光电仪器设计技术

目录

第一章绪论 (2)

§1.1前言 (2)

§1.2基于CCD测径仪的发展现状 (2)

第二章测量原理及总体方案 (3)

§2.1利用补偿法测量细铜丝直径 (3)

§2.2利用光学衍射法测量细铜丝直径 (4)

§2.3线阵CCD测量直径系统测细铜丝直径 (5)

§2.4设计方案的论证与选择采用 (6)

第三章信号处理电路 (7)

§3.1低通滤波器 (8)

§3.2相关双采样 (9)

§3.3差分放大电路 (11)

§3.4微分电路 (13)

§3.5绝对值电路 (14)

§3.6过零触发电路 (15)

第四章实验结果及影响测量精度的主要因素分析 (16)

§4.1信号处理电路对测量精度的影响 (16)

§4.2被测工件的均匀性对测量精度的影响 (16)

§4.3误差分析 (17)

结论.....................................................................................................................................,,,,18 参考文献.. (19)

第一章绪论

§1.1前言

对各种细丝直径的测量常常关系到工业产品的级别，如钟表中的游丝、光导纤维、化学纤维、各种细线、电阻丝、集成电路引线以及种类仪器、标尺的刻线等。传统的测量方法多数为接触法，其它的有电阻法、称重法。也有采用光学方法的，如光学显微镜法、干涉法、扫描法、投影放大法、比较法等。然而，大多检测方法检测速度低，生产效率低，劳动强度大，远远跟不上目前自动化生产的需要。尤其在全面质量管理过程中，更需要先进的、智能的检测手段。目前，国内外常采用激光扫描光电线径测量，但是这种方法受电机的温度及振动的影响，扫描恒速度的限制，会产生高温使其降低寿命。基于线阵CCD便携式非接触直径测量仪器正是适应当前社会自动化生产的急需而设计的，该测径仪是一种光、机、电一体化的产品。尤其适用于电缆、电线、玻璃管、轴类零件的外径测量，对保证产品质量，降低原材料消耗，降低生产成本，提高劳动生产率有着重大的经济效益和社会意义。

§1.2基于CCD测径仪的发展现状

§1.2.1国外发展现状

社会的进步重要体现就是科技的进步，科技进步主要体现使用劳动工具的进步。从18世纪工业革命以来，科学技术以前所未有的速度在突飞猛进的发展，特别是近50年来，随着现代化生产和加工技术的发展，对于加工零件的检测速度与精度有了更高的要求，向着高速度、高精度、非接触和在线检测方向发展。为此，工业发达国家对于检测仪器与设备速度与精度一直作为检测仪器的主要指标。测径仪特别适用于电缆、电线的在线自动检测，对保证产品的质量，降低原材料消耗，降低生产成本，提高劳动生产率有着十分重要的意义，所以各国政府都很重视对测径仪的研究。英国Beta AS3系列全新的激光测径仪：LD1040-S(单向直径测量仪)、LD1040XY-S(双向直径测量仪)，精度：0.1μm，测量范围最广，单向测径仪最大可测直径达330.3mm，双向测径仪最大可测直径值达100mm，测量精度最高，最高测量精度可达0.1μm，是目前同类产品中的最高的测量精度。日本生产的 LS-7000 系列高速、高精度 CCD 测量仪器，如：LS-7030M（配备测量摄影机）测量范围：0.3mm～30mm，测量精度：±2μm，重复性精度：±1.5μm。LS-7010M（配备测量摄影机）测量范围：0.04mm～6mm，测量精度：±0.5μm。

§1.2.2国内发展现状

国内生产的测径仪测量精度没有国外的精确，河北省激光研究所光电检测控制室生产的JCJ-1激光测径仪，是专为玻璃管生产线上玻璃管外径的测量、控制、分选而设计的集激光、精密机械、计算机于一体的智能化精密仪器。通过激光光束高速（200次/秒）扫描被测玻璃管，计算机实时采样处理，实现玻璃管直径在线非接触检测、控制，测量范围：0.5mm～60mm，测量精度：±0.01mm。广州一思通电子仪器厂生产的ETD-05系列激光测径仪，测量范围：0.2mm～30mm，测量精度：±2μm，ETD-05系列激光测径仪是一种基于激光扫描测量原理而设计的高精度非接触式的外径测量设备，仪器采用二维测量模式，有效消除工件振动造成的测量误差，特别适合生产现场的实时测量，适用于通信电缆、光缆、同轴电缆、漆包线、PVC管、铜管、纤维线等圆形线材的在线检测，也可用于其它各种圆形工件的外径测量。

第二章测量原理和方案论证

（设计任务分析）

§2.1利用补偿法测量细铜丝直径

如图2—1示，由白炽灯1发出的光，经过透镜2后变为平行光通过屏4上的俩个孔后被分成两束(补偿光通量φ1和测量光通量φ2)用聚光透镜6使光束φ1和φ2投向漫射屏7，由屏7出来的漫射光被光电倍增管8所感受。光通量φ1为固定不变的光通量，φ2的一部分被欲测的金属铜丝5和光门11所遮断，金属丝的直径改变时，适当地移动光门使光束φ1和φ2重新维持相等，因此可由光门的位置决定铜丝直径。

图2-1 补偿法测钢丝直径原理

照射于光电倍增管8上的光束轮流地被薄板3（光调制器）所遮挡，电磁震动子15以每秒50周的频率使薄板3震动。光通量φ1和φ2不等时，光电倍增管的负载电阻上产生不平衡的交变电压。不平衡电压经过放大器9放大后加在两相异步进电机10的控制绕组上，电动机旋转带动光门11移动，直至俩光束重新相等。电动机的旋转运动变成光门的直线移动是靠测微计的螺丝口完成的。尺寸指示器13固定在螺丝的轴上，尺寸指示器指针14在刻度盘上指出被测铜丝直径。

§2.2利用光学衍射法测量细铜丝直径

我们选择了最简单的一种模型，它是常规的夫琅和费衍射。即把金属丝当成一个平面的狭缝,其工作情况如图2-2所示。光源发出的平行光束垂直照射在单缝(金属丝)上.根据惠更斯-菲涅耳原理,单缝上每一点都可以看成是向各个方向发射球面子波的新波源,子波在接收屏上叠加形成一组平行于单缝的明暗相间的条纹.和单缝平面垂直的衍射光束会聚于屏上x=0处,是中央亮条纹的中心,其光强为I0;与光轴成θ角的衍射光束会聚于x=x(θ)处,θ为衍射角,由惠更斯-菲涅耳原理可得光强分

布为:

图2-2 夫琅和费单缝衍射

（2-1）式中D为缝宽,λ为入射光波长.当θ=0时,I=I0,是中央主极大.当sinθ=kλ/D 时,其中k=±1,±2,…,I=0,是暗条纹.由于θ很小,故sinθ≈θ,所以近似认为暗条纹出现在θ=kλ/D处.中央亮条纹的角宽度Δθ=2λ/D,其他任意两条相邻暗条纹之间夹角Δθ=λ/D,即暗条纹以x =0处为中心.当使用激光器作光源时,由于激光的准直性,可将透镜L1去掉.如果接收屏远离金属丝(z>>D),则透镜L2也可省略.由于tg θ=x/z,且tgθ≈sinθ,则各级暗条纹衍射角应为

（2-2）

由此可以求得金属丝直径为