课程设计实例讲解

1、2022年2月12日星期六长春理工大学光电工程学院光电检测课程设计张宁研究相应系统检测的原理；通过查找资料，给出题目的研究意义，国内外的发展现状，并进行不同测量方法的对比与分析。研究与此原理相应的总体方案并建立相应的数学模型；确定总体方案并建立数学模型，指出所要解决的关键技术，根据精度指标进行计算和分析，根据设计需要完成光源和传感器的选择。完成相应的光学系统设计和精密机械系统设计；研究信号采集电子学系统和数据处理计算机系统。传感器驱动电路、信号预处理电路、二值化处理电路、数据采集接口电路、计算机系统(显示、控制)等。光电检测课程设计研究内容u 1、光电多功能二维自动检测系统u 2、曲臂光电综合

2、测量系统u 3、激光扫描圆度误差测量系统u 4、飞轮齿圈总成跳动误差非接触检测系统u 其他自拟的题目.u 注：1、内容不允许重复；u 2、1月14日上午9：00-11：30带着u 打印出来的课程设计报告来3教511进行答u 辩；u 3、课程设计报告不少于8页，采用小u 论文形式，前有摘要、关键词，后有参考u 文献。光电检测课程设计注意事项2022年2月12日星期六光电检测课程设计-实例讲解基于复色共焦法的透明材料厚度检测系统研究张宁目 录u研究的目的及意义u总体结构和工作原理u共焦光学测量系统研究u光谱信号采集系统研究u光谱数据分析系统研究u实验验证及结果分析u结论与展望1 研究的目的及意义研

3、究的目的及意义 本论文是针对平板玻璃生产、光学零件加工等透明材料相关行业对厚度检测的需求而开展的研究。 1. 1. 研究的目的及意义研究意义 文本提出的复色共焦测量方法，采用特殊光学系统、高速数据采集技术、先进光谱分析及处理技术，解决透明材料厚度高精度检测的问题。其主要依据光学系统对不同波长光谱产生轴向色散的特性，将连续光谱的轴向色散回波信号由探测器接收，通过上下两个表面返回的波长数据来实现透明材料厚度的检测。 主要技术指标： 测量范围：0.1mm20mm 测量精度：0.005mm 测量速度：2000次/秒1. 1. 研究的目的及意义研究目标 研究复色光源共焦法厚度测量原理，分析复色光谱中共焦

4、面信号特点及与厚度之间的关系，建立共焦法厚度检测系统的总体方案。 利用光学设计理论，研究复色光源均匀色差光学系统设计方法，利用MATLAB最优化工具箱仿真比较，对光学系统优化设计。 研究光谱信号采集原理，设计基于CCD的光谱信号采集系统。进行了电子学驱动电路和相应的接口电路设计。 进行了基于LabVIEW的光谱信号分析系统设计，将光谱数据滤波后进行峰值查找，找出上、下表面波长并计算出厚度值。 搭建了实验样机，对原理进行验证，最终形成一套完备的基于复色共焦的透明材料厚度光电检测系统。1. 1. 研究的目的及意义研究内容2 总体结构和工作原理总体结构和工作原理2. 2. 总体结构和工作原理工作原理

5、1(1)maxmaxmin光纤光源分光系统发射光学系统耦合器光纤玻璃上表面测量范围min(2)玻璃下表面2共焦法透明材料厚度检测原理图数学模型系统测量范围示意图1n12 被检透镜的折射率 上表面返回波长 下表面返回波长像方孔径角 、 折射角为112sinsinnn121sinarcsinn1tanah1tanah2. 2. 总体结构和工作原理01220111tansintan(arcsin)hHn2tanaH 波长与其成像点之间的关系 可根据共焦光学系统由多项式拟合的方法得到，即：( )f021()()hff 波长与其像方孔径角之间的关系 同理也可以用拟合的方法得到。( ) 12122 ()(

6、)tan ()sin ()tan(arcsin)ffHn 系统组成共焦法透明材料厚度结构框图光谱信号接收器（探测器）分析显示等信号采集与处理电路接口电路计算机透明材料光学系统光源共焦光学系统入射光纤出射光纤分光系统 复色光源发出的光经光纤及耦合器传输，光纤的末端是一个反射式的探头，以接收通过被测件反射回来的光。焦点在被检件的上表面和下表面的光反射回光纤探头。反射回来的光通过光纤传入光谱仪，进行光谱分析，通过计算这两个光波长的距离，确定被测件的厚度。2. 2. 总体结构和工作原理3 共焦光学测量系统研究共焦光学测量系统研究复色光源卤素灯实物图卤素灯光谱曲线图 本系统采用卤素灯作为光源，卤素灯具有

