞争力。我国石墨资源丰富，每年出口碳 石墨1 0 万吨；发达国家用我国出口的石墨经深加工后供应世界各国并返销我国， 获得高额利润。因此在“八五”国家科技攻关计划中议定：今后我国石墨出口 将向深加工方向发展，提高可膨石墨及其制品的出口比例。为此“八五”期问 国家用4 0 0 万美元在山东引进了二台生产1 米宽石墨卷材的设备，年产量开始达 1 5 0 吨。浙江大学科技开发公司在上述日本设备的消化、吸收、创新的基础上， 于1 9 9 7 年研制成功国内第一台国产1 米宽石墨卷材生产设备并投入生产。但目 前外商急需l5 米宽的石墨卷材，其技术难度更大，必须引入更先进的技术，实 现l5 米宽时的厚度测量和控制。 国内外对l5 米石墨卷材的需求量之所以巨大，这是因为：取代过去石棉 密封制品的设备都是l5 米宽的，石油化工行业中的输送管道口径均已超过1 米直径。生产手段的进步和检测手段的提高总是相辅相成的。膨化石墨的现代化 生产一定要有相应的检测手段相配套，石墨的深加工要求有高精度的产品检测装 置。现在温州乐斯染料厂出资，集浙江大学5 个系所的技术专业队伍，经过近三 年的开发研究，一方面消化吸收了日本一米进口设备的优点，并在此基础上进行 了大幅度的技术创新和改造，使设备实现了全部国产化，操作、控制自动化。因 此研究开发一种能够方便地在线测量、精度高、性能稳定的检测装置来检测该j 产品的生产在当前尤为重要。 本课题受国家自然科学基金资助 浙江大学硕士学位论文 1 - 3 国内石墨卷材测量技术的发展现状及可行性方案探讨 早期对石墨卷材最权威的测量方法是用机械仪表“表来精确测量。它的测量 是接触式的测量，需要剪下指甲大小的一块石墨卷材作测量样品，多，则会因石 墨卷材材料自身的缘故产生弯曲而测不准。因此这种测量是破坏性的，而且不能 在线测量，也不适合多点测量。 之后发展起来的测量方式是非接触的电涡流式传感器测量。当导体置于交变 磁场或在磁场中运动时，导体上引起感生电流i 。，此电流在导体内闭合，称为涡 流”1 。涡流的大小与导体电阻率p 、导磁率u 以及产生交变磁场的线圈与被测体 之问的距离x ，线圈激励电流的频率f 有关。显然磁场变化频率愈高，涡流的趋 肤效应愈显著，即涡流穿透深度愈小。其穿透深度h 可用下式表示： 肚s 0 3 j 寿) ( 】- ，) 式中p 一导体电阻率( q m ) ； “一导体相对磁导率； f 一交变磁场频率( h z ) 。 由上式可知涡流穿透深度h 和激励电流频率f 有关，所以涡流传感器根据 激励频率高低，可以分为高频反射式和低频透射式两大类。目前广泛采用的，也 是对石墨卷材进行测量的，是高频反射式电涡流传感器。 高频反射式电涡流传感器结构比较简单，主要由一个安置在框架上的扁平 图l ，lc z f 型涡流传感器图1 - 2 电涡流传感器原理图 i 一线圈2 框架3 一衬套 4 一支架5 一电缆6 一插头 本课题受国家自然科学基金资助 第一章概述 圆形线圈构成，此线圈可以粘贴于框架上，或在框架卜开一套槽沟，将导线绕在 槽内。图1 1 所示为c z f 型涡流传感器的结构绦理，它采取将导线绕在聚四氟 乙烯框架窄槽内形成线圈的结构方式。如图1 2 所刁i ，传感器线圈由高频信号激 励，使它产生。个高频交变磁场巾，当被澳4 导体靠近线圈时，在磁场作用范围 的导体表层，产生了与此磁场相交链的电涡流i 。，而此电涡流又将产生一交变磁 场中。阻碍外磁场的变化。从能量角度来看，在被测导体内存在着电涡流损耗( 当 频率较高时，忽略磁损耗) 。能量损耗使传感器的q 值和等效阻抗z 、电感l 均 发生变化，于是把位移量转换成电量。这便是电涡流传感器的基本原理。