激光衍射法測量細(xì)絲直徑的研究講解

1、1999年第17卷第4期長春郵電學(xué)院學(xué)報(bào)1999 Vol. 17 N o. 4文章編號：1000-1794(1999 04-0027-05激光衍射法測量細(xì)絲直徑的研究石文孝1,李莉1,韓力2（1.長春郵電學(xué)院 通信工程系,吉林長春 130012;2.吉林大學(xué)物理系,吉林長春130023摘要：在對幾種應(yīng)用CCD （電荷耦合器件技術(shù)測量細(xì)絲直徑方法進(jìn)行分析的基 礎(chǔ)上，提出了基于夫瑯和費(fèi)衍射理論和巴比涅互補(bǔ)原理的激光衍射細(xì)絲直徑動(dòng)態(tài) 測量方法。該方法具有測量精度高、速度快、非接觸、使用方便，且易與微機(jī)聯(lián) 接實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測量等優(yōu)點(diǎn)。利用 該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對直徑為20100 m的細(xì)絲進(jìn)行相 對誤差為1%的動(dòng)

2、態(tài)測量。關(guān)鍵詞：動(dòng)態(tài)測量；激光技術(shù)；衍射中圖分類號:T M 930. 11文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，經(jīng)常碰到細(xì)絲直徑的測量問題。傳統(tǒng)的測量方法往 往采用非電測量，例如細(xì)絲稱重法、游標(biāo)卡尺法等。這些方法一方面精度不高，另一方面測 量工作強(qiáng)度大。隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，光電技術(shù)在工業(yè)、商業(yè)等國民經(jīng)濟(jì) 各部門得到廣 泛應(yīng)用，細(xì)絲直徑的測量也不再局限于非電測量。本文介紹一種包括 光學(xué)、機(jī)械、CCD （電荷耦合器件 技術(shù)和計(jì)算機(jī)等多門技術(shù)綜合應(yīng)用的細(xì)絲直徑 測量系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)可 以實(shí)現(xiàn)對直徑為20100 m的細(xì)絲進(jìn)行相對誤差為1%的 動(dòng)態(tài)測量。1方案選擇細(xì)絲直徑的測量，目前常采用CCD技術(shù)與計(jì)

3、算機(jī)相結(jié)合的方法來實(shí)現(xiàn)1CCD是一種新型的固體成像器件,之所以在細(xì)絲直徑測量中扮演很重要的角色 , 是由于CCD光電傳感器具有高分辨率、高靈敏度、自掃描響應(yīng)速度快、光譜范圍 大、動(dòng)態(tài)范圍大、性能 穩(wěn)定、工作可靠、幾何失真度小、抗干擾能力強(qiáng)、便于計(jì)算機(jī)處理等優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用CCD技術(shù)的細(xì)絲直徑計(jì)算機(jī)測量系統(tǒng)有平行光成像測量系 統(tǒng)、物鏡成像法測量系統(tǒng)、激光衍射 法測量系統(tǒng)等。1. 1平行光成像測量系統(tǒng)平行光成像測量系統(tǒng)示意圖如圖1所示。當(dāng)一束平行光透過待測目標(biāo)投到 CCD傳感器上時(shí)，由于目標(biāo)的存在，目標(biāo)所 形成的收稿日期:1999-08-10基金項(xiàng)目：吉林省科委青年基金項(xiàng)目（970521： 男 J 丿

4、J J J J圖1平行光成像系統(tǒng)示意圖目標(biāo)CCD及其驅(qū)動(dòng)電路計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)陰影將同時(shí)投射到CCD傳感器上，若平行光準(zhǔn)直 度很理想，陰影的尺寸就代表了待測目標(biāo)的尺寸，因此，只要計(jì)數(shù)系統(tǒng)計(jì)算出陰影部分像元個(gè)數(shù)即輸出脈沖個(gè)數(shù)，其脈沖的個(gè)數(shù)與像元尺寸的乘積就代表 了目標(biāo)的尺寸此種測量方法的精度主要取決于平行光的準(zhǔn)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難的，且隨準(zhǔn)直程度的提高成本增加，體積也要加 大，給安裝 使用帶來困難。在實(shí)際應(yīng)用中常常通過計(jì)算機(jī)處理 ，對測量值進(jìn)行修正 以使測量結(jié)果 更接近于實(shí)際，在一定程度上降低了對光源的苛求。 CCD器件即使 采用光敏元個(gè)數(shù)為4096,光敏