7、体积小、发光效率高（达17-33lm/W）、色温稳定（可选取2500K-3500K）、光衰小（5%以下）、寿命长（可达3000小时至5000小时）等特点。3.3.共焦光学系统研究光信号传输光纤QR400-7-UV-VIS型号光纤SMA905型适配器 输出光经QR400-7-UV-VIS型号光纤传传输，如图所示。光束采用SMA905适配器与共焦光学系统耦合，其实物如图所示。3.3.共焦光学系统研究3.3.共焦光学系统研究共焦法厚度检测光学系统结构图 将平面镜置于焦面处，使通过光学系统的光经过平面镜反射后，又反向经过光学系统，成像在光源位置，也就是本光学系统的像面。通过优化像面处弥散斑的大小，来保

8、证系统成像质量。为满足设计要求，将光学系统第五个面设计成非球面，简化光学系统的同时，提高了成像质量。光学系统光纤端面处反射光能量分布弥散斑图像3.3.共焦光学系统研究光学系统分析初级球差系数SURFACESPHASTO-0.2430032-2.21737830.9632404-0.1004985-0.04158760.2680817-0.00066181.374697IMA0.000000TOT0.0028903.3.共焦光学系统研究光学系统分析波长与对应成像点的拟合曲线注：根据所设计光学系统，上、下表面波长应该是在500-650nm之间的某个波长。2346912161922283544( )

9、775.58686839.484321672.359334398.415523391.20633542.11419783.583627167.123976602.2010137203.8943115687.120566420.009557665.891263680.9465127316.1799f 55627195111134170200161365.256490555.807755741.902459893.781536960.303719548.42897292.8176波长与其对应像方孔径角拟合曲线23469121619222835( )17009.2463201535.43759678

10、1677732438624.55291667281.49281887128.09022624027.27244879828.74187182303.50305204880.68862368337.10031667901.87821 4455627195111134170200480736.28492371627.06842656304.55871291139.2766578911.7918526811.8416270289.7982118741.863840595.612421221 ()()tan ()sin ()tan(arcsin)ffHn 3.3.共焦光学系统

11、研究数学模型1n 被检透镜的折射率 最短波长 ， 132.673mm 最长波长 ，147.958mm对于冰，折射率为1.30，可测厚度为20.29mm。对于普通K9玻璃，折射率为1.52，可测厚度为23.9mm。 对于折射率大于1.30的透明材料而言，系统测量范围均大于20mm。透明材料的折射率一般在1.50-1.89之间，均大于1.30，即本光学系统测透明材料厚度满足1-20mm的测量范围。3.3.共焦光学系统研究min500nmmax650nmo0max19.27o1min17.90测量范围分析 成像范围15mm，波长范围： ，则各测量波长的最佳成像位置随波长变化的位移关系为：900600

12、300dnmnmnm-10.102(mm nm )dhk 光谱测量系统的光学分辨率为 =0.02nm，则理想情况下，共焦测量系统的精度为：0.002mmk3.3.共焦光学系统研究测量精度分析3.3.共焦光学系统研究 由图中数据结果可以看出，每条曲线都呈线性变化的趋势，说明将待测物体放在测量范围的任意位置都可以计算得到正确的测量结果，无需参考位置，可以实现厚度结果的绝对测量。另外还可以看出，波长每增加0.02nm，厚度变化的间隔在0.00215-0.00459mm之间，波长为500nm时厚度间隔较大，说明离镜头越近，误差越大。测量精度分析3. 3. 共焦光学系统研究 横坐标表示弥散斑直径的大小，

13、纵坐标表示各视场的弥散斑直径所对应的概率。曲线从右到左，每三条为一组，分别为波长为600nm600nm，750nm750nm和900nm900nm时的公差分析曲线，从右到左分别代表0 0，0.7070.707和1 1三个视场。公差分析的概率曲线 各视场各波长下的弥散斑直径100%100%都不大于0.033539mm0.033539mm，远小于纤心直径0.4mm0.4mm，表明本光学系统在此公差下仍能清晰成像，从而保证实际加工出来系统的测量精度。 镜头公差分析3. 3. 共焦光学系统研究共焦法透镜中心厚度检测系统整体结构装配图共焦光学系统实物图片 整个光机系统的设计思想是实现整个结构的小型化、轻

14、量化，并充分考虑系统装调的方便和成像质量。镜筒主体采用一体的结构，光源与光纤的固定装置可以进行微调，以调整光源的位置到最佳成像点。镜头设计3. 3. 共焦光学系统研究透镜的固定压圈与隔圈示意图压圈与隔圈设计参数表 玻璃透镜固定采用螺纹压圈方式，精度较高。本系统中使用的压圈为1个，隔圈为4个。每个隔圈设计三种厚度，且都比理论厚度厚一些。大径大径螺距螺距小径小径厚度厚度对应镜片直径对应镜片直径隔圈隔圈155-306.176.57.032隔圈隔圈272-5316.5516.817.355隔圈隔圈381-7052.8653.153.872压圈压圈840.7579581 在装调时可以根据装调的效果通过对

15、隔圈厚度的改变调整光学成像效果。4 光谱信号采集系统研究光谱信号采集系统研究线阵TCD1703C性能参数及指标性能参数及指标数据格式数据格式8bit、10bit最大行频最大行频2K数据率数据率20Mhz分辨率分辨率7650像素（像素（7 m7 m）响应响应15（V/lx*s）响应非一致性响应非一致性10 (MAX) (%)动态范围动态范围1660饱和曝光量饱和曝光量0.13(lxs)4. 4. 光谱信号采集系统研究CCDCCD传感器4. 4. 光谱信号采集系统研究 信号采集系统对CCD接收到的信号进行高速采样，转换成数字信号后经采集卡传送到上位机进行分析处理以获取厚度值。信号采集系统结构4.

