光電儀器激光測徑 2(共12頁)

1、西安工業(yè)(gngy)大學(xué)北方信息工程學(xué)院課程設(shè)計題目(tm)：細(xì)絲(x s)直徑測量儀系 別： 光電信息系 專 業(yè)： 光電信息工程 班 級： B100106 學(xué) 生： 彭牡丹 學(xué) 號： B10010642 任課教師： 李媛 2013年11月 （光電儀器(yq)設(shè)計課程設(shè)計任務(wù)書一、題目(tm)：細(xì)絲直徑測試儀該儀器是用于對細(xì)銅絲直徑的尺寸參數(shù)進(jìn)行測量(cling)的一種測試儀器。二、技術(shù)要求方法：非接觸式測量銅絲直徑：10.01mm測量精度：1%；測量狀態(tài)：在線測量；超出銅絲直徑公差要有報警功能。三、設(shè)計任務(wù)對該儀器進(jìn)行總體設(shè)計，具體內(nèi)容如下：設(shè)計任務(wù)分析；方案論證；系統(tǒng)設(shè)計（含局部單元設(shè)計）

2、；精度估算。四、設(shè)計要求1.設(shè)計說明書一份(不少于5000字)；2.時間：2013年10月26日2013年11月5日2013年11月5日下午答辯交論文；3.參考文獻(xiàn)：自定 目 錄TOC o 1-4 h u HYPERLINK l _Toc27306 （光電儀器(yq)設(shè)計課程設(shè)計任務(wù)書 PAGEREF _Toc27306 2 HYPERLINK l _Toc26246 一、題目(tm)：細(xì)絲直徑測試儀 PAGEREF _Toc26246 2 HYPERLINK l _Toc3931 二、技術(shù)(jsh)要求 PAGEREF _Toc3931 2 HYPERLINK l _Toc3091 三、設(shè)計

3、任務(wù) PAGEREF _Toc3091 2 HYPERLINK l _Toc2804 四、設(shè)計要求 PAGEREF _Toc2804 2 HYPERLINK l _Toc24353 目 錄 PAGEREF _Toc24353 3 HYPERLINK l _Toc8287 摘 要 PAGEREF _Toc8287 3 HYPERLINK l _Toc21190 第一章 引言 PAGEREF _Toc21190 4 HYPERLINK l _Toc2783 第二章 測量原理與方案論證 PAGEREF _Toc2783 6 HYPERLINK l _Toc8091 2.1 衍射測徑原理 PAGERE

4、F _Toc8091 6 HYPERLINK l _Toc27012 2.2衍射法測量效果及結(jié)論 PAGEREF _Toc27012 7 HYPERLINK l _Toc30176 2.3光電轉(zhuǎn)換器前狹縫寬度與測量步長的選取 PAGEREF _Toc30176 8 HYPERLINK l _Toc19257 第三章 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計 PAGEREF _Toc19257 8 HYPERLINK l _Toc29143 3.1 夫瑯和費衍射測量細(xì)絲直徑的系統(tǒng)原理圖 PAGEREF _Toc29143 8 HYPERLINK l _Toc2095 3.2實驗裝置 PAGEREF _Toc2095 9 H

5、YPERLINK l _Toc27648 第四章 誤差分析 PAGEREF _Toc27648 10 HYPERLINK l _Toc15284 4.1 工作距離f的標(biāo)定及其精度分析 PAGEREF _Toc15284 10 HYPERLINK l _Toc19474 4.2 夫瑯和費衍射法測細(xì)絲直徑誤差分析 PAGEREF _Toc19474 10 HYPERLINK l _Toc2489 4.3光學(xué)誤差 PAGEREF _Toc2489 10 HYPERLINK l _Toc31978 4.4其它誤差 PAGEREF _Toc31978 11 HYPERLINK l _Toc30102 第