其中线 圈的尺寸对测量性能有直接影响。线圈外径大时，传感器的敏感范围大，线性范 围相应增大，但灵敏度降低；线圈外径小时，线性范围虽然减小，但灵敏度增大； 线圈薄时灵敏度高；线圈内径改变时，只有在被测体与传感器的近处灵敏度有变 化。传感器的线性范围一般为线圈外径的1 1 31 5 。另外，为使传感器的温度性 能优良，并且使q 值增大，要求线圈框架的材料损耗小、热膨胀系数小、电性 能好。另外，频率对回路阻抗的影响影响远大于对一般电阻、电感电路，因此要 采用频率稳定性较高的恒频电源，为此一般采用石英晶体振荡器( 它的频率稳定 度很容易达到1 0 4 ) ，这一点对于依靠l c 振荡的直接鉴频法就很难达到，并且振 荡器和传感器检测线圈之间的高频引线电缆的分布电容的变化影响也不可忽视， 因设法把电容和检测线圈放在一起【5 】。 电涡流式传感器的优点是测量范围大、灵敏度高、结构简单、抗干扰能力强 以及可以非接触测量。石墨卷材是良导体，因此适用于该种方法，而且该方法可 以既测厚度又测密度。但是由于被测导体中电涡流大小和其电阻率p 有关，而p 会随温度而变，因此在测量时要有温度变化的补偿。因而导致电路复杂且引入误 差，精度不能太高，重复性较差。用于高精度测量有些困难，期望有高精度的测 量方法出现。 纵观能够测量厚度的各种非接触测量的方法，还有超声检测法、光干涉技术、 莫尔技术和光衍射技术。下面来探讨它们各自测量的优缺点和可行性。 1 超声检测法是利用超声波的特性进行各种检测和测量的技术【s 1 。为避免 超声波在介质中传播时产生的各种物理、化学效应的影响，检测时使用的是强度 较弱的超声波，这对使用者来说也是安全的。 声波频率范围为2 0 2 0 k h z ，超过2 0 k h z 的机械波为超声波。它除具有定速 本课题受国家自然科学基金资助4 浙江大学硕士学位论文 图l - 3 超声法检测过程 传播、反射、透射、共振、衰减等机械波的共有特性之外，还具有频率高、衍射 不严重，故定向传播好，声强比一般声波强；传播中衰减小，穿透本领大；碰到 杂质或媒质反射面产生反射显著，而发射和接收又较容易，由于这些特点使它在 检测技术中得到广泛应用。 超声波检测多采用主动方式，由超声波源向被测介质发射超声波，然后接收 与被测介质相作用之后的超声波，从中分析出所需要的信息，其检测过程如图i 一3 所示。 利用超声波检测材料厚度有共振型和脉冲反射型两种方法。但脉冲反射型需 要用水或油作为接触介质，而且不能检测移动体的厚度：而石墨卷材在测量之后 就要接着收卷，因此不适合对石墨卷材进行无损的在线测量。 共振型超声波测厚的原理和系统构成如图1 - 4 所示。在被测材料的表面上安 装超声发射和接收装置，调节发射波的频率，使来自材料另一端面的反射波与入 射波产生共振( 说明二者相位相同) ，此时，材料的厚度h 与此材料的基本共振 频率f 0 之间有如下关系： h=坠(1-2) 2 f o 式中n 一共振次数； c _ 材料中的声速。 ；爻翼 d = 九d = 3 2 ( a ) 原理 图1 - 4 共振型超声波测厚仪 ( b ) 系统构成 本课题受国家自然科学基金资助 r l 第一章概述 根据上式可知，利用己知的可调频率及测出共振次数n ，就可得知被测材 料厚度。测量石墨卷材时，对石墨卷材在两输送滚筒的悬空部分，将超声测量装 置刚好接触石墨卷材的下方，这样就可以测出石墨卷材的厚度。超声装置在接触 石墨卷材卜表面是，由一个灵敏的测力装置控制超声装置的上f 运动，以保证超 声装置和石墨卷材之间的接触是刚好接触。这样，超声装置使石墨卷材的弹性收 缩不会超过一丝。