動態(tài)激光衍射法測量細絲直徑

1、第 26卷 第 4期2006年 4月 物 理 實 驗 P H YSICS EXPERIM EN TA TION Vol. 26 No. 4 Apr. ,2006 “ 全國高等學校第七屆演示實驗教學研討會” 論文 收稿日期 :2005208208 作者簡介 :韓 力 (1962- , 男 , 吉林長春人 , 吉林大學物理學院副教授 , 碩士 , 研究方向為激光技術應用 、 非線性光學.動態(tài)激光衍射法測量細絲直徑韓 力 1, 盧 杰 1, 李 莉 2(1. 吉林大學 物理學院 , 吉林 長春 130021; 2. 吉林大學 通信工程學院 , 吉林 長春 130023 摘 要 :基于夫瑯禾費衍射理論

2、和巴比涅互補原理 , 提出了利用激光衍射對細絲直徑進行動態(tài)測量的方法 . 該方法 具有測量精度高 、 速度快 、 非接觸 、 使用方便且易于微機聯(lián)接實現(xiàn)自動化測量等優(yōu)點 .關鍵詞 :細絲直徑 ; 動態(tài)測量 ; 激光衍射 ;CCD 器件中圖分類號 :O436.1 文獻標識碼 :A 文章編號 :100524642(2006 04200392021 引 言在工業(yè)生產(chǎn)和科學實驗中 , 經(jīng)常碰到尺寸小于 1mm 的細絲直徑的測量問題 . 傳統(tǒng)的測量方 法通常有 2種 :一種是細絲稱重法 , 度的細絲的重量后 , 柱體 , ; 另 . 前一種方法是 間接測量細絲直徑的方法 , 不僅花費時間多 、 精度 不

3、高 , 而且不能測量細絲某一截面的直徑 . 后一 種方法勞動強度大 , 熟練程度要求高 , 往往卡斷細 絲 , 且測量誤差大 . 本文提供了一種利用激光衍 射和 CCD 成像測量細絲直徑的方法 , 該方法具有 測量精度高 、 速度快 、 非接觸 、 使用方便且易于微 機聯(lián)接實現(xiàn)自動化測量等優(yōu)點 , 在保證產(chǎn)品質(zhì)量 的同時 , 可以提高勞動生產(chǎn)效率 .2 細絲直徑的測量公式根據(jù)夫瑯禾費衍射理論和巴比涅互補原理 , 當細光束照射在細絲上時 , 衍射圖樣與同寬度的狹縫所產(chǎn)生的衍射條紋完全相同 1, 所以在實際 應用中 , 可以用狹縫衍射公式計算細絲直徑 2:d =h. (1其中 :為激光光源波長 ,

4、 取 =0. 6328m ; 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 為細絲直徑 . 測出 h 即可計算出細絲直徑 d.3. 系統(tǒng)由激光器 、 傅氏 透鏡 、 CCD 器件及 CCD 驅(qū)動電路 、 CCD 輸出信號 處理電路 、 微型計算機系統(tǒng)構成 . 其中 , 激光器采 用 He 2Ne 激光器 , 波長為 0. 6328m. 要求光源 強度變化量小于 5%, 發(fā)散角小于 1×10-3rad. 衍射圖樣接收器采用的 CCD 具有 4096線陣 L M701, 對 0. 6328m 波長的 He 2Ne 激光有理 想的光譜響應靈敏度 . 在微機的擴展槽

5、上插有多 功能卡 , 該卡集 A/D 轉(zhuǎn)換器 AD574、 并行接口 8255、 定時 /計數(shù)器 8253、 串行接口 8251、 D/A 轉(zhuǎn) 換器 AD7526于一體.圖 1 細絲直徑測量系統(tǒng)總體結構框圖 2 系統(tǒng)軟件 利用 Visual C +軟件的可視化 、 模塊化 、 圖形化等 功 能 3, 編 制 了 該 系 統(tǒng) 界 面 , 并 且 利 用Visual C +軟件編制了數(shù)據(jù)采集接口程序及數(shù)據(jù)處理程序 . 通過該程序進行數(shù)據(jù)長度的設置 、細絲線的上下限的設置 ; 計算出直徑 d , 送顯示器 , 超差聲光報警 , 通過 D/A 轉(zhuǎn)換器將測量結果轉(zhuǎn)換為模擬量送往反饋控制接口 .4 h 值

6、的測定將高分辨線陣 CCD 放在傅氏透鏡的后焦面上 ,CCD 把細絲衍射條紋的光強分布轉(zhuǎn)換成按時序分布的電壓信號 , 把該信號經(jīng)低通濾波和放大處理 , 再利用施密特電路變成方波輸出 , 見圖 2.圖 2 衍射方波與切割方波當以像素 N 為 x 軸 , 以信號電壓為 y 軸時 ,利用時鐘脈沖對各方波的寬度進行計數(shù) , 可以得到 N 0, N 1, N 2, , 其中 N 1, N 3, N 5, 為各級暗條紋寬度的計數(shù)值 , 取其 1/2作為暗條紋寬度的中點值 , 相鄰兩暗點的間距的平均值 h 為 :h =2N 1+N 2+ +N 2k +2N 2k +1M.式中 :M 為暗點間距的倍數(shù)或級數(shù)

