光电仪器激光测径 2

1、西安工业大学北方信息工程学院课程设计题目：细丝直径测量仪系 别： 光电信息系 专 业： 光电信息工程 班 级： B100106 学 生： 彭牡丹 学 号： B10010642 任课教师： 李媛 2013年11月 （光电仪器设计课程设计任务书一、题目：细丝直径测试仪该仪器是用于对细铜丝直径的尺寸参数进行测量的一种测试仪器。二、技术要求方法：非接触式测量铜丝直径：10.01mm测量精度：1%；测量状态：在线测量；超出铜丝直径公差要有报警功能。三、设计任务对该仪器进行总体设计，具体内容如下：设计任务分析；方案论证；系统设计（含局部单元设计）；精度估算。四、设计要求1.设计说明书一份(不少于5000字

2、)；2.时间：2013年10月26日2013年11月5日2013年11月5日下午答辩交论文；3.参考文献：自定 目 录TOC o 1-4 h u HYPERLINK l _Toc27306 （光电仪器设计课程设计任务书 PAGEREF _Toc27306 2 HYPERLINK l _Toc26246 一、题目：细丝直径测试仪 PAGEREF _Toc26246 2 HYPERLINK l _Toc3931 二、技术要求 PAGEREF _Toc3931 2 HYPERLINK l _Toc3091 三、设计任务 PAGEREF _Toc3091 2 HYPERLINK l _Toc2804

3、四、设计要求 PAGEREF _Toc2804 2 HYPERLINK l _Toc24353 目 录 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 测量原理与方案论证 PAGEREF _Toc2783 6 HYPERLINK l _Toc8091 2.1 衍射测径原理 PAGEREF _Toc8091 6 HYPERLINK l _Toc27012 2.2衍射法测量

4、效果及结论 PAGEREF _Toc27012 7 HYPERLINK l _Toc30176 2.3光电转换器前狭缝宽度与测量步长的选取 PAGEREF _Toc30176 8 HYPERLINK l _Toc19257 第三章 光学系统设计 PAGEREF _Toc19257 8 HYPERLINK l _Toc29143 3.1 夫琅和费衍射测量细丝直径的系统原理图 PAGEREF _Toc29143 8 HYPERLINK l _Toc2095 3.2实验装置 PAGEREF _Toc2095 9 HYPERLINK l _Toc27648 第四章 误差分析 PAGEREF _Toc2

5、7648 10 HYPERLINK l _Toc15284 4.1 工作距离f的标定及其精度分析 PAGEREF _Toc15284 10 HYPERLINK l _Toc19474 4.2 夫琅和费衍射法测细丝直径误差分析 PAGEREF _Toc19474 10 HYPERLINK l _Toc2489 4.3光学误差 PAGEREF _Toc2489 10 HYPERLINK l _Toc31978 4.4其它误差 PAGEREF _Toc31978 11 HYPERLINK l _Toc30102 第五章 结 论 PAGEREF _Toc30102 11 HYPERLINK l _To

6、c20679 参考文献 PAGEREF _Toc20679 11摘 要利用激光衍射的方法对细丝直径进行测量，并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。推导出细丝直径的表达式，设计了用激光衍射法测细丝直径的实验，通过与其他传统方法比较，对于直径越小的细丝，此方法具有测量精度高、非接触、无损伤的优点。利用该系统可以实现对直径为20100Lm的细丝进行相对误差为1%的动态测量。关键词：激光衍射测量 巴比涅互补原理 夫琅和费衍第一章 引言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

7、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。一般的光学测量细丝直径的方法有：光学成像法、光学显微镜法等，如果采用一般的光学仪器测量，由于光的衍射现象，所以被测细丝越细，测量误差就越大。而采用光学衍射测量法则可以达到精度高、速度快、非接触、无损伤、容易实现动态测量。使用方便且易于微机联接实现自动化测量等优点，在保证产品质量的同时，可以提高劳动生产效率。因此，用光学衍射法测量细丝直径不失为一种有效的方法，且此测量方法在工业生产和科学实验中有重大意义、易于推广应用。 1.1 研究背景和意义丝直径的测量一直是测

8、量界不断研究的课题。从接触式测量到非接触式测量、从机械式测量到机-电转换自动测量,细丝直径测量技术的实用性及精度不断提高。由于在很多情况下检测的对象为非刚性细丝,所以细丝的非接触式测量技术使用得更为广泛。线材直径的在线测量是普遍的生产需求,例如金属导线的测量,纺织线、塑料线的测量等。目前线材直径的测量有光电能量法1、激光束扫描法2_4、激光衍射法5、投影成像法6_7等。各种方法都有各自的适用范围和优缺点。光电能量法受光源和探测器飘移影响大。激光束扫描法适用于直径大于1 mm的线材。衍射法适用于直径小于0.1 mm的线材(如光纤)。对于尺寸很小（10500um）的各种细丝、狭缝、微小位移、微小孔