该种测量方法的优点是精度较高，但缺点是超声测量装置加上 灵敏的测力装置配合在一起，技术实施上有难度，加工成本相应较高。而且超声 波可能对石墨卷材的结构有潜在的不良影响。 2 莫尔技术 莫尔是法语m o i r e 一词的音译词，意思是水波纹或云纹花样的意思。将两层 丝绸重叠在一起作相对运动时，或观看两层纱窗的相对运动时，都会看到不断变 化着的明暗相间的云纹花样图案，技术上称为莫尔条纹。利用光栅对形成的莫 尔条纹，可以实现了几何量的光学放大，再配以光电检测技术，即可进行长度、 角度、等高线形貌等的精密测量。 粗光栅测长系统 ”，一般常用于工作条件比较差，环境要求不高的车间中，亦可 在有油污、切屑等环境中使用，故常装在车床、铣床等机床上作为测长手段。该 系统采用的光栅节距比较大，用扫描法调制光路，光栅节距p = 06 3 5 m m ，工作 距离可达1 2 r a m ，最小读数为o0 1 或o0 0 5 m m ，测量范围是：单尺长2 4 0 m m ， 可接长至2 0 m 。其光学原理见图l - 5 。由灯泡1 的灯丝发射的光束经过聚光镜组 2 ，指示光栅3 及由场镜和物镜组成的物镜组4 ，将灯丝成像于旋转的多面体5 的反射面e ，要求灯丝位于聚光镜2 的焦点上。经多面体反射后，光束再次经过 物镜组4 的前组又经过半反射镜6 ，光束分成两路( 透射光束a 和反射光束b ) ， a 、b 两光束穿过柱面镜9 ，将指示光栅3 的刻线，成像在主光栅尺l o 的刻面上， 经主光栅尺反射后，再次经过柱面镜9 ，在光电池1 1 ，1 2 上接收莫尔条纹的亮 度变化。为了实现上述光学系统的物像关系，应使场镜与物镜组合系统焦距 f 。= 4 59 3 m m ，物镜焦距f = 1 3 25 6 m m ，聚光镜系统聚焦f k 93 2 m m 。 在 一作时，多面体以3 7 5 r r a i n 恒速旋转，由此引起指示光栅3 的刻线像不 断地在主光栅尺上扫描，使光电池1 1 、1 2 获得莫尔条纹在扫描时的动态光电信 号。 本课题受国家自然科学基金资助 浙江大学硕士学位论文 1 一灯泡：2 一聚光镜：3 一指示光栅；4 一物镜组；5 一多面体；6 一半反射镜 7 、8 一反射镜；9 一柱面透镜；1 0 一光栅；l l 、1 2 一光电元件 吲1 - 5 粗光栅测长糸筑光蹯原理例 莫尔条纹的扫描频率f ，将由电机转速v ，多面体面数q 及多面体转过一个 反射面时，扫过的莫尔条纹数t 决定。 ，：婴7 1 ( 1 - 3 ) 。 1 0 式中：当v = 3 7 5 r m i n ，q = 2 6 2 面时 t = 1 0 因此卢1 63 7 5 k h z 。 由于a 光路经过偶次反射，b 光路经过奇次反射，所以在主光栅尺上获得 的是扫描方向相反的两个莫尔图像。在光电池1 1 、1 2 上获得的电信号变化可写 成下面的关系式 尺。= 4 s i n ( r + z 丌； c t 一。， 心= 占s i n o j - t + 6 t o p ( - 5 ) 本课题受国家自然科学基金资助 第一章概述 式中：u 为扫描频率；2 n - 妻为主光栅尺的初相位。 尸 当主光栅尺不动时，初始位置为x = o 。当用x = o ，主光栅移动p 4 及p 2 分 别代入式( 1 4 ) 和( 1 - 5 ) 时，x = o 时无相位差，x = p 4 时有3 1 的相位差，x = p 2 时有2n 的相位差，因此在光学上就达到了两倍频。这样把信号输入电路时，相 当于节距已进行一次对分，即采用p = o6 3 5 m m 时，相当于采用节距为o3 1 7 5 m m 的光栅。