6、五章 結(jié) 論 PAGEREF _Toc30102 11 HYPERLINK l _Toc20679 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc20679 11摘 要利用激光衍射的方法對細(xì)絲直徑進(jìn)行測量，并提出了基于夫瑯和費衍射理論和巴比涅互補原理的激光衍射細(xì)絲直徑動態(tài)測量方法。推導(dǎo)出細(xì)絲直徑的表達(dá)式，設(shè)計了用激光衍射法測細(xì)絲直徑的實驗，通過與其他傳統(tǒng)方法比較，對于直徑越小的細(xì)絲，此方法具有測量精度高、非接觸、無損傷的優(yōu)點。利用該系統(tǒng)可以實現(xiàn)對直徑為20100Lm的細(xì)絲進(jìn)行相對誤差為1%的動態(tài)測量。關(guān)鍵詞：激光衍射測量 巴比涅互補原理 夫瑯和費衍第一章 引言(ynyn)在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)實驗中,經(jīng)常碰到細(xì)

7、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。一般的光學(xué)測量細(xì)絲直徑的方法有：光學(xué)成像法、光學(xué)顯微鏡法等，如果采用一般的光學(xué)儀器測量，由于光的衍射現(xiàn)象，所以被測細(xì)絲越細(xì)，測量誤差就越大。而采用光學(xué)衍射測量法則可以達(dá)到精度高、速度快、非接觸、無損傷、容易實現(xiàn)動態(tài)測量。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(chn pn zh lin)的同時，可以提高勞動生產(chǎn)效率。因此，用光學(xué)衍射法測量細(xì)絲直

8、徑不失為一種有效的方法，且此測量方法在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)實驗中有重大意義、易于推廣應(yīng)用。 1.1 研究背景(bijng)和意義絲直徑的測量一直是測量界不斷研究的課題。從接觸式測量到非接觸式測量、從機械式測量到機-電轉(zhuǎn)換自動測量,細(xì)絲直徑測量技術(shù)的實用性及精度不斷提高。由于在很多情況下檢測的對象為非剛性細(xì)絲,所以細(xì)絲的非接觸式測量技術(shù)使用得更為廣泛。線材直徑的在線測量是普遍的生產(chǎn)需求,例如金屬導(dǎo)線的測量,紡織線、塑料線的測量等。目前線材直徑的測量有光電能量法1、激光束掃描法2_4、激光衍射法5、投影成像法6_7等。各種方法都有各自的適用范圍和優(yōu)缺點。光電能量法受光源和探測器飄移影響大。激光束掃描法適

9、用于直徑大于1 mm的線材。衍射法適用于直徑小于0.1 mm的線材(如光纖)。對于尺寸很小（10500um）的各種細(xì)絲、狹縫、微小位移、微小孔等的測量，直接采用幾何光學(xué)放大成像法或接觸式測量儀器已無法滿足高精度的測量要求。原因：（1）若采用光學(xué)放大成像法，由于被測尺寸很小，光的衍射效應(yīng)加劇，導(dǎo)致測量誤差增大。（2）若采用各種接觸式測量法，由于接觸應(yīng)力將使得被測件產(chǎn)生變形，從而產(chǎn)生較大的測量誤差。本項研究旨在解決此類微小尺寸的非接觸、高精度的動態(tài)測量問題。本文介紹一種包括光學(xué)、機械、CCD(電荷耦合器件)技術(shù)和計算機等多門技術(shù)綜合應(yīng)用的細(xì)絲直徑測量系統(tǒng),利用該系統(tǒng)可以實現(xiàn)對直徑為20100m的細(xì)

