透明材料的光学特性研究

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摘要

透明材料作为一种集机械强度高、光学特性优良、热稳定性好、耐化学性强、加工性能好以及有特殊功能等优点于一身的特殊村料.在工业领域、建筑领域以及航空航天领域中都存在着非常广阔的应用前景,透明材料的厚度作为衡量其特性的一方面将会直接影响后期的使用,本文经过对国内外多种厚度检测方法的研究分析.提出了一种基于光电检测技术的非接触式厚度检测系统。

本系统的组成包括光源系统、光学准直整形系统、光学扩束接收系统、CCD成像系统、信号采集与数据处理系统五部分.将光学、测控技术、机械结构等学科相结合,以光学成像原理为基础,能够实现厚度为l 5mm—15mm之间的透明材料的厚度测量.精度可达10 u m。

关键词:透明材料厚度检测光学设计 CCD

目录

摘要 (1)

目录 (2)

第一章绪论 (4)

1.1 引言 (4)

1.2国内外相关技术的发展现状 (4)

1.2.1国外的发展现状 (4)

1.2.2国内的发展现状 (5)

1.3主要研究内容及研究目的意义 (5)

1.3.1主要研究内容 (5)

1.3.2研究的目的与意义 (5)

第二章透明材料厚度检测系统 (5)

2.1系统设计方案分析 (5)

2.1.1共焦系统测厚度法 (6)

2.1.2光栅光谱检测法 (6)

2.1.3 CCD成像检测法 (7)

2.2方案对比总结 (7)

2.3 系统整体结构方案 (7)

2.3.1光源系统 (8)

2.3.2光学准直整形及扩束系统 (8)

2.3.3光电接收系统 (9)

2.3.4计算机处理系统 (9)

第三章光学系统设计 (9)

3.1光学系统组成 (9)

3.2光学发射系统设计部分 (10)

3.2.1光源的选取 (10)

3.3接收系统的设计 (10)

3.3.1扩束光学系统工作原理 (10)

第四章检测与控制系统设计 (11)

4.1 CCD电荷耦合器件的选取 (11)

4.2 控制系统硬件结构设计 (11)

4.3 控制系统软件流程设计 (12)

第五章测量结果与误差分析 (13)

5.1误差来源及分析 (13)

5.1.1仪器误差 (13)

5.1.2理论误差 (13)

总结 (14)

参考文献 (14)

第一章绪论

1.1 引言

透明材料作为一种工业中应用较为广泛的重要材料,由于该材料具各优良的光学特性、热稳定性好、机械强度高、耐化学性强、加工性能好以及有特殊功能等优点,有着极为广阔的应用前景。而如此广泛的应用加大了对透明材料生产规模以及生产质量的要求,因此其生产过程中对于材料尺寸检测部分的要求也越发严格。厚度作为材料属性的衡量单位之一,其测量方法也是生产生活中最为常见的内容。较为常用的测量工具是直尺、游标卡尺和千分尺,而这些量具在使用过程中都会与工件表面相接触,即使接触时摩擦力或压力不大,有时也不免会出现影响其使用的微小刮痕,对于一些要求较高的工件哪怕是一点灰尘落在上面都会影口自测量精度,所以全新的非接触式的光电检测技术的出现成为了必然,这种新技术更适合现代化生产技术犬规模、高效率的特点。

光电检测技术是建立在现代光、机、电、计算机等科技成果基础上的新型综合性技术,是一种可实现非接触式测量的新综台测量技术,该技术所涉及到的基础理论和十分广泛,它是一种以激光、红外、光纤等现代光电器件为基础,通过对载有被检测对象信息的光辐射进行检测,从而实现对各种光学属性参数及大量非光学属性参数进行测量的重要手段,是众多检测技术中的一个重要分支。光电检测技术作为一种虽具代表性的高新现代测试技术,它具有某些其它检测设备所没有的特点。其高新、现代化主要表现为以下几个方面:能够实现非接触式测量,信息输出直观化,技术综合性强,具有精度高、速度快、使用周期长等特点。

因此,本文所提及的对透明材料厚度检测的技术应用将以CCD光电耦台器件为主要应用的光电检测技术为主。

1.2国内外相关技术的发展现状

光电检测技术的发展趋势是国防建设的需要,是现代生产和现代科技发展的需要。

1.2.1国外的发展现状

4 早在60年代初期,一些发边的工业国家就已经开始了早期的关于光电检测技术的研究工作,进而逐步产业化,。伴随着计算机技术、光电子技术、光电传感器技术以及激光技术的迅猛发展,光电检测技术逐渐向着高技术指标、高性能的方向迈进,标准化、系列化、大众化已经成为了光电技术类产品的新特征。其主要技术产品是将光与电进一步一体化,在光、机、电、计算机等多学科多技术相辅相成的基础上,融入了更多的高

新技术所派生出柬的可实现多用途、多方位的新型光电子检测技术器件。如CCD光电耦合器件、光电探测器等,技术成熟且依旧具有突破性,光电检测技术在全球日益激烈的竞争下正在以突飞猛进的速度发展和完善。

1.2.2国内的发展现状

我国的光电检测技术起步比较晚,上个世纪七十年代初,我国开始了光电检测技术的研究工作。在国内众多科研工作者的共同努力下,我国在现代光电检测技术领域已经逐渐达到了可与国际先进技术接轨的水平,突出表现在实用技术和应用基础两方面。多学科融合已经成为了光电检测技术的新特色,学科间的融合在其相关领域产生了许多新的技术分支,例如光通信技术、光电测控技术、激光扫描技术、光电显示三维成像技术等。

1.3主要研究内容及研究目的意义

1.3.1主要研究内容

本文主要目的是研制一种以非接触式测量透明村料厚度的激光扫描成像测系统,该装置的测量原理足以光的折、反射原理为基础,进而通过光学扩束系统将通过被测物体表面出射的平行光线扩柬后投射到CCD上,由CCD连接计算机设备利用软件处理得到接收到的两光线间距读数,最后通过计算机计算出实际的材料厚度,该系统的特点是:通用性强、分辨率高、检测光谱范围大,使非接触式精确测量透明材料厚度目的得以实现。

1.3.2研究的目的与意义

透明材料由于其本身性质较为特殊,要尽量避免在生产或者应用过程中损坏其表面,任何划痕损伤都会在不同程变上影响后续的使用,因此对于透明材料的检测方法需要实现非接触化,尽量减少对其表面的接触以及对其周围环境的改变,本文所设计的透明材料匣度检测系统充分考虑丁被测物体的各种特性,采用激光扩束的检测方式与CCD 技术相结合来实现透明材料生产应用过程用的自动测量,该技术结合了光、机电、算等多门技术,形成了一种可实现在线非接触式检测的新技术,具有一定的实际应用价值。

第二章透明材料厚度检测系统

2.1系统设计方案分析

厚度检测系统往往被应用于透明材料的生产加工过程中,以便实现对产品厚度的在线监控。以光学零件的厚度检测为例.其中心厚度的测量是零件加工时的一大难题.往

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