当进行3 l7 5 细分时，则最小读数值为00 1 m m 。 由于光电池所输入的信号是一个交流的调制信号，这就不像一般光栅那样， 需在一级直流放大后再进行调制，然后再作处理。因此这类仪器的前置放大器， 只是利用了直接耦合的交流放大器，放大后直接送至细分电路，电路采用锁相倍 频电路。这样就不存在因采用直流放大器而带来的、或因温度影响引起的直流漂 移问题，为在车间使用提供了方便。 石墨卷材的生产车间比机械车间要清洁一些，因此可以在粗光栅测长系统的 基础上进步改进机构，提高精度。提高精度有两者途径，一是采用细节距光栅， 二是采用倍频与细分相结合的方法。一般节距的光栅都在l oum 以上，细节距 反射安装调试都较困难，使用时也可能不够稳定。因此可以在粗光棚测长系统的 结构参数的基础上减小一定的光栅距，再采用2 倍频或4 倍频，具体视精度需求 情况而定。 莫尔条纹技术的优点在于： 1 测量精度； 2 读数速度快； 3 分辨率高； 4 读数易于实现数字化、自动化、莫尔条纹信号接近正弦，e e 较适合于电 路处理，故其测量位移的莫尔条纹可经光电转换输入计算机，实现自动化，且稳 定可靠。 但是若对宽幅的石墨卷材厚度进行测量，只能测量其横截面，也即是测量石 墨卷材最两边的端面，不能反映石墨卷材厚度的整体情况。因此莫尔技术对石墨 卷材的测量也不适用。 3 激光衍射技术 光波在传播过程遇到障碍物时，会偏离原来的传播方向弯入障碍物的儿何影 本课题受国家自然科学基金资助 浙江大学硕士学位论文 e 。贮竺差膨了 仑被测物卜 l r a 1 激光 苟y 、 b 、 a ) 计量原理；b ) 等效衍射 图卜6 衍射计量的原理图 区内，并在障碍物后的观察屏上呈现光强的不均匀分布，这种现象称为光的衍射。 激光衍射的基本原理是利用激光下的夫朗和费衍射效应1 8 l ，它是利用激光衍射条 纹的变化来精密测量长度、角度、轮廓的一种全场计量方法。这种方法与莫尔技 术相比，具有简单、快速、精密以及价廉的优点。 图1 - 6 是衍射计量的原理图。它是利用被测物与参考物之间的间隙所形成的 远场衍射来完成的。当激光照射被测物与参考的标准物之间的间隙时，这相当十 单缝的远场衍射。当入射平面波的波长为 ，入射到长度为l ，宽度为。的单缝 上( l 6 3 ) ，并与观察屏距离r ( i ) 2 时，在观察屏e 的视场上将看到十分 清晰的衍射条纹。这时，在观察屏e 上由单缝形成的衍射条纹，其光强i 的分布 由物理光学知道有： i = i 。( s i n 2b b2 )( 卜6 ) 式中：b = ( n 。 ) s i n0 ；o 为衍射角，i 。是o = o 时的光强，即光轴上的 光强度。 式( 1 6 ) 说明衍射光强是随s i n9 的平方而衰减。当p = 0 ，2 ，3 n ，nn 处将出现强度为零的条纹，即i = 0 的暗条纹。测定任一个暗条纹 的位置变化就可以精确知道间隙。的尺寸和尺寸变化。这就是衍射计量的原理。 衍射测量具有以下优点： ( 1 ) 灵敏度高。由于衍射计量系统的光学放大比最多可以达到1 0 0 0 1 0 0 0 0 倍，计量灵敏度最高可达到01u m 。 ( 2 ) 精度有保证。这首先是激光下的夫朗和费衍射条纹十分清晰、稳定。其 奉课题受国家自然科学基金资助 第一章概述 次，这是种非接触测量。而且采用相机或光电系统测量衍射条纹是可行的，精 度可以到微米级。 ( 3 ) 装置简单、操作方便、测定快速。 ( 4 ) 可实现动态的联机测量和全场测量，测定时物体不必固定，能为工艺过 程提供反馈信息，显著提高工艺效率。 衍射测量的量程范围约o0 1 一l5 m m ，鉴于衍射测量的上述优点，如果能用 在石墨卷材的动态在线测量，效果是很理想的。