激光衍射法测量细丝直径的研究

1、1999年 第 17卷 第 4期长 春 邮 电 学 院 学 报 1999 V ol. 17 N o. 4 文章编号 :1000-1794(1999 04-0027-05激光衍射法测量细丝直径的研究石文孝 1, 李莉 1, 韩力 2(1. 长春邮电学院 通信工程系 , 吉林 长春 130012;2. 吉林大学 物理系 , 吉林 长春 130023摘要 :在对几种应用 CCD (电荷耦合器件 技术测量 细丝直径方法进行分析的基础上 , 提出 了基于 夫琅和费衍射理论和 巴比涅互补原理的 激光衍射细丝直径 动态测量方 法。该方法具 有测量精度高、速度 快、非接触、使用方便 , 且易与微机联接实现自动

2、化测量等优点。利用 该系统可以实现对直径为 20100 m 的细丝进行相对误差为 1%的动态测量。关键词 :动态测量 ; 激光技术 ; 衍射中图分类号 :T M 930. 11文献标识码 :A在工业生产和科学实验中 , 经常碰到细丝直径的测量问题。传统的测量方法往往采 用非电测量 , 例如细丝称重法、游标卡尺法等。这些方法一方面精度不高 , 另一方面测 量工作强度大。随着生产技术的发展 , 光电技术在工业、商业等国民经济各部门得到广 泛应用 , 细丝直径的测量也不再局限于非电测量。本文介绍一种包括光学、机械、 CCD (电荷耦合器件 技术和计算机等多门技术综合应用的细丝直径测量系统 , 利用该

3、系统可 以实现对直径为 20100 m 的细丝进行相对误差为 1%的动态测量。1方案选择细丝直径的测量 , 目前常采用 CCD 技术与计算机相结合的方法来实现 1。 CCD 是一 种新型的固体成像器件 , 之所以在细丝直径测量中扮演很重要的角色 , 是由于 CCD 光电 传感器具有高分辨率、高灵敏度、自扫描响应速度快、光谱范围大、动态范围大、性能 稳定、 工作可靠、几何失真度小、 抗干扰能力强、 便于计算机处理等优点。应用 CCD 技 术的细丝直径计算机测量系统有平行光成像测量系统、物镜成像法测量系统、激光衍射 法测量系统等。1. 1平行光成像测量系统平行光成像测量系统示意图如图 1所示。当一

4、束平行光透过待测目标投到 CCD 传感器上时 , 由于目标的存在 , 目标所形成的收稿日期 :1999-08-10基金项目 :吉林省科委青年基金项目 (970521: , 男 , , ,图 1平行光成像系统示意图目标CCD 及其驱动电路 计算机 处理系统 阴影将同时投射到 CCD 传感器 上 , 若平行光准直度很理想 , 阴 影的尺寸就代表了待测目标的尺寸 , 因此 , 只要计数系统计算出阴影部分像元个数即输出脉 冲个数 , 其脉冲的个数与像元尺寸的乘积就代表了目标的尺寸。此种测量方法的精度主要取决于平行光的准直程度和 CCD 像元的大小。 平行光源要 做得十分理想是有一定困难的 , 且随准直

5、程度的提高成本增加 , 体积也要加大 , 给安装 使用带来困难。在实际应用中常常通过计算机处理 , 对测量值进行修正 , 以使测量结果 更接近于实际 , 在一定程度上降低了对光源的苛求。 CCD 器件即使采用光敏元个数为 4096, 光敏元线阵有效长度为 28. 6m m 的器件 , 其精度也只能达到±7 m 。 显然利用该 系统无法可靠地测量直径为 20100 m 的细丝。1. 2物镜成像法测量系统物镜成像法测量系统示意图如图 2所示。目标 图 2物镜成像法测量系统物镜 CCD 及其 驱动电路 计算机 处理系统 在前面或背面光照射下 , 被测物经透镜在 CCD 上成像 , 像尺 寸

6、与被测尺寸成正比。设 T为像尺寸 , K 为比例系数 , S 为被测尺寸 , 则 S =K T 。其中 K 表示每个像元所代表的物方尺寸当量 , 它与光学系统的放大倍率、 CCD 工作频率和像元 尺寸等因素有关 ; T 则对应于像尺寸所占的像元数与像元尺寸的乘积。此种测量方法的精度主要取决于光学系统的放大倍率和 CCD 像元尺寸的大小。 当放 大倍率小于 1时 , 系统的测量精度很低 , 通常分辨率在几十微米 ; 当放大倍率大于 1时 (最好放大倍数在 10100之间 , 由于在 CCD 上成像是放大后的细丝 , 因而测量精度得 到大幅度的提高 , 但由于放大后的细丝像边缘模糊 , 从而限制了

7、其测量精度。通常当采 用光敏管个数为 4096、 光敏元线阵有效长度为 28. 6mm 的 CCD 器件时系统的精度在微 米数量级。因此 , 利用该系统也很难实现对直径为 20100 m 的细丝进行相对误差为 1%的测量。2激光衍射法测量系统2. 1激光衍射法测量细丝直径系统构成系统由激光器、 傅氏透镜、 CCD 器件及 CCD 驱动电路、 CCD 输出信号处理电路、 微 型计算机系统构成 , 如图 3所示。 其中激光器 采用 He -Ne 激光 器 , 波长为 0. 6328 m 。 要 求光源强度变化量 小于 5%, 发散角小于 1mr ad 。 衍射图样 接收器采用 4096线阵 LM