9、等的测量，直接采用几何光学放大成像法或接触式测量仪器已无法满足高精度的测量要求。原因：（1）若采用光学放大成像法，由于被测尺寸很小，光的衍射效应加剧，导致测量误差增大。（2）若采用各种接触式测量法，由于接触应力将使得被测件产生变形，从而产生较大的测量误差。本项研究旨在解决此类微小尺寸的非接触、高精度的动态测量问题。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20100m的细丝进行相对误差为1%的动态测量。 1.2国内发展现状国外发展：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

10、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。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)330.3mm测径仪最大可测直径值达100mm0.1m日本生产的 LS-7000 CCD 测量 LS-7030M0.3mm30mm2m，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

11、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监测，也可用于其它各种圆形工作的外侧量。 国内发展：上海共久电气有限公司，该公司于 八十年代末与电子工业部23研究所，安徽大学，为国内光纤光缆生产开发了激光外径测量仪，该产品是国内最早鉴定，最先走上实用的机型。九十年代初为了克服当时激光器价格昂贵的缺点，利用卤素灯作光源开发了第二代外径测量仪，并大量应用于光纤线缆行业。第三代全数字式激光测径仪于2000年推向市场，不仅应用于光纤光缆、电线电缆行业而且拓展到卷烟、铝塑管、漆包线、金属棒、玻璃管、大型管道等行业。该公司激光测径仪性能稳定，技术水平处于国

12、内领先。辉煌测控公司的前身是四川教学仪器厂，与成都电子科大教授合作开发了激光测径仪，90年代末教学仪器厂被辉煌集团收购，更名为辉煌测控设备有限公司，其测径仪得到了总集团的大力支持，引进人才而得到长促发展，于2000年以扫描方式开发细丝测量仪和大值径测量仪，于2004年开发透明物体测量仪，于2006年开发国内第一台真正意义上的全手持激光测径仪，此后限于扫描方式的技术原理已经达到一定极限。如果要提高已经达到了极限，所以高层高瞻远瞩从德国KJM公司花巨资购买新产品和新技术，其中包括模具内孔测量仪、专用于超细线的CCD衍射测径仪、等，在市场引起广泛关注。AMG公司开发设计人员在此行业具有15年的从业历

13、史，是一家专业从事研发、生产激光扫描直径测量仪、漆包线、超细线激光扫描直径测量仪等在线检测仪器、仪表的高科技企业，虽然公司历史只有短短的几年，但由于产品设计技术起点较高，因此，短短时间就在行业内有了一定知名度，并有了广泛的客户基础，为测径仪行业竞争带来了活力。广州一思通电子仪器生产的ETD-05系列激光测径仪，测量范围：0.2mm30mm，测量精度：2mETD-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

14、的在线检测，也可用于其它各种圆形工件的外径测量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第二章 测量原理与方案论证 2.1 衍射测径原理 目前，国内比较常用的两种非接触测量方法，一种是基于CCD器件接收光信号的测量方法，另一种是激光扫描测量方法。种方法各有各的优势以及劣势，下面我们来看看激光衍射法。首先由巴比涅原理得知:若有两个衍射屏和其中一个衍射

15、屏的开孔部分与另一衍射屏的不透明部分准确对应，反之亦然，则称这对衍射屏为互补屏 ,设和分别表示由和在观察平面上P点产生的衍射光场 。U（P）表示无衍射屏时P点的光场由衍射公式可知和可表示为对衍射屏和开孔部分的积分运算，两个屏的开孔部分相加恰好等于整个平面，不存在不透明区域，所以有 (1) 上式表明，两个互补屏在观察点产生的衍射光场，其复振幅之和等于光波自由传播时在该点的复振幅，这一结论称为巴俾涅原理由于自由光场较容易事先确定，如果已经求得某一孔径的衍射场，则可应用巴比涅互补原理求得其互补场的衍射屏。例如，可以由单缝衍射场直接导出细丝衍射场；由圆孔衍射场直接导出圆屏衍射场，应用巴比涅原理讨论互补

16、屏的夫琅和费衍射十分方便。采用单色平面波垂直照明，经透镜聚焦在其后焦面，自由光场的夫琅和费衍射正比于（会聚点的光场）。对于轴外点，有，根据巴比涅原理，此时两个互补屏在后焦面上的夫琅和费衍射场的关系是: (P为轴外点) (2)进而可知其光强 I的分布关系为 （P为轴外点） (3)结论是：对于互补屏产生的夫琅和费衍射分布，除轴上点以外，强度分布完全相同；在每一轴外点互补屏产生的光场复振幅分布相位相差。图 2 是利用夫琅和费衍射测量细丝直径的原理图，可将被测细丝看成单缝，利用单缝衍射公式计算细丝直径d，则根据 dsin=，有: (4) 式中：xk为k级暗条纹的位置；f为光波波长；为透镜焦距。 图2