作者认为有其可行性，因此选定 该方法作为测量石墨卷材的首选方法。 1 - 4 本课题的研究内容 本课题的研究内容主要是针对大宽度( w = 1 5 0 0 m m ) 的高温、柔软、膨化石 墨薄片的厚度进行高精度( o 0 l m m ) 实时测量技术的研究。由于是动态的高温 柔软件所以必须采用非接触的光学方法；同时，由于是高精度大尺寸薄片的动态 测量与控制，因而又不能用常规的光学方法，而必须用非接触的现代光学方法。 而且石墨卷材的表面非常光亮，不足以形成镜面反射却易引起杂散光；虽然称为 薄片，但这是相对于它的宽度1 5 0 0 r a m 而言，它的厚度己逃出衍射法直接测量的 测量范围之外，对其用目前技术上应用成熟的现成衍射测量方法有难度。本人在 此课题中的主要任务包括对衍射光学系统的方案设计、部分机械装置的设计安 装、衍射条纹的采集和信号处理，从而设计出一套对生产现场进行实时在线测量 膨化石墨卷材厚度及均匀度的样机。 在研究生的工作期间，本人主要致力于该项课题的研究和设计。前期工作的 重点是在理论上和实践上设计一套可行的衍射系统测量方案，以实现对石墨卷材 的测量。由一点测量推广到多点测量，进而通过信号处理实现多点的实时在线测 量。完成了衍射测量系统从设计到样机制备、调试成功的全部工作，编写了信号 处理的程序。 虽然衍射测量法不能测密度，但是与电涡流法相比精度有保证，而且密度是 由生产石墨卷材的送料部分决定的，在机器投入正常生产之后就不再为变量，而 厚度是在各个工序可以调节的变量，因而只测厚度就可以了。 本课题受国家自然科学基金资助 浙江大学硕士学位论文 第二章衍射计量的理论 2 - 1 激光衍射计量原理 激光衍射的基本原理是利用激光下的夫 朗和费衍射效应【”。夫朗和费衍射是一种远场。 o 衍射，图2 1 是远场和近场衍射的原理示意 图。图中a ) 是近场衍射；近场衍射也称为菲 涅尔衍射。如图a 1 所示，当光源s 照明e 1 平 面上的个孔h 时，在距离r 的观察屏e 2 上 将看到孔h 的阴影。按照几何光学的观点， 光线是直线前进的，光在孔h 的边缘通过的 方向应是s a 与s a ，( 虚线所示) 。但实际上的r 阴影却扩大了，这是由于光在孔h 的边缘上 发生了衍射，光线向外曲折( 实线所示) ，因 此，光的衍射区是a b 与a b 。当r d 2 时称菲涅尔衍射。式中r 是孔与屏之间的距 离；d 是孔h 的直径：x 是入射光的波长。由。 于只能当r 的值不大时才有可能在屏上观察i 到光的衍射，因此称菲涅尔衍射为近场衍射。 如图2 一l b ) 所示，当观察屏e ，处在较远的 位置上，利用透镜才能观察到的衍射现象则称 远场衍射。按几何光学的观点，并设成像透镜 是理想的，没有像差时，点光源s 在e 3 上的 e 3 区 区 e ， 鼎i 孓u f l r 1 h 、 c ) a ) 近场衍射；b ) 远场衍射； c ) 远场衍射的基本装置 图2 1远场衍射的原理图 像s 应成点像。但实际上点像扩大了，而且周围还分布着亮度不大的圆环，这就 是夫朗和费衍射。只有当r d 2 x 时，才能明显的看到衍射圆环。因此，称夫朗 和费衍射为远场衍射。 远场衍射和近场衍射是相对的，在图2 一l b ) 中e 。平面( r i 大时) 上也能观 察到菲涅尔衍射。实际上，基本的远场衍射装置如图中c ) 所示。即平行光照射e l 1 的孔h 时，远场衍射发生在无穷远。用透镜接收后，在透镜的焦而上就观察到 本课题受国家自然科学基金资助 避筘鬻詈谶避蒜黧 的鑫肛s i n 。；。