8、701对 波长为 0. 6328 m 的光波有峰值响应 , 对 He -Ne 激光恰好有理想的光谱 响应灵敏度。微 机 系统采用 联想 586, 并在扩展槽上插有一 块多功能卡 , 该卡集 A/D 转换器 AD574、 并行接 口 8255、定 时 /计 数器 8253、串行接口 8251、 D/A 转换器 AD7526于 一体。28长 春 邮 电 学 院 学 报第 17卷图 3细丝直径测量系统总体结构框图光学系统 信号接收处理系统 微机处理系统模拟反馈口 声光报警器显 示 器上下限预置 微机CCD 输出信号处理电路 驱动电路 CCD 透镜 钢丝 激光器 激光光源数据长度输入 形化等功能 2,

9、 编制了该系统界面 , 界面使用友好、直观、 方便 ; 利用 Visual C+For Window s 软件 , 还编制了数据采集接口程序及数据处理程序。 通过该程序进行数据长度 设置和细丝线的上下限设置 ; 计算出直径 d , 送显示器 , 超差声光报警 ; 通过 D /A 转换 器将测量结果转换为模拟量送往反馈控制接口。 2. 2激光衍射法测量细丝直径的理论依据根据夫琅和费衍射理论和巴比涅互补原理 , 当细光束照射在细丝上时 , 衍射图样与 同宽度的狭缝所产生的衍射条纹完全相同 3, 所以在实际应用中 , 可以用如下所示的狭缝 衍射公式计算细丝直径d =h ( 1 图 4衍射方波与切割方

10、波其中 =0. 6328 m , 为激光光源波长 ; f 为傅氏透镜焦距 ; h 为各相邻暗条纹中心间距的平均值 ; d 为细丝直径。 测出 h 即可计算出 d 。 可利用硬件和软件两种方法来求 h 。 利用硬件法 需将高分辨线阵 CCD 放置 在傅氏透镜的 后焦面上 , CCD 把细丝衍射条纹的光强分 布转换 成 按时 序分 布的 电压 信号 , 把这一信号经过低通滤波器和放大处理 , 然后利用施密特电路变成方波输出。其衍射方波与切割方波如图 4所示。当以像元 N 为 X 轴 , 以信号电压为 Y 轴时 , 利用时钟脉冲对各方波的宽度进行计数 , 可以得到 N 0,N 1, 2, 3, 4,

11、 , 其中 N 1, N 3, 29第 4期 石文孝 , 等 :激光衍射法测量细丝直径的研究N 5, 取其 1/2, 则有下式成立K h = 2 N 1+N 2+N 3+ +N 2K +2N 2K +1S 0式中 K 为暗点间距的倍数或级数 , S 0为 CCD 像元的中心距 , 相邻两暗点的间距的平均 值 h 为h =2N 1+N 2+N 3+ +N 2K +2N 2K +1 S 0K (2将 h 代入式 (1 , 即可求得细丝直径 d 。·利用软件法 其原理和硬件法一致 , 只不过 h 的测定是通过接口板上的 A /D 转换器将 CCD 输出衍射图象的模拟信号 , 并用程序产生一

12、个虚拟的切割电平来实现的。 本文研制的细丝测试系统采用软件法实现 h 值的测定。2. 3系统测量精度分析根据误差理论 , 对于式 (1 有d =+f+ h对于 He -Ne 激光器 , <10-6,f为系统误差 , 在实际测量过程中 , 可以通过引用标准细丝对系统进行校准 , 从而消除该系统误差。总之 , 对细丝直径进行测量的误差 , 最终取决于h。 h 的测量误差最大为 5个光敏元 , 即 h =7 m ×5= 35 m , K =2, S 0=7m , N =756h =2N 1+N 2+N 3+N 4+2N 502=10. 584mmh =10. 584mm=0. 331

13、% d 0. 331%显然 , 本测量系统的精度很高 , 完全可以满足对直径为 20100 m 的细丝进行相对 误差为 1%的动态测量要求。参考文献 :1袁绍藻 . 采用微机进行数据处理的 CCD 摄像动态测径仪 J. 仪器仪表学报 , 1989, 10(3 :297 303.2史惠康 . V isual C+5. 0实用编程技术 M . 北京 :中 国水利水电出版社 , 1998.3赵凯华 . 光学 (上册 M .北京 :北京大学出版社 , 1984. 5161.30长 春 邮 电 学 院 学 报 第 17卷St udy of fine diamet er m easurmentsusing

14、 laser diffraction methodSHI Wen-x iao 1, LI Li 1, HAN Li 2(1. Dept. of Comm un. Eng. , Ch ang chun Post and T elecom mun. Inst. , Changchun 130012, China;2. Dept. of Ph ysics , Jilin U nivers ity, Changchu n 130023, Ch inaAbstract :Based on analysis for sev er al kinds of fine w ire diameter measur

15、ement using CCD (Charg e Couple Device technique, according to Frauho fer diffr actio n theo ry and Babinet principle, a method of fine diam eter dynamic measurement by use of laser diffr actio n technique is presented . T he sy stem has advantages of quick and non -co ntact measurement , hig her me

16、asuring accuracy and co nv enient o peratio n , and is easy to co n-nect with co mputer to make automatic m easur em ent. Relative measurem ent error o f 1%fo r 20100 m fine w ire diam eter is achieved.Key words :Dy namic measurm ent; Laser techniques; Diffraction(上接第 26页 A general laser m easuring

17、instrumentWANG Hong -y u(Dept. of M anagement Eng. , C han gchu n Post and T elecommun. Ins t. , C han gchu n 130012, Ch inaAbstract :The proposed g eneral laser m easur ing instrument can detect dim ensions o f w ork piece and to lerance w ith non-co ntacting mode. T he instr ument can be either used as a general o ptoelectronic m easur em ent device or constructed w ithin a multiple func-tio nal measurem ent m achine w ith fl