透明玻璃管的在线测量

　　一、前言

　　电子、电光源、医药、化工等行业都需要大量使用玻璃管。玻璃管的质量在很大程度上影响着整个产品质量。玻璃管的质量，一般从两个方面进行考察。一是理化性能方面的指标，如玻璃的成份、含量、熔点、硬度等;二是几何尺寸及外观上的要求。目前，用户对玻璃管的几何尺寸要求，主要有两个:外径和壁厚。对于外径的在线测量和控制，目前有激光外径测控仪等仪器。而对干壁厚的在线测量和控制，据笔者所了解，目前国内外尚无适用的仪器。为了能够在线测量透明玻璃管的外径和壁厚，可以采用光电成象法。我们使用了这种方法，取得了比较满意的效果。

　　二、测量原理

　　将透明玻璃管置于平行光路中，如图1所示。ri为玻璃管内半径，rz为玻璃管外半径，H为某一光线距玻璃管中心C的距离，d为玻璃管壁厚。

　　根据光束穿过玻璃管后的情况，可将光束分成如下三部分:

　　1.H)r:时，透过率为1。

　　2.rZ>H)rl时，由于形成全反射，故透过率为。。

　　设空气折射率为nl，玻璃的折射率为n:，则光束由空气进入玻璃，其折射角石与入射角11及n，、n:的关系如下:

　　当光束由玻璃管内壁穿出进入管内空气时，又有如下关系式:

　　首先找出12与扩:的关系，然后再求出il与il:的关系。在△C口10:中，根据正弦定理得:

　　将式(2)代入得:

　　再将式(1)代入得

　　要形成全反射，八至少要等于90。这就是说，当H)rl(H

　　3.H 光束穿过玻璃管，需通过4个空气和玻璃的分界面，因而，总反射率为:

　　反射损失R与光束入射角11的关系如图2所示。

　　从图中可以看出，当入射角11小于45。时，反射损失较小，当入射角大于45。以后，反射损失急剧增大，直到90。时变为100%。

　　若(rZ一d)/r:簇入/厄/2，则、inil簇伏丁/2即入射角11镇45“，这样穿过玻璃管的光束透过率大约在90%左右。因此，通过成象系统在光电图象传感器CCD的输出视频信号如图3所示。

　　(l)人射角i，簇45“的光束，透过率约为90铸。

　　(2)入射角11>450而小于aresin〔(r:一d)/八〕时，光夷能量损失R由图2中曲线所示。这样，玻璃管通过成象系统所成图象从管壁向管中心有一灰度梯度，所以CCD输出的视频信号如图4。

　　三、测量系统

　　测量系统由光学、机械、检测电路、计算机等部分组成。

　　1.光学系统:该部分的作用是将被测玻璃管成象在光电接收器件—CCD光敏面上。系统中有照明光源，为了保证被测玻璃管均匀照明，采用柯拉照明方式二成象系统采用物方远心光路，这样可以补偿玻璃管在拉制过程中由于抖动或位置变动而引起的测量误差。光学系统设计的主要技术参数为物方视场、系统放大率、物方分辨力等。