16、4. 光谱信号采集系统研究FPGAFPGA电路4. 4. 光谱信号采集系统研究预处理电路4. 4. 光谱信号采集系统研究数传与控制电路4. 4. 光谱信号采集系统研究USBUSB接口电路4. 4. 光谱信号采集系统研究电源电路4. 4. 光谱信号采集系统研究硬件结构4. 4. 光谱信号采集系统研究FPGA仿真产生的CCD驱动时序图CCD的输出信号微弱光照下 正常光照下 较强光照下输出信号5 光谱信号分析系统研究光谱信号分析系统研究5. 5. 光谱信号分析系统研究 本系统的软件设计是用LabVIEW完成的。为了方便系统调试以及对CCD等进行参数设置，用于传输控制指令的USB接口则针对底层硬件自行

17、开发相应驱动程序，在驱动程序的基础上为方便LabVIEW使用进一步编写了动态链接库。 基于LabVIEW的光谱数据分析系统流程为，首先用LabVIEW调用PXI-1428采集卡，将接收到的CCD光谱数据打开并进行滤波处理，通过软件分析获得两个波峰的值，将其和折射率带入数学模型计算得出厚度。软件整体结构5. 5. 光谱信号分析系统研究程序模块程序模块功能功能测量模式及参测量模式及参数设定模块数设定模块测量模式测量模式单件测量模式、单件测量模式、生产线测量模式生产线测量模式参数设定参数设定积分时间、积分时间、材料折射率、材料折射率、重复测量次数重复测量次数主控模块主控模块数据采集、波形显示、数据采

18、集、波形显示、滤波处理、峰值波长寻找、滤波处理、峰值波长寻找、波长平均值计算、波长平均值计算、厚度平均值计算厚度平均值计算报表生成及打印模块报表生成及打印模块将波形图以及测量数据生将波形图以及测量数据生成成word文件、打印文件、打印程序功能模块5. 5. 光谱信号分析系统研究CCDCCD设置5. 5. 光谱信号分析系统研究采集卡设置5. 5. 光谱信号分析系统研究信号分析流程5. 5. 光谱信号分析系统研究信号处理结果6 实验验证与结果分析实验验证与结果分析6. 6. 实验验证与结果分析共焦法透明材料厚度测量系统的实验装置 采用该装置对厚度为1.324mm、4.936mm、10.006mm、

19、14.935mm、20.015mm的石英玻璃块分别进行了10次测量，初步确定所设计的透明材料厚度复色共焦测量系统的测量范围在1-20mm。测量数据进行了简单的统计计算，结果可以看出，系统的测量精度在0.005mm以内。目前由于数据采集及处理速度的限制，测量速度达到2000次/秒。实验装置 定标灯产生的3根可用已知波长的特征谱线分别是546.074nm、576.960nm和579.066nm，钠灯可产生2根可用的已知波长的特征谱线，钠灯双黄线波长是钠灯双黄线的波长是589.00 、589.60。6. 6. 实验验证与结果分析系统标定6. 6. 实验验证与结果分析标称值标称值1.3244.9361

20、0.00614.93420.015测量测量结果结果1.3224.93310.00414.93920.0171.3244.94010.00614.93920.0201.3244.94110.00114.93020.0181.3234.93510.00414.93120.0121.3234.93810.00614.93020.0111.3224.94110.01014.93320.0201.3204.93510.00714.93120.0141.3234.93610.01014.93020.0181.3264.93710.00414.93920.010平均值平均值1.3234.93710.0061

21、4.93420.016标准差标准差0.0020.0030.0030.0040.004测试结果7 结论与展望结论与展望7.7. 结论与展望 本论文着眼于透明材料厚度非接触测量系统的研究，提出了一种基于复色共焦技术的透明材料厚度绝对测量的新方法，提出了完备的测量方案，并对各分系统进行了具体设计，搭建了实验样机平台，对测量原理进行了实验验证，进行了一系列数据的测量并进行了误差修正，完善了数学模型。最后通过对一组不同尺寸的标准石英玻璃量块的测量来检验实验样机平台。结果表明，所设计的复色共焦透明材料厚度检测系统满足设计的要求，可以实现透明材料厚度的大范围、高精度、高速度非接触在线测量。 研究结论7.7.结论与展望 （1）提出了一种透明材料厚度绝对测量的方法。和以往的一些测量方法相比，本文提出的复色共焦测量透明