10、絲進(jìn)行相對誤差為1%的動態(tài)測量。 1.2國內(nèi)發(fā)展(fzhn)現(xiàn)狀國外發(fā)展(fzhn)：社會的進(jìn)步(jnb)重要體現(xiàn)就是科技的進(jìn)步，科技進(jìn)步主要體現(xiàn)使用勞動工具的進(jìn)步。從18世紀(jì)工業(yè)革命以來，科學(xué)技術(shù)以前所未有的速度在突飛猛進(jìn)的發(fā)展，特別是近50年來，隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)和加工技術(shù)的發(fā)展，對于加工零件的檢測速度與精度有了更高 的 要求，向 著 高 速 度、高 精 度、非 接 觸 和在線檢測方向發(fā)展。為此，工業(yè)發(fā)達(dá)國家對于檢測儀器與設(shè)備速度與精度一直作為檢測儀器的主要指標(biāo)。英國Beta AS3系列全新的激光測徑儀：LD1040-S(單向直徑測量儀)、LD1040XY-S(雙 向直徑測量)測 量 范 圍

11、最 廣，單 向 測 儀 最 大 可 測 直 徑 達(dá) 330.3mm測徑儀最大可測直徑值達(dá)100mm，測 精 度 最 高，最 高 測 量 精 度 可 達(dá) 0.1m，。日本生產(chǎn)的 LS-7000 系 列 高 速 、高 精 度 CCD 測量 儀 器，如：LS-7030M（配備測量攝影機）測量范圍：0.3mm30mm，測 量 精 度：2m，ETD-05系列激光測徑儀是一種基于激光掃描測量原理而設(shè)計的高精度非接觸式的外徑測量設(shè)備，儀器采用二維測量模式，有效消除工件振動造成的測量誤差，特別適合生產(chǎn)現(xiàn)場的實時測量，適用于通信電纜、光纜、同軸電纜、漆包線、PVC管、銅管、纖維線等圓形線材的在線監(jiān)測，也可用于其

12、它各種圓形工作的外側(cè)量。 國內(nèi)發(fā)展：上海共久電氣有限公司，該公司于 八十年代末與電子工業(yè)部23研究所，安徽大學(xué)，為國內(nèi)光纖光纜生產(chǎn)開發(fā)了激光外徑測量儀，該產(chǎn)品是國內(nèi)最早鑒定，最先走上實用的機型。九十年代初為了克服當(dāng)時激光器價格昂貴的缺點，利用鹵素?zé)糇鞴庠撮_發(fā)了第二代外徑測量儀，并大量應(yīng)用于光纖線纜行業(yè)。第三代全數(shù)字式激光測徑儀于2000年推向市場，不僅應(yīng)用于光纖光纜、電線電纜行業(yè)而且拓展到卷煙、鋁塑管、漆包線、金屬棒、玻璃管、大型管道等行業(yè)。該公司激光測徑儀性能穩(wěn)定，技術(shù)水平處于國內(nèi)領(lǐng)先。輝煌測控公司的前身是四川教學(xué)儀器廠，與成都電子科大教授合作開發(fā)了激光測徑儀，90年代末教學(xué)儀器廠被輝煌集團(tuán)

13、收購，更名為輝煌測控設(shè)備有限公司，其測徑儀得到了總集團(tuán)的大力支持，引進(jìn)人才而得到長促發(fā)展，于2000年以掃描方式開發(fā)細(xì)絲測量儀和大值徑測量儀，于2004年開發(fā)透明物體測量儀，于2006年開發(fā)國內(nèi)第一臺真正意義上的全手持激光測徑儀，此后限于掃描方式的技術(shù)原理已經(jīng)達(dá)到一定極限。如果要提高已經(jīng)達(dá)到了極限，所以高層高瞻遠(yuǎn)矚從德國KJM公司花巨資購買新產(chǎn)品和新技術(shù)，其中包括模具內(nèi)孔測量儀、專用于超細(xì)線的CCD衍射測徑儀、等，在市場引起廣泛關(guān)注。AMG公司開發(fā)設(shè)計人員在此行業(yè)具有15年的從業(yè)歷史，是一家專業(yè)從事研發(fā)、生產(chǎn)激光掃描直徑測量儀、漆包線、超細(xì)線激光掃描直徑測量儀等在線檢測儀器、儀表的高科技企業(yè)，

