激光衍射法測量細(xì)絲直徑的研究

1、1999年 第 17卷 第 4期長 春 郵 電 學(xué) 院 學(xué) 報(bào) 1999 V ol. 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

2、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%的動態(tài)測量。關(guān)鍵詞 :動態(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

3、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)算機(jī)相結(jié)合的方法來實(shí)現(xiàn) 1。 CCD 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

4、束平行光透過待測目標(biāo)投到 CCD 傳感器上時 , 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 , , ,圖 1平行光成像系統(tǒng)示意圖目標(biāo)CCD 及其驅(qū)動電路 計(jì)算機(jī) 處理系統(tǒng) 陰影將同時投射到 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數(shù)即輸出脈 沖個數(shù) , 其脈沖的個數(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

5、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數(shù)為 4096, 光敏元線陣有效長度為 28. 6m m 的器件 , 其精度也只能達(dá)到±7 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

6、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。 當(dāng)放 大倍率小于 1時 , 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 (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

7、其測量精度。通常當(dāng)采 用光敏管個數(shù)為 4096、 光敏元線陣有效長度為 28. 6mm 的 CCD 器件時系統(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

8、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 /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)動電路 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,

9、 編制了該系統(tǒng)界面 , 界面使用友好、直觀、 方便 ; 利用 Visual C+For Window 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 , 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 ( 1 圖 4衍射方波與切割方

10、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 。 可利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 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 Y 軸時 , 利用時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,

11、 , 其中 N 1, N 3, 29第 4期 石文孝 , 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

12、個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 =+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。總之 , 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%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 攝像動態(tài)測徑儀 J. 儀器儀表學(xué)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 :中 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 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頁 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