5、元線陣有效長度為28. 6m m的器件,其精度也只能達(dá) 到方m。顯然利用該 系統(tǒng)無法可靠地測量直徑為 20100 m的細(xì)絲。1.2物鏡成像法測量系統(tǒng)物鏡成像法測量系統(tǒng)示意圖如圖2所示。目標(biāo)圖2物鏡成像法測量系統(tǒng)物鏡CCD及其驅(qū)動(dòng)電路計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)在前面或背面光照射下，被測物經(jīng)透鏡在CCD上成像，像尺寸與被測尺寸成正比。設(shè)T為像尺寸，K為比例系數(shù)，S為被測尺寸，則S =K T。其中K表示每個(gè)像元所代表的物方尺寸當(dāng)量，它與光 學(xué)系統(tǒng)的放大倍率、CCD工作頻率和像元 尺寸等因素有關(guān)；T則對應(yīng)于像尺寸所 占的像元數(shù)與像元尺寸的乘積。此種測量方法的精度主要取決于光學(xué)系統(tǒng)的放大倍率和CCD像元尺寸的大小。

6、當(dāng)放大倍率小于1時(shí)，系統(tǒng)的測量精度很低，通常分辨率在幾十微米；當(dāng)放大 倍率大于1時(shí)（最好放大倍數(shù)在10100之間，由于在CCD上成像是放大后的細(xì)絲 因而測量精度得 到大幅度的提高，但由于放大后的細(xì)絲像邊緣模糊，從而限制了其 測量精度。通常當(dāng)采 用光敏管個(gè)數(shù)為4096、光敏元線陣有效長度為28. 6mm的 CCD器件時(shí)系統(tǒng)的精度在微 米數(shù)量級。因此，利用該系統(tǒng)也很難實(shí)現(xiàn)對直徑為 20100 m的細(xì)絲進(jìn)行相對誤差為1%的測量。2激光衍射法測量系統(tǒng)2. 1激光衍射法測量細(xì)絲直徑系統(tǒng)構(gòu)成系統(tǒng)由激光器、傅氏透鏡、CCD器件及CCD驅(qū)動(dòng)電路、CCD輸出信號處理 電路、微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成，如圖3所示。其中激

7、光器 采用He -Ne激光器，波 長為0. 6328 m。要求光源強(qiáng)度變化量 小于5%,發(fā)散角小于1mr ad。衍射圖樣 接收器采用4096線陣LM 701對波長為0. 6328 m的光波有峰值響應(yīng)，對He -Ne 激光恰好有理想的光譜 響應(yīng)靈敏度。微機(jī)系統(tǒng)采用聯(lián)想586,并在擴(kuò)展槽上插有 一塊多功能卡，該卡集A/D轉(zhuǎn)換器AD574、并行接口 8255、定時(shí)/計(jì)數(shù)器 8253、串行接口 8251、D/A轉(zhuǎn)換器AD7526于一體。28長春郵電學(xué)院學(xué)報(bào)第17卷圖3細(xì)絲直徑測量系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖光學(xué)系統(tǒng)信號接收處理系統(tǒng)微機(jī)處理系統(tǒng)模擬反饋口聲光報(bào)警器顯示器上下限預(yù)置微機(jī)CCD輸出信號處理電路 驅(qū)動(dòng)電路

8、CCD透鏡鋼絲 激光器激光光源數(shù)據(jù)長度輸入形化等功能2,編制了該系統(tǒng)界面,界面使用友好、直觀、 方便；利用Visual C+ForWindow s軟件,還編制了數(shù)據(jù)采集接口程序及數(shù)據(jù)處理程序。 通過該程序進(jìn)行數(shù) 據(jù)長度 設(shè)置和細(xì)絲線的上下限設(shè)置；計(jì)算出直徑d ,送顯示器，超差聲光報(bào)警；通 過D /A轉(zhuǎn)換器將測量結(jié)果轉(zhuǎn)換為模擬量送往反饋控制接口。2. 2激光衍射法測量細(xì)絲直徑的理論依據(jù)根據(jù)夫瑯和費(fèi)衍射理論和巴比涅互補(bǔ)原理 ，當(dāng)細(xì)光束照射在細(xì)絲上時(shí)，衍射圖 樣與同寬度的狹縫所產(chǎn)生的衍射條紋完全相同 3,所以在實(shí)際應(yīng)用中，可以用如下 所示的狹縫衍射公式計(jì)算細(xì)絲直徑d =h (Al*neovoll映測