14、雖然公司歷史只有短短的幾年，但由于產(chǎn)品設(shè)計技術(shù)起點較高，因此，短短時間就在行業(yè)內(nèi)有了一定知名度，并有了廣泛的客戶基礎(chǔ)，為測徑儀行業(yè)競爭帶來了活力。廣州一思通電子儀器生產(chǎn)的ETD-05系列激光測徑儀，測量范圍：0.2mm30mm，測量精度：2mETD-05系列激光測徑儀是一種基于激光掃描測量原理而設(shè)計的高精度非接觸式的外徑測量設(shè)備，儀器采用二維測量模式，有效消除工件振動造成的測量誤差，特別適合生產(chǎn)現(xiàn)場的實時測量，適用于通信電纜、光纜、同軸電纜、漆包線、PVC管、銅管、纖維線等圓形線材的在線檢測，也可用于其它各種圓形工件的外徑測量社會的進(jìn)步重要體現(xiàn)就是科技的進(jìn)步，科技進(jìn)步主要體現(xiàn)使用勞動工具的進(jìn)步

15、。從18世紀(jì)工業(yè)革命以來，科學(xué)技術(shù)以前所未有的速度在突飛猛進(jìn)的發(fā)展特別是近50年來，隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)和加工技術(shù)的發(fā)展，對于加工零件的檢測速度與精度有了更高的要求，向著高速度、高精度、非接觸和在線檢測方向發(fā)展。為此，工業(yè)發(fā)達(dá)國家對于檢測儀器與設(shè)備速度與精度一直作為檢測儀器的主要指標(biāo)。測徑儀特別適用于電纜、電線的在線自動檢測，對保證產(chǎn)品的質(zhì)量，降低原材料消耗，降低生產(chǎn)成本，提搞勞動生產(chǎn)率有著十分重要的意義，所以各國政府很重視測徑儀的研究。第二章 測量(cling)原理與方案論證 2.1 衍射(ynsh)測徑原理 目前，國內(nèi)比較常用的兩種非接觸測量方法，一種是基于CCD器件接收光信號的測量方法，另一種

16、是激光掃描測量方法。種方法各有各的優(yōu)勢以及劣勢，下面我們(w men)來看看激光衍射法。首先由巴比涅原理得知:若有兩個衍射屏和其中一個衍射屏的開孔部分與另一衍射屏的不透明部分準(zhǔn)確對應(yīng)，反之亦然，則稱這對衍射屏為互補屏 ,設(shè)和分別表示由和在觀察平面上P點產(chǎn)生的衍射光場 。U（P）表示(biosh)無衍射屏?xí)rP點的光場由衍射(ynsh)公式可知和可表示(biosh)為對衍射屏和開孔部分的積分運算，兩個屏的開孔部分相加恰好等于整個平面，不存在不透明區(qū)域，所以有 (1) 上式表明，兩個互補屏在觀察點產(chǎn)生的衍射光場，其復(fù)振幅之和等于光波自由傳播時在該點的復(fù)振幅，這一結(jié)論稱為巴俾涅原理由于自由光場較容易事

17、先確定，如果已經(jīng)求得某一孔徑的衍射場，則可應(yīng)用巴比涅互補原理求得其互補場的衍射屏。例如，可以由單縫衍射場直接導(dǎo)出細(xì)絲衍射場；由圓孔衍射場直接導(dǎo)出圓屏衍射場，應(yīng)用巴比涅原理討論互補屏的夫瑯和費衍射十分方便。采用單色平面波垂直照明，經(jīng)透鏡聚焦在其后焦面，自由光場的夫瑯和費衍射正比于（會聚點的光場）。對于軸外點，有，根據(jù)巴比涅原理，此時兩個互補屏在后焦面上的夫瑯和費衍射場的關(guān)系是: (P為軸外點) (2)進(jìn)而可知其光強 I的分布關(guān)系為 （P為軸外點） (3)結(jié)論是：對于互補屏產(chǎn)生的夫瑯和費衍射分布，除軸上點以外，強度分布完全相同；在每一軸外點互補屏產(chǎn)生的光場復(fù)振幅分布相位相差。圖 2 是利用夫瑯和費