椭叭蜥懒( 2 - 上1 ) a ) 激光 岛 、 y y 8 ) 计量原理b ) 等效衍射 图2 2 衍射计量的原理图 塑坚茎型堂丝堡奎 是f ( ，q ) 的傅立叶变换f 。即 ，( 6 ) ，v ) = e e f 学，7 ) e x p 卜勘+ 叼) p 口( 2 2 ) 式中：f 0 ) = 4 譬1 ) e x p 卜印g ，q ) p 翻q ，是孔平面上的复振幅分布；设照明是平行 光正入射，波面与孔平面重合。a ( ，n ) 是孔平面上波面的振幅分布；中( ，n ) 为波面上的位相分布，即孔平面上各点与适当参考点，例如与。点( 孔中心坐辊； 点) 的位相差。当( 乒1 ) = o ，则波面是一个理想平面。在e 2 平面上任一点p 的光 强是： ，= ( 目，v ) s + ( 口，v ) 斗l p ，v ) l 2 ( 2 3 ) 式中：件( 0 ，v ) 是f ( 0 ，v ) 的共轭数。 当光孔的形状为矩形孔，矩形的高为n ，宽为7 ，如图2 4 a ) 所示。这 时可用个二维矩形函数来表示： f c r = ”订( 专) 一手) = t j r j 。譬拍 。芋 c ：一。， t = 0 其他 e 。面上任一点p 的振幅，应该是此二维矩形函数的傅立叶变换，略去光能损失， 则 s ( o ，v ) s m c ( 竿m 孚 ( 2 5 ) 因此，对矩形孔，在e 2 平面上的衍射像有两列，呈十字格线分布，如图2 4 。) 所 e 图2 - 4 矩形孔的衍射 本课题受国家自然科学基金资助】 第二章衍射计量的理论 示。每列的光强分布，如图2 - 4 h ) 所示。两个疗向上光强的大小按式( 2 3 ) ，可 写出： x 方向 y 方向 f 2 6 1 当光孔为单缝时，_ 7 f ( 对图2 - 2 b ) ，l ) ，例如q7 2 0 m m 而q 0 l m m 。由 7 1 很大，s t n c ( 孚 除中央零级以外，光强，。很小，通常观察不到。因此，当单 缝在n 方向时，衍射条纹仅沿x 方向分布。单缝在方向时，衍射条纹沿y 轴分 布，这点对以后安置光电器件，进行条纹测量是很重要的。 设f ：m ( 缝宽) ，则衍射条纹的光强分布按式( 2 6 ) 为： 川油2 c 降 ， 对s i n c 函数，其定义是 s m c ( z c o c o ) ：s m _ r c o c o ( 2 8 ) 月黝 设= 掣目，由式( 2 8 ) ，则式( 2 7 ) 可写为 川。 警 。， 这就是式( 2 一1 ) 的来源。式( 2 - 9 ) 就是远场衍射光强分布的基本公式。此式说明： 1 ) 衍射条纹是平行于单缝方向的； 2 ) 当b =n ，2 ，3 ，- i - i q i 时，出现一系列i = 0 的暗条纹。 利用暗条纹作为测量指标，就可以进行计量。 因为= 掣s i n 0 ，对暗条纹则有 z g c _ o s i n 0 = 月丌 即 0 9s i n 口= n 2 ，( n = l ，2 ，3 ，) ( 21 0 ) 当0 不大时，从远场条件，有 本课题受国家自然科学基金资助 1 4 1l_o_、 型五堕五 r叫r叫l n n s s = = 0 0 浙江大学硕士学位论文 s i n 肚t g o = 式中：x 。为第n 级暗条纹中心距中央零级条纹中心的距离。见图2 - 2 ) ：r 为观察 屏距单缝平面的距离。因此，式( 2 1 0 ) 可以写成 立：”五 最后写成： ：rn2(2-t1) y h 此式就是衍射计量的基本公式。当用图2 一l c ) 的光学系统，则r - f 。计量时已知 ， r ( 或f ) ，数出n ，测量x 。