细丝直径高精度衍射测量的研究

　　0引言

　　细丝直径(一般在10~500μm)的高精度测量在电子、仪器仪表、轻纺等工业领域有重要应用,如漆包线、光学纤维和化学纤维测量等。目前,用于细丝直径非接触测量方法主要有光学成像法[1]、激光扫描法[2]和衍射测量法[3-4]。光学成像法和激光扫描法由于受细丝衍射效应的影响,测量误差较大。衍射测量法则是利用被测细丝的衍射效应来实现高精度测量,其测量关键在于高精度测定衍射图样的暗纹间距。本文选用CCD[5]测量暗纹间距是因为CCD的像元尺寸很小,几何精度极高,可实现对暗纹间距的高分辨力测量。此外,CCD抗干扰能力很强,易于与计算机结合进行信号处理,构成应用于工业环境的实时自动测量系统。

　　1测量系统的组成

　　衍射测量原理如图1所示。He-Ne激光器发出的单色平行光垂直照射被测细丝,经细丝衍射后在成像物镜的焦平面上形成衍射图样。根据夫琅和费衍射理论和互补屏衍射定理[6],形成衍射暗纹的条件为dsinθ=Kλ。当衍射角θ很小时,sinθ≈tanθ=XK/f,得到

　　式(1)为衍射测量基本公式。式中,d为被测细丝直径;λ为波长;K(=±1,±2,…)为衍射暗纹级次,第K级暗纹到光轴的距离为XK;S=XK/K为暗纹间距。理论上,各级暗纹间距是相等的。对式(1)全微分,得

　　其中,波长误差Δλ极小,可忽略不计。焦距误差Δf属系统误差,通过对系统进行标定可消除其影响。因此,测量误差主要源于ΔS。由此可见,测量直径d的关键是测量S。

　　测量系统主要组成部分的性能参数:

　　1)He-Ne激光器:λ=0.6328μm,Δλ<λ,光束发散角约3×rad。

　　2)成像物镜:焦距f=135mm,视场角2ω=28°50′。需要指出,物镜的选择需综合考虑如下因素:首先,衍射光能绝大部分集中于低级次的衍射条纹,且光强分布的强弱变化大,可能超出CCD的动态范围。实用中一般选择3~18级暗纹进行测量。其次,衍射角θ随d的减小而增大,物镜物方视场角2ω的确定是以测量系统的最小可测直径dmin的要求为条件,ω的大小应确保可以接收一定数量的3~18级暗纹。此外,衍射图样的分布对称于光轴,为有效利用CCD的有效受光区尺寸应将CCD置于光轴的一侧,且位于2级衍射暗纹以外,由此确定物镜的像方线视场2ωf。

　　3)CCD及其驱动器:CCD选用日本东芝公司产品TCD1206SUP线阵CCD,像元数2160,像元尺寸14μm×14μm,光响应非均匀性±10%,动态范围1700。器件内含采样保持电路和输出预放大电路。CCD驱动器的驱动频率范围62.5kHz~1.0MHz,分4档手工可调;16档积分时间,可通过软件动态设定。

　　4)ADA10GEL-AT数据采集卡:该卡实现CCD输出视频信号的数据采集,其主要参数:A/D转换器为AD1674,12位;最高采样频率100kHz;16位ISA标准接口。采集卡支持的设定功能:软件设定CCD驱动器的积分时间,硬件设定CCD像元数和I/O端口地址(300h~3FFh)(避免采集卡与计算机中的其它硬件冲突)。