9、AL-tdEttiEEltfBudiBL1圖4衍射方波與切割方波其中=0. 6328 m ,為激光光源波長；f為傅氏透鏡焦距；h為各相鄰暗條紋中心間距的平均值；d為細(xì)絲直徑。測出h即可計(jì)算出d?？衫?用硬件和軟件兩種方法來求h。?利用硬件法需將高分辨線陣CCD放置在傅氏透鏡的后焦面上,CCD把細(xì)絲衍射條紋的光強(qiáng)分布轉(zhuǎn)換成按時(shí)序分布的電壓信號,把這一信號經(jīng)過低通濾波器和放大處理，然后利用施密特電路變成方波輸出。其衍射方波與切割方波如圖4所示。當(dāng)以像元N為X軸，以信號電壓為丫軸時(shí)，利用時(shí)鐘脈沖對各方波的寬度進(jìn)行計(jì)數(shù)，可以得到N 0,N 1,2, 3, 4,其中 N 1, N 3, 29第4期石文孝

10、，等：激光衍射法測量細(xì)絲直徑的研究N 5,取其1/2,則有下式成立K h = 2 N 1+N 2+N 3+N 2K +2N 2K +1S 0式中K為暗點(diǎn)間距的倍數(shù)或級數(shù),S 0為CCD像元的中心距,相鄰兩暗點(diǎn)的間 距的平均值h為h =2N 1+N 2+N 3+ +N 2K +2N 2K +1 S 0K （2將h代入式（1 ,即可求得細(xì)絲直徑d。利用軟件法其原理和硬件法一致，只不過h的測定是通過接口板上的 A /D轉(zhuǎn)換器將CCD輸出衍射圖象的模擬信號，并用程序產(chǎn)生一個(gè)虛擬的切割電平來實(shí) 現(xiàn)的。本文研制的細(xì)絲測試系統(tǒng)采用軟件法實(shí)現(xiàn) h值的測定。2. 3系統(tǒng)測量精度分析根據(jù)誤差理論，對于式（1有d

11、=+f+ h對于He -Ne激光器,10-6,f為系統(tǒng)誤差，在實(shí)際測量過程中，可以通過引用標(biāo)準(zhǔn)細(xì)絲對系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，從 而消除該系統(tǒng)誤差?？傊?，對細(xì)絲直徑進(jìn)行測量的誤差，最終取決于h。h的測量誤差最大為 5個(gè)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% d0. 331%顯然，本測量系統(tǒng)的精度很高，完全可以滿足對直徑為20100 m的細(xì)絲 進(jìn)行相對誤差為1%的動(dòng)態(tài)測量要求。參考文獻(xiàn)：1 袁紹藻采用微機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的CCD攝像動(dòng)態(tài)測徑儀J.儀器儀表學(xué)

12、報(bào) 1989, 10(3 :297 303.2 史惠康.V isual C+5. 0實(shí)用編程技術(shù)M .北京 沖國水利水電出版社，1998.3 趙凱華.光學(xué)(上冊M .北京:北京大學(xué)出版社,1984. 5161.30長春郵電學(xué)院學(xué)報(bào)第17卷St udy of fine diamet er m easurme ntsusing laser diffract ion methodSHI Wen-x iao 1, LI Li 1, HAN Li 2(1. Dept. of Comm un. En g. , Ch ang chu n Post and T elecom mun. In st., Chan

13、 gchun 130012, Chin a;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 measurement using CCD (Charg e Couple Device technique, according to Frauho fer diffr actio n theo ry and Bab inet prin ciple, a method of

14、fine diam eter dyn amic measureme nt by use of laser diffr actio n tech nique is prese nted . T he sy stem has adva ntages of quick and non - co n tact measureme nt , hig her measuri ng 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.

15、Relative measurem ent error o f 1%fo r 20100 m fine w ire diam eter is achieved.Key words :Dy n amic measurm ent; Laser tech niq ues; Diffractio n(上接第26頁A gen eral laser m easuri ng in strume ntWANG Hong -y u(Dept. of M an ageme nt En g. , C han gchu n Post and T elecom mun. Ins t. , C han gchu n 13

16、0012, Ch inaAbstract :The proposed g en eral laser m easur ing in strume nt can detect dim ensions o f w ork piece and to lera nce w ith non-co n tacti ng mode. T he in str ume nt 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 flex ibility if it is tog