激光衍射法测量细丝直径的研究

SHI Wen-x iao1 , L I L i1, HA N L i2
( 1. D ept . of Comm un. Eng. , Ch ang chun Post and T el ecom mun. Inst . , Changchun 130012, China; 2. D ept. of Ph ysics , Jil in U nivers it y, Changchu n 130023, Ch ina)
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=
f h
( 1)
其中 = 0. 632 8 m, 为激光光源波
长; f 为傅氏透镜焦距; h 为各相邻
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, 利用该系统可 以实现对直径为 20～100 m 的细丝进行相对误差为 1% 的动态测量。
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. 632 8 m 。要 求光源强度变化量小于 5% , 发散角小于 1 mr ad。衍射图样接收器采用 4 096 线阵L M 701 对 波长为 0. 632 8 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。
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 , N 2, N 3, N 4, …, 其中 N 1 , N 3,
图 4 衍射方波与切割方波
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长春邮电学院学报
第 17 卷
N 5 等为各级暗条纹宽度的计值, 取其 1/ 2 作为暗条纹宽度的中点值, 则有下式成立
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化测量等优点。利用 该系统可以实现对直径为 20～ 100 m 的细丝进行相对误差为 1% 的动态测量。
微机处理系统
图3 细丝直径测量系统总体结构框图
形化等功能[ 2] , 编制了该系统界面, 界面使用友好、直观、方便; 利用 V isual C+ + F or 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。
Abstract: Based on analysis for sev er al kinds of fine w ire diameter measurement using CCD ( Charg e Couple Device ) t echnique, according to F rauho fer dif fr act io n t heo ry and Babinet principle, a met hod of f ine diam et er dynamic measurement by use of laser dif fr act io n t echnique is present ed. T he sy st em has advant ages of quick and non-co nt act measurement , hig her measuring accuracy and co nv enient o perat io n, and is easy t o co nnect wit h co mput er t o make aut omat ic m easur em ent . Relat ive measurem ent error o f 1% fo r 20～100 m f ine w ire diam et er is achieved.
Kh =
1 2
N
1
+
N2 +
N3+
…+
N 2K +
1 2
N
2K
+
1
S0
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
百度文库
h=
1 2
N
1
+
N2 +
N3 +
…+
N 2K +
1 2
N
2K
+
1
S0 K
( 2)
将 h 代入式 ( 1) , 即可求得细丝直径 d 。
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) 作 者简介: 石文孝 ( 1960— ) , 男, 辽宁昌图人, 长春邮电学院副教授, 工学硕士, 主要从事宽带接入网技术、
h=
1 2
N
1
+
N2 +
N3+
N4 +
1 2
N
5
S0 2
=
10. 584 mm
h h
=
0. 035 mm 10. 584 mm
=
0. 331%
d 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 20～100
误差为 1% 的动态测量要求。
m 的细丝进行相对
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～ 30 3.
1999 年 第 17 卷 第 4 期 长 春 邮 电 学 院 学 报 1999 V ol. 17 N o . 4 JO U R N A L O F C HA N GCHU N POS T A N D T ELECO M M U N ICA TIO N IN ST ITU TE
·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 d
=
+
f f
+
笔者在 Win95 平台上, 利用 Visual C+ + Fo r Window s 软件的可视化、模块化、图
第4期
石文孝, 等: 激光衍射法测量细丝直径的研究
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激
钢丝
光
器
透镜
激光光源
驱动电路 CC D
CCD输出信号 处理电路
数据长度输入
上下限预置 微
显 示器 机
声光报警器
模拟反馈口
光学系统
信号接收处理系统
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
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。
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
Key words: Dy namic measurm ent ; L aser t echniques; Diff ract ion
h h
对于 He-Ne 激光器,
<
10- 6,
可以忽略不计。
f 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
。h 的测量误差最大为 5 个光敏元,
即
h= 7
m×5=
35 m, K = 2, S0= 7 m, N = 756
CCD及其 驱动电路
为像尺寸, K 为比例系数, S 为 被测尺寸, 则 S = K T 。其中 K
图2 物镜成像法测量系统
计算机 处理系统
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
数据采集及处理研究。
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长春邮电学院学报
第 17 卷
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
目标
C CD及其 驱动电路
计算机 处理系统
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
图1 平行光成像系统示意图
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。
[ 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. 51～61.
第4期
石文孝, 等: 激光衍射法测量细丝直径的研究
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St udy of fine diamet er m eas urments using laser diffraction method
4 096, 光敏元线阵有效长度为 28. 6 m 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 20～100 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。
在前面或背面光照射下, 被
目标
物镜
测物经透镜在 CCD 上成像, 像 尺 寸与被测尺寸成正比。设 T
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 10～100 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, 从而限制了其测量精度。通常当采 用光敏管个数为 4 096、光敏元线阵有效长度为 28. 6 mm 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 20～100 m 的细丝进行相对误差为