光电仪器设计光学部分.doc

西安工业大学北方信息工程学院 课程设计（论文） 题目：细丝直径测试仪 系 别：光电信息系 专 业：测控技术与仪器 班 级：B 学 号：B 姓 名：伍迪 2012年11月12号 目 录第1章 引言.11.1 研究的背景和意义.11.2 国内外研究状况.1第2章 测量原理和方法论证.22.1 检测系统的测量原理.22.2 方案的可行性分析32.3 本章小结3第3章 系统设计43.1 光学系统设计4第4章 精度分析54.1 光学系统对测量精度的影响54.2 误差分析5第5章 总结.6参考文献.7细丝直径测试仪摘要现代工业的发展,意味着对材料要求更高,而在其中,很重要的一部分就是检测技术.更为精确效率的检测,才能满足现代工业的要求.细丝直径的测量通常关系到工业产品的级别. 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。关键词: 线阵CCD，测量，光学自动检测技术 第一章 引言§1.1研究背景和意义在工业生产和科学实验中，经常遇到尺寸小于 1 mm 的细丝直径的测量问题。传统测量细丝直径的方法通常有两种：细丝称重法和游标卡尺或者螺旋测微器手工测量。 细丝称重法即就是将一定长度的细丝称重后，把丝细看成均匀细长的圆柱体，然后根据材料密度求出细丝直径。但此方法的缺点是浪费材料、花费时间多、精度不高，而且不能测量细丝某一处的直径，是一种间接测量法。游标卡尺或者螺旋测微器手工测量法具有测量方便、花费时间少的优点，但缺点是对于直径是微米数量级的细丝由于机械压力往往卡断细丝或者使细丝变形、测量误差大。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、易于推广应用这满足了非接触测量的要求。但结果的精确度受到测量人员熟练程度，测量仪器精确度和测量环境等因素的影响。本文提出一种方法，只要将激光直射细丝产生的衍射图像导入处理软件，细丝直径以及相关数据及不确定度等就可以立刻显示在界面上。§1.2国内外研究现状干涉法测径,早在激光刚问世时就出现了。在六十年代后期,西方发达国家就己经有了衍射测径仪。如1966年英国的菲利浦公司和法国燃料与润滑材料研究所,1969年波兰电工研究所都推出了自己的衍测仪。这一时期的衍射测径仪有一个共同的特点,就是精度不高,自动化程度不高,功能单一。七十年代初期,各国的测径仪几乎全部采用目测法和单个光敏感器件转换法,精度已能做到士0.5%左右。现代，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：0.5mm60mm，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：0.2mm30mm，测量精度：±2m，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。我们研制的多功能细丝直径测量仪不仅能够测量丝径,还能与预设值做出比较，对超出铜丝直径公差的报警提示。 第2章 测量原理和方法论证§2.1 检测系统的测量原理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,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 8m为激光光源波长;f为傅氏透镜焦距;h为各相邻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。h的测量需将高分辨线阵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波如图1所示。图1衍射方波与切割方波当以像元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N0,N1,N2,N3,N4,其中N1,N3, N5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Kh=（ 1/2 N1 + N2 + N3 + + N2K+ 1/2N2K+1）S0式中K为暗点间距的倍数或级数,S0为CCD像元的中心距,相邻两暗点的间距的平均值h为h=（ 1/2 N1 + N2 + N3 + + N2K+ 1/2N2K+1）S0/K (2)将h代入式(1),即可求得细丝直径d。§2.2 方案的可行性分析根据2.1节，系统主要由以下几部分构成：1)光电转换；2)信号采集与处理的硬件实现；3)信号采集与处理的软件实现；4)信号与上位机的通信。