，由式( 21 1 ) 就可计算出u 的精确尺寸，这就是衍射计 量的基本原理。 如图2 2 a ) ，当被测物尺寸改变6 时，相当于狭缝尺寸u 改变6 ，衍射条纹 的位置随之改变，由式( 2 一1 1 ) ，则 万= m 一国。= ”艘( 一寺 c z 一- z ， 式中：u ，。分别为起始时衍射条纹中心位置和变动后衍射条纹中心位置( 条纹 n 不变) 。 由一个狭缝边的位置用式( 2 1 2 ) 就可以推算另一边的位置。这意味着被测物 尺寸或轮廓完全可以由被测物和参考物之间的缝隙所形成的衍射条纹位置来确 定。 2 - 3 基本方案及其分析 利用衍射条纹进行精密测试，其方法归纳起来分为两大类6 l ： ( 1 ) 记录固定点衍射强度的方法( 图2 5 a ) 中a 和b 点) ； ( 2 ) 记录衍射分布特征尺寸( 指衍射分布极值点之间的距离或角量) 的方法( 图 25 b ) 中的t ) 。 为选择上述测量方法中的一种作为测试仪器的最完善方案，必须从测量要求 的灵敏度、尺寸变化的动态范围、线性、被测物体可能的空间位置变化等方面对 j 一述两类基本方法进行分析估价，得到应用可能性的合理结论。 如果选用宽度为0 3 的狭缝作为被测物体，对第一种方法，即记录固定点上衍 本课题受国家自然科学基金资助 第二章衍射计量的理论 l f ap l ，、i ij ， 1 f 1 f ， 一 t ，、 一 l纠 i 邑 图2 - - 5 衍射光强分布的记录方法 b ) 射分布光强的方法，在记录点( 0 = 常数的点) 上衍射条纹的光强与尺寸的关系 按式! 望l 型塑一一 可瓦= i 瓦面一一 ( 2 13)sin i ( n j 】d ：常数= ，o c ( “& j ) l z 一 式中：u = ns i nh ：0 为衍射分布点的角坐标值。 表征测量方法的主要特性之一是灵敏度，由s ( 。) 表示，则 s ( 妒o i ( ) 0 二= 嘉s i n 矿訾( 2 _ 1 4 ) 为保证测定。时有最大的灵敏度，得到最佳测量位置的。坐标值为 o s ( c o ) ! 0 0 = 等f 鼍岩一等+ 等笋卜 解得 t g ( u c o ) 兰0 9 ( 2 1 5 ) 即 0 ：r i n 一1kj g o ( 2 1 6 ) 式中：k ，= 1 4 3 0 ，2 4 5 9 ，3 4 7 0 一，1 2 l ，2 ，3 ， 。 将式( 2 1 5 ) 代入式( 2 - 1 4 ) ，得( 1 ) 与最大灵敏度的关系式，写成 s 如k = 鲁鬻 上式说明：( 1 ) 灵敏度随。( 被测尺寸) 的减小而增大，有利于小尺寸的精密测 量。( 2 ) 灵敏度随t 的增大而变小，即记录点远离衍射中心时，灵敏度变小，因 而希望记录传感器尽量靠近中心极大值处。( 3 ) 灵敏度与激光功率有关，要求功 率稳定的激光器与限制被测物体的空间位移。 本课题受国家自然科学基金资助 i 浙江大学硕士学位论文 下面讨论方案1 的动态范围，由( 2 一1 3 ) 看出，当e 固定时，u 值不变，衍射 强度是尺寸u 的正弦函数的平方，其周期是 t = 五s i n 0 ( 2 1 8 ) 动态范围是相对于尺寸m 的名义值的尺寸变动范围。在此范围内应保持测量的单 一性。设动态范围为h ( _ ) ，则hu 应等于t 2 ，即 a = 2 s i n 0 f 2 - 1 9 、 式( 2 一1 9 ) 说明，当。增大( 衍射级次增加) 时，动态范围减小，因此，接近零级 处具有最大的动态范围，当0 不大时，动态范围d 的近似计算可按下式进行： 探测器在a 探测器在b 。，甜兰t 。， 4 ( 甩+ ； 脚。，兰，。，。( ”