18、衍射測量細(xì)絲直徑的原理圖，可將被測細(xì)絲看成單縫，利用單縫衍射公式計算細(xì)絲直徑d，則根據(jù) dsin=，有: (4) 式中：xk為k級暗條紋的位置；f為光波波長；為透鏡焦距。 圖2 衍射(ynsh)圖2.2衍射法測量(cling)效果及結(jié)論在光的相干性較好的條件下，細(xì)絲的直徑越小，光的衍射法測量結(jié)果誤差就越當(dāng)然，這種測量方法也有它的局限性! 首先它只能(zh nn)用于測量很細(xì)的線徑，一般在0.5mm 以下而且要求測量誤差小，精度較高的場合。其次它需要相干性好,亮度高的光源。盡管如此，衍射法測量細(xì)絲直徑仍不失為一種有效的方法，它可以應(yīng)用在在線加工中，測量結(jié)果可直接控制生產(chǎn)線，使細(xì)絲的直徑受到自動控

19、制。2.3光電轉(zhuǎn)換器前狹縫寬度與測量步長的選取 實驗中首先發(fā)現(xiàn),光電轉(zhuǎn)換器前的狹縫寬度的選取對測量的結(jié)果影響極大。在工作距離一定的情況下,衍射用的細(xì)絲越粗,衍射條紋越密,每一個條紋集中的光能越大;反之,衍射用的細(xì)絲越細(xì),衍射條紋會越疏,每一個條紋集中的光能越小。對較粗的絲產(chǎn)生的比較密集的條紋分布,當(dāng)所取狹縫寬度過大時,就不能保證較高的光強變化分辨率。而對較細(xì)的絲產(chǎn)生的比較稀疏的條紋分布,當(dāng)所取的狹縫寬度過小時,進(jìn)入狹縫的光能量太低,不足以引起光電探測器的明顯響應(yīng),也不能得到分辨率高的光強分布。由以上分析可知,對于粗細(xì)不同的細(xì)絲,所選取的狹縫寬度和采集步長應(yīng)不同;絲越粗,選取的狹縫寬度和采集步長

20、應(yīng)越?。唤z越細(xì),選取的狹縫寬度和采集步長應(yīng)越大。對具體的某一根細(xì)絲,應(yīng)由實驗來確定最佳的狹縫寬度和采樣步長。光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(shj)3.1 夫瑯和費衍射測量細(xì)絲直徑(zhjng)的系統(tǒng)原理圖 圖 3是利用(lyng)夫瑯和費衍射測量細(xì)絲直徑的系統(tǒng)原理圖，可將被測細(xì)絲看成單縫，利用單縫衍射公式和圖2巴比涅互補原理計算細(xì)絲直徑d。則根據(jù)形成暗紋（I= 0）的條件為: dsin=，有: I=I0sin（dsin/）dsin/2 （5）其中K=1，2，。當(dāng) 很?。?f足夠大）時，sintg=XK/f，得到 d=Kf/XK=f/S （6）上式為衍射測量基本公式。式中 d被測細(xì)絲直徑；K衍射圖樣的暗紋級數(shù)