7、, S 0為 CCD 像元的中心距 . 將 h 代入 (1 式 , 即可求得細絲直徑d.5 光學系統(tǒng)參量標定與測量精度分析光學系統(tǒng)對 CCD 的成像質(zhì)量有著重要的意義 . 通常 CCD 系統(tǒng)對光學系統(tǒng)的基本要求是 :成像清晰 、 透光力強 、 雜散光少 、 像面照度分布均勻 、圖像幾何畸變小 , 足夠的相對孔距 、 焦距 、 光圈可調(diào)等 . CCD 系統(tǒng)參量換算關系如表 1所示 .表 1 CCD 系統(tǒng)參量換算關系CCD 系統(tǒng)參量 換算關系物放大率 有效視場 /陣列有效長度 物放大率 物體尺寸 /物像元數(shù)物分辨率 物體尺寸 /像元數(shù)物分辨率 有效視場 /像元數(shù)物分辨率 像元尺寸 ×物放

8、大率 陣列有效長度 像元數(shù) ×像元尺寸像元數(shù) 物體尺寸 /分辨率有效視場 物放大率 ×陣列有效長度 像元數(shù) 有效視場 /物分辨率物體尺寸 像元數(shù) ×物分辨率當系統(tǒng)的工作距離確定后 , 需先對系統(tǒng)進行 標定 . 標定的方法是 :先把已知尺寸為 L p 的標準 模塊放在被測目標位置 , 然后通過計數(shù)脈沖得到 N p , 從 K = L N , K 值表示 1 . 然后 L x 置于該位置 , 測出對應的脈沖 計數(shù) N x , 由 L x =K N x 可以算出 L x 值 .通?？梢园?K 值存入計算機中 , 在對目標進 行連續(xù)測量時 , 可隨時通過軟件計算出目標的實

9、 際尺寸 . 根據(jù)系統(tǒng)誤差的修正理論 , 由 (1 式可知 d與, f , h有關 , 對于 He 2Ne 激光 器 , <10-6, 可忽略不計 . 在實際測量過程中 ,f的誤差可通過引用標準細絲對系統(tǒng)進行 校準達到小于 10-3, 所以細絲直徑測量的系統(tǒng)誤差主要取決于h的大小 . h 的測量誤差最大為 5個光敏元 , 即 h =7m ×5=35m . 當 M =2,S 0=7m , N =756, h =10. 584mm ,h = 0. 331%,d 0. 3%, 顯然 , 本測量系統(tǒng)的精度 很高 , 可以滿足一般測量要求 .參考文獻 :1 袁紹藻 . 采用微機進行數(shù)據(jù)處

10、理的 CCD 攝像動態(tài) 測徑儀 J.儀器儀表學報 ,1989,10(3 :297303. 2 史惠康 . Visual C +5. 0實用編程技術 M .北 京 :中國水利水電出版社 ,1998.(下轉(zhuǎn)第 43頁 04 物 理 實 驗 第 26卷 方形端面尼科耳棱鏡和哈特納克 2普拉斯莫 斯基倒尼科耳棱鏡中 , 光束垂直于入射端面 ,e 光波不發(fā)生折射并且由于此時 =90°, 所以不能直 接應用 (10 式 . 假定棱鏡的底邊長為 L , 則方形 端面尼科耳棱鏡和哈特納克 2普拉斯莫斯基倒尼 科耳棱鏡中的光束平移公式為 :d =L tan .(11 對于 =589nm 的入射光 ,

11、光束平移量分別為 0. 081L 和 0. 056L .4 結 論尼科耳棱鏡透射光束的平移是由 e 光波在棱鏡中的折射和晶體中 e 光線相對于 e 光波的離散 角共同作用產(chǎn)生的 ; 其光束平移量與棱鏡中晶體 光軸的取向 、 棱鏡的結構以及通光孔徑有關 . 當 通光孔徑一定時 , 常規(guī)尼科耳棱鏡產(chǎn)生的光束平 移約為通光孔徑的 0. 107倍 ; 小的是阿倫斯尼科耳棱鏡 , 而湯普遜倒尼科耳棱 鏡最大 . 若從節(jié)約材料和光束平移量評價眾多的 尼科耳棱鏡 , 當數(shù)斯蒂格和羅特縮短的尼科耳棱 鏡最佳 .參考文獻 :1 李景鎮(zhèn) . 光學手冊 M .西安 :陜西科學技術出版社 ,1986. 502,521

12、525.2 朱伯榮 . 再談尼科耳棱鏡中 e 光的傳播 J.大學物理 ,1996,15(5 :1819.3 劉德元 , 呂捷 . 尼科耳棱鏡中 e 光的傳播 J.大學物理 ,1995,14(1 :40.4 李國華 . 光學 M .濟南 :山東教育出版社 ,1990.11.5 趙凱華 , 鐘錫華 . 光學 (M .北京 :科學出版社 6, . M .北京 :科學出版light in Nicol prismBin , WU Fu 2quan , HAO Dian 2zhong , ZHAN G Xu(Laser Research Instit ute , Quf u Normal Universi

13、ty , Quf u 273165, China Abstract :Based on Huygens principle , t he t ranslation of t ransmission light relative to incidentlight is analyzed in t heory as t he incident light parallels to t he normal Nicol p rism s long side , accord 2ing to t he p ropagation characteristics of e light in crystals

14、. The beam t ranslation of six species of im 2proved Nicol prism are calculated. The result s indicate t hat for t he same apert ure of t he prism , Ah 2rens Nicol p rism has t he least beam t ranslation , and Thompason inversed Nicol prism has t he biggest beam translation.K ey w ords :Nicol prism

15、; beam t ranslation ; Huygens p rinciple(上接第 40頁 Dynamic measurement of diameter by laser diffractionHAN Li 1, L U Jie 1, L I Li 2(1. College of Physics , Jilin U niversity , Changchun 130021, China ;2. School of Communication Engineering , Jilin U niversity , Changchun 130023, China Abstract :Based on t he t heory of Fraunhofer diffraction and Babinet principle , a met hod is pro 2posed for dynamically measuring fine 2wire diameter using laser diff raction. The met hod has t he advan 2tages of high