对于信号采集部分，现有的信号采集结构按其是否与信号处理部分分离可分为以下几类：第一种是模拟输入专用信号采集系统，该类系统将采集卡放置在计算机内部，采集卡的作用是进行A/D转换并通过计算机总线将数据送入计算机内存，用软件实现处理；第二种是模拟输入采集处理一体化结构，此种结构是将采集、量化集成到一块板卡上，一般由输入输出接口、A/D转换数字化单元、高速缓冲区和微处理单元构成，这种结构设计大大减轻了计算机的处理负荷，但增加了电路设计实现的难度；第三种是数字输入，是采集和处理部分分离的采集系统，这类系统的前端是数字输出的CCD相机，输出的数字化信号直接接入处理器，这种采集结构传输距离长、受外部干扰小开发简单。经过对上述几种采集结构的分析，了解到第一种耗费计算机资源，实时性不高，不适合大量数据的实时处理；第二种是基于母板的二次开发，仍然受到一定限制；第三种处理结构是为线阵CCD相机专门设计的处理系统，用户接口考虑到与相机积分时间同步，采用LVDS格式的数据串行传输，开发相对简单、成本低，因此，我们采用第三种数据采集结构。 §2.3本章小结本章首先了介绍了尺寸检测系统的整体设计方案，接下来分别阐述各模块设计的理论依据。在此基础上引出了本课题的技术方案和可行性分析及其性能特点。接下来，我们将从光学系统、机械系统、电气系统以及计算机系统这四个方面介绍衍射法细丝直径测试仪的设计以及误差分析。 第三章 系统设计§3.1机械系统设计光学系统对成像质量有着十分重要的意义，它直接影响成像系统的工作距离、视场、分辨率、灵敏度和畸变等多项性能参数。对其基本要求是成像清晰、透光率强、杂散光少、像面照度分布均匀、图像畸变小、足够的相对孔径等。根据巴俾涅原理,平行光束照射细丝时，其衍射效应和狭缝一样,在接收屏上得到同样的明暗相间的条纹。 图2 细丝的衍射图图2是细丝的衍射图，当时为夫琅和费衍射,观察屏上光强分布为:当出现暗纹，设第k级暗纹离光轴的距离为xk由xk则有: 式中:S为衍射暗条纹间距,D为细丝直径,L为细丝距CCD光敏面距离.已知L和光波长K,可测出S或xk，由式4得出D。第四章 精度分析§4.1光学系统对测量精度的影响由(4)式可知,测量精度主要决定于K、L和S的测量误差,一般测量,激光波长K的误差可忽略不计,因而有: 很容易保证在1 mm以内,在装置确定后该项则反映为系统误差,通过对标准细丝直径的标定,该项误差很容易控制在仪器要求的精度之内.影响的的因素较多,主要有二项:CCD像元响应不均匀性、各种噪声和杂乱的背景光干扰,这些使有用的衍射信号条纹上叠加有高频噪声和形状畸变,其大小主要由光路安排、光学元件、CCD元件的质量等决定。衍射光轴与CCD光敏面不垂直可引入系统误差,但由于激光束方向的漂移引起的不垂直则反映为随机误差.§4.2误差分析产生误差的原因较多，有些是可以采取一定方法避免或减小的，有些则是在设计中固有的或是客观环境中存在的，是不可避免的。总体来说可以分为实验条件产生误差，系统硬件产生误差以及软件算法引起误差等。（1）实验条件引起误差主要是由于在实验室无法创造与理想条件下完全相同的条件。实验室提供的细丝，在激光的照射下，由于圆周表面的凹凸不平会发生散射，影响数据的采集；平面镜之间的角度在人为条件下不能完全按照要求完全做到，存在细微误差；（2）系统硬件引发误差理想状况下CCD应该固定在与测量细丝在一条直线上，但在实验时CCD相机位置固定时容易发生晃动，使成像大小发生变化，从而影响本系统的测量精度。CCD像元尺寸也是影响测量精度的一个因素，主要表现在边缘检测时，像元尺寸越小，检测精度越高。（3） 软件算法引起的误差虽然在系统设计时考虑到采用硬件电路对信号进行处理会引入更多误差，但是每一种软件算法都有其自身的局限性。本系统使用单片机作为微处理器，单片机计算速度比较慢，片上资源有限，这些都制约了我们软件算法设计时，只能选择实现简单，耗时少的滤波及二值化算法，这些算法固有的局限性都会使最终计算结果产生误差。 第五章 总结 此次的细丝直径测试仪,让我深刻的感受到了做设计的不容易之处.首先要查阅很多资料,整理的过程中也遇到了很多的麻烦.小组间内部的讨论也增进了我们之间的友谊,非常感谢组内同学的帮助,也非常感谢老师对我们的指导.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): 297303.2史惠康. Visual 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. 5161.4杨国光.近代光学测试技术M.北京;机械工业出版社,1986.5徐造林.衍射条纹CCD拟合定位法测细丝直径J.计量技术,2000,8:23-26.6梁福平，激光衍射测量超细丝线径的研究；天津大学；仪器仪表学报，1982.