21、；單色光波長；f為成像物鏡焦距；衍射角，即被測細(xì)絲到第 K 級暗紋的連線和光線主軸的交角；XK第 K 級暗紋到光軸的距離；S暗紋間距，S=XK/K，而且各級暗紋間距是相等的。對式（6）全微分，得 d=fS+Sf+fS2S （7）其中，波長誤差 極小，可忽略不計。焦距誤差 f屬系統(tǒng)誤差，利用標(biāo)準(zhǔn)量針對系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定可消除其影響。因此，測量誤差主要源于 S。由此可見，測量直徑 d的關(guān)鍵是測量 S。 圖3 系統(tǒng)(xtng)衍射圖3.2實驗(shyn)裝置 本實驗中衍射光強的測量采用的是GSZF-型衍射光強自動記錄儀。主要由以下幾個(j )部分組成:(1)光電探測器;(2)CCD攝像機和放大電路;(3)

22、A/D轉(zhuǎn)換電路;(4)利用MATIJAB語言進(jìn)行工程計算、數(shù)值分析和圖像處理這樣實驗將變得非常容易。(5)光柵尺,用于給光電探測器定位。并且還采用標(biāo)準(zhǔn)的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，具有一般機械的支撐件，導(dǎo)軌，微調(diào)裝置。根據(jù)實驗要求對機械的工作原理、結(jié)構(gòu)、運動方式、力和能量的傳遞方式、各個零件的材料和形狀尺寸、潤滑方法等進(jìn)行構(gòu)思、分析和計算并將其轉(zhuǎn)化為具體的描述以作為制造依據(jù)的工作過程。將以上光、電、機、算的原理、系統(tǒng)設(shè)計和零部件結(jié)合在一起，使它們組合成一個整體，來完成任務(wù)要求。第四章 誤差分析4.1 工作距離f的標(biāo)定及其精度分析 要利用式(6)求得細(xì)絲直徑d,就必須先測得工作距離f。f的標(biāo)定方法有多種。作者

23、提出一種簡單易行的標(biāo)定方法。由式(6)可得 (7)可見,只要用一根直徑d為已知的細(xì)絲,讓該細(xì)絲產(chǎn)生夫瑯和費衍射,測得和,就可確定工作距離D。這種方法不需增加任何儀器,且具有較高的精度。將所有數(shù)據(jù)代入式(7)得以后測量中保持該值不變。據(jù)式(6)可得標(biāo)定的相對誤差為: (8)其中和兩項可以忽略,是測量的步長,為0.1 mm,取可分辨的最高級次極小的位置,可取50-80mm,這樣項一般在0.13%0.20%;$d取千分尺的最小分度值的一半,即5m,為0.092 mm,這樣=5.4%。由此可見,標(biāo)定D的誤差主要來自標(biāo)準(zhǔn)細(xì)絲直徑的誤差。如用精度更高的標(biāo)準(zhǔn)細(xì)絲,能進(jìn)一步減小該誤。4.2 夫瑯和費衍射法測細(xì)

24、絲直徑(zhjng)誤差分析測量前,先對影響測量精度的誤差因素進(jìn)行分析,由此來確定最佳實驗條件。根據(jù)式(2)可得用夫瑯和費衍射法測量細(xì)絲直徑(zhjng)的相對誤差為： (9)該式中前3項的取值范圍(fnwi)如上所述,而f/f值又主要來源于標(biāo)準(zhǔn)細(xì)絲直徑的誤差。故總的看來,用夫瑯和費衍射法測量細(xì)絲直徑的的相對誤差主要來自于標(biāo)定f值的誤差和的誤差?？梢钥闯?(即測量的步長)取得越小,取得越大,則測量的相對誤差會越小。所以,測量時應(yīng)盡可能選用小的測量步長和衍射級次高的條紋。4.3光學(xué)誤差 主要是指影響影像幾何精度的 CCD攝像機的光學(xué)鏡頭所產(chǎn)生的鏡頭畸變差。它包括徑向畸變差和切向畸變差。鏡頭的這種畸變差在影像上一般表現(xiàn)為中心小而周邊較大。4.4其它誤差 光源發(fā)散角引起的誤差、光源不穩(wěn)定引起的誤差、成像鏡頭引起的誤差 、被測工件傾斜引起的系統(tǒng)測量誤差、被測工件不均勻性引起的誤