17、衍射图2.2衍射法测量效果及结论在光的相干性较好的条件下，细丝的直径越小，光的衍射法测量结果误差就越当然，这种测量方法也有它的局限性! 首先它只能用于测量很细的线径，一般在0.5mm 以下而且要求测量误差小，精度较高的场合。其次它需要相干性好,亮度高的光源。尽管如此，衍射法测量细丝直径仍不失为一种有效的方法，它可以应用在在线加工中，测量结果可直接控制生产线，使细丝的直径受到自动控制。2.3光电转换器前狭缝宽度与测量步长的选取 实验中首先发现,光电转换器前的狭缝宽度的选取对测量的结果影响极大。在工作距离一定的情况下,衍射用的细丝越粗,衍射条纹越密,每一个条纹集中的光能越大;反之,衍射用的细丝越细

18、,衍射条纹会越疏,每一个条纹集中的光能越小。对较粗的丝产生的比较密集的条纹分布,当所取狭缝宽度过大时,就不能保证较高的光强变化分辨率。而对较细的丝产生的比较稀疏的条纹分布,当所取的狭缝宽度过小时,进入狭缝的光能量太低,不足以引起光电探测器的明显响应,也不能得到分辨率高的光强分布。由以上分析可知,对于粗细不同的细丝,所选取的狭缝宽度和采集步长应不同;丝越粗,选取的狭缝宽度和采集步长应越小；丝越细,选取的狭缝宽度和采集步长应越大。对具体的某一根细丝,应由实验来确定最佳的狭缝宽度和采样步长。光学系统设计3.1 夫琅和费衍射测量细丝直径的系统原理图 图 3是利用夫琅和费衍射测量细丝直径的系统原理图，可

19、将被测细丝看成单缝，利用单缝衍射公式和图2巴比涅互补原理计算细丝直径d。则根据形成暗纹（I= 0）的条件为: dsin=，有: I=I0sin（dsin/）dsin/2 （5）其中K=1，2，。当 很小（即 f足够大）时，sintg=XK/f，得到 d=Kf/XK=f/S （6）上式为衍射测量基本公式。式中 d被测细丝直径；K衍射图样的暗纹级数；单色光波长；f为成像物镜焦距；衍射角，即被测细丝到第 K 级暗纹的连线和光线主轴的交角；XK第 K 级暗纹到光轴的距离；S暗纹间距，S=XK/K，而且各级暗纹间距是相等的。对式（6）全微分，得 d=fS+Sf+fS2S （7）其中，波长误差 极小，可忽

20、略不计。焦距误差 f属系统误差，利用标准量针对系统进行标定可消除其影响。因此，测量误差主要源于 S。由此可见，测量直径 d的关键是测量 S。 图3 系统衍射图3.2实验装置 本实验中衍射光强的测量采用的是GSZF-型衍射光强自动记录仪。主要由以下几个部分组成:(1)光电探测器;(2)CCD摄像机和放大电路;(3)A/D转换电路;(4)利用MATIJAB语言进行工程计算、数值分析和图像处理这样实验将变得非常容易。(5)光栅尺,用于给光电探测器定位。并且还采用标准的机械结构设计，具有一般机械的支撑件，导轨，微调装置。根据实验要求对机械的工作原理、结构、运动方式、力和能量的传递方式、各个零件的材料和

21、形状尺寸、润滑方法等进行构思、分析和计算并将其转化为具体的描述以作为制造依据的工作过程。将以上光、电、机、算的原理、系统设计和零部件结合在一起，使它们组合成一个整体，来完成任务要求。第四章 误差分析4.1 工作距离f的标定及其精度分析 要利用式(6)求得细丝直径d,就必须先测得工作距离f。f的标定方法有多种。作者提出一种简单易行的标定方法。由式(6)可得 (7)可见,只要用一根直径d为已知的细丝,让该细丝产生夫琅和费衍射,测得和,就可确定工作距离D。这种方法不需增加任何仪器,且具有较高的精度。将所有数据代入式(7)得以后测量中保持该值不变。据式(6)可得标定的相对误差为: (8)其中和两项可以

22、忽略,是测量的步长,为0.1 mm,取可分辨的最高级次极小的位置,可取50-80mm,这样项一般在0.13%0.20%;$d取千分尺的最小分度值的一半,即5m,为0.092 mm,这样=5.4%。由此可见,标定D的误差主要来自标准细丝直径的误差。如用精度更高的标准细丝,能进一步减小该误。4.2 夫琅和费衍射法测细丝直径误差分析测量前,先对影响测量精度的误差因素进行分析,由此来确定最佳实验条件。根据式(2)可得用夫琅和费衍射法测量细丝直径的相对误差为： (9)该式中前3项的取值范围如上所述,而f/f值又主要来源于标准细丝直径的误差。故总的看来,用夫琅和费衍射法测量细丝直径的的相对误差主要来自于标定f值的误差和的误差。可以看出,(即测量的步长)取得越小,取得越大,则测量的相对误差会越小。所以,测量时应尽可能选用小的测量步长和衍射级次高的条纹。4.3光学误差 主要是指影响影像几何精度的 CCD摄像机的光学镜头所产生的镜头畸变