双光源投影法细丝直径测量(精)

文章编号1004924X(200302017105双光源投影法细丝直径测量赵斌,颜伟彬(华中科技大学机械科学与工程学院仪器系,湖北武汉430074摘要:提出一种细丝直径在线测量方法,利用半导体激光作为点光源,发出球面波;通过细丝后在其后菲涅耳衍射区留下阴影,测量阴影宽度可得细丝直径;同时,利用两个相距一定距离的点光源对同一细丝投影,测量两个投影之间的距离可得细丝位置的晃动量,从而校正直径测量值。关键词:在线直径测量;投影;半导体激光;点光源中图分类号:TB92文献标识码:AMeasurementofwirediameterbytwopointsourcesprojectionZHAOBin,YANWei_bin(DepartmentofInstrumentation,SchoolofMechanicalScienceandEngineering,HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074,ChinaAbstract:Inthenewwirediameteronlinemeasurementsystemproposed,laserdiodewasusedasthepointlightsourcetoemitsphericwavespassingthroughawire.ThediameterofathinwirewasobtainedbymeasuringtheshadowintheFresneldiffractionzone.Twopointsourcesatsomedistancewereusedtogeneratetwoshadowsofthesamewireatthesametimeandthedeviationofthewirecanbedeterminedbythedistancebetweenthetwoshadowssothatthewirediametercanbecalibrated.Keywords:onlinemeasurement;projection;laserdiode;pointlightsource1引言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1mm的线材。衍射法适用于直径小于0.1mm的线材(如光纤。投影成像法就是将被测物成像到一个屏上,再测量屏上的阴影尺寸;理论上适应各种直径范围,但若用平行激光照明,则存在准直透镜球差所导致的误差,若用非相干光照明,则为解决离焦晃动问题,需要用远心光路,且仍存在离焦像边缘判断精度不高的问题。提出一种双光源直接投影法,它不需要成像光学透镜系统,直接测量扩展后阴影的尺寸,并且,利用自带的长度基准可补偿离焦晃动的影响,可用于直径0.1~1mm的测量。2原理图1为细丝对点光源所发出球面波的直接投影示意图;显然,由于细丝对光源的张角很小,阴影的宽度与细丝的直径是成正比的。收稿日期:20020917;修订日期:20030117.基金项目:国家自然科学基金(No.59805006第11卷第2期2003年4月光学精密工程OpticsandPrecisionEngineeringVol.11No.2Apr.2003图6中三条直线与纵坐标的交点就是D。分别约为43、33、18(像素,CCD每个像素为14m,对应直径为0.602、0.462和0.252mm。可见直径较大时测量值与实际值相符合,而当直径较小时,与D存在非线性,且直径越小,非线性越大,其原因是直径越小,衍射及其它影响越大。因此,一方面有必要深入地研究在接近夫朗和费衍射区的细丝衍射宽度计算问题,另一方面在实际应用中,必须先用标准件标定,然后对实际测量数据进行非线性校正。图6中个别点对直线的偏差与激光衍射、散斑、CCD探测器的噪声和非线性等有关,因此在实用设计时,一定要在光源强度匹配、杂散光消除、电路线性等方面仔细考虑。由于本实验中细丝移动范围达40mm,理论上完全可以满足实际生产中对晃动细丝的在线测量。当然,要作实用设计,还需对系统各环节结构和参数进行全面的分析。5结论采用点光源直接投影法测量细丝的直径,不需透镜即可得到大的光学放大率;采用双点光源投影,可以测量细丝的轴向晃动,校正投影测量结果,消除晃动的影响,实现在线测量。参考文献:[1]秦积荣.光电检测原理及应用[M].北京:国防工业出版社,1987.QINJR.Principleandapplicationofopto_electronicaltesting[M].Beijing:NationalDefenceIndustryPress,1987.(inChinese[2]吕海宝.激光光电检测[M].长沙:国防科技大学出版社,2000.LUHB.Laseropto_elctronicaltesting[M].Changsha:NationalDefenceIndustryPress,2000.(inChinese[3]王海清.激光测径仪在高速线材生产线上应用的可行性分析[J].钢铁,1994,29(8:64_67.WANGHQ.Feasibilityanalysisoflasergaugeappliedonhightspeedwirerodprodutionline[J].IronandSteel,1994,29(8:64_67.(inChinese[4]李承志.钢管在线动态激光测径仪测量精度分析[J].钢管,1995,(1:50_52.LICHZH.Analysisofmeasurementaccuracyoflasergaugeforsteelpipein-linedynamicdiametermeasurement[J].SteelPipe,1995,(1:50_52.(inChinese[5]张凤生,刘冲.高精度激光衍射测径系统[J].仪器仪表学报,2001,22(3:149_151.ZHANGFSH,LIUCH.Superprecisionlaserdiffractionmeasuringsystemforfinediameter[J].ChineseJournalofScientificInstrument,2001,22(3:149_151.(inChinese[6]李为民,俞巧云,裘凌红.投影法CCD测径系统[J].仪表技术与传感器,2001,(1:35_39.LIWM,YUQH,PEILH.ProjectionmethodofdiametermeasurementsystemwithCCD[J].InstrumentTechniqueandSensor,2001,(1:35_39.(inChinese[7]林棋榕.激光CCD实时、无接触、动态线径测量的研究[J].光学精密工程,1997,5(2:109_115.LINQRLaser_CCDsystemforreal_time,Non_contactanddynamicmeasurementofdiameterofwire[J].OpticsandPrecisionEngineering,1997,5(2:109_115.[8]GHATAKAK,THYAGRAJANK.近代光学[M].北京:高等教育出版社,1987.GHATAKAK,THYAGRAJANK.Contemporaryoptics[M].Beijing:HigherEducationPress,1987.(inChinese作者简介:赵斌(1963-,男,江西人,1995年获华中理工大学博士学位,现为华中科技大学仪器系副教授,从事光学精密测量研究。