CN109855552A - 一种双向非接触式线径测量仪及方法 - Google Patents
一种双向非接触式线径测量仪及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种双向非接触式线径测量仪及方法。该线径测量仪的测量光路由两条完全相同的光路对称形成，每一条光路分别包括准直激光器、狭缝、CCD相机和平面反射镜。测量方法为：所述准直激光器的出射光通过出射口的狭缝后，发生夫琅禾费单缝衍射，入射到待测线材上后再次发生衍射，然后经过准直反射镜，使衍射条纹入射到CCD相机；CCD相机连接至计算机上，将接收到的衍射条纹的光信号转换成电信号传输至计算机，计算机根据测得的暗条纹间距和待测线材到CCD相机的距离，计算待测线材的直径；将两条光路的测量结果相减，并除以2得到待测线材圆度的测量结果。本发明采用非接触式、双向自动测量的方式，具有测量方便、精度高的优点。
Description
技术领域
本发明涉及线径测量技术领域，特别是一种双向非接触式线径测量仪及方法。
背景技术
目前硅晶切割主要采用金刚线切割，而金刚线的粗细均匀度对切割效果有直接影响，因此金刚石线生产结束后，线径测量是必要步骤。市场上金刚线测量主要采用手持式测径仪，通过千分尺进行读数。测量时检测人员跟随线的运动，边对准金刚线边使用手持式测径仪读数，进行接触式测量。因为金刚线的直径在微米级，接触式测量会对线本身造成弯折等影响，所以使用非接触式的测径仪十分必要。
现有的非接触式线径仪分为两类，一类是通过激光照射待测线材后，通过光学系统使得图像被光电传感器接收；一类是通过激光扫描测量。
中国专利CN20150560223.8公开了一种单向激光扫描大口径测径仪，该测径仪测量时需要马达带动八面镜旋转，将激光转换成平行光后经过一套光学系统被光电接收管接收。但是，该测径仪对马达的稳定性要求高，光学系统成本高，单向测量精确度低。
中国专利CN201620290647.7公开了一种手动将待测件放入测试区的激光测径仪，该测径仪需要人工将固定有待测线材的夹具放置到待测区域的导轨上后，方可进行测量，因此测量步骤繁琐、人工成本高，并且人为因素会对测量精度产生影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够进行自动测量、测量精度高的双向非接触式线径测量仪及方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种双向非接触式线径测量仪，测量光路由两条完全相同的光路对称形成，每一条光路分别包括准直激光器、狭缝、CCD相机和平面反射镜；
所述准直激光器的出射光通过出射口的狭缝后，发生夫琅禾费单缝衍射，入射到待测线材上后再次发生衍射，然后经过准直反射镜，使衍射条纹入射到CCD相机；CCD相机连接至计算机上，将接收到的衍射条纹的光信号转换成电信号传输至计算机，计算机根据测得的暗条纹间距和待测线材到CCD相机的距离，计算出待测线材的直径；将两条光路的测量结果求取均值得到待测线材直径的双向测量结果。
进一步地，所述准直激光器波长为650nm。
进一步地，所述狭缝的尺寸为2mm。
进一步地，所述CCD相机，共5000个像素，像素大小为7um，波长响应范围为300nm～1100nm，CCD最大输出帧率为100帧/秒，AD采样速率为500KHz，采样深度为8Bit，总感光长度为35mm，采用同步触发输出端口。
一种双向非接触式线径测量方法，包括以下步骤：
步骤1，由两条完全相同的光路对称形成测量光路，每一条光路分别包括准直激光器、狭缝、CCD相机和平面反射镜；
步骤2，所述准直激光器的出射光通过出射口的狭缝后，发生夫琅禾费单缝衍射，入射到待测线材上后再次发生衍射，然后经过准直反射镜，使衍射条纹入射到CCD相机；
步骤3，CCD相机连接至计算机上，将接收到的衍射条纹的光信号转换成电信号传输至计算机，计算机根据测得的暗条纹间距和待测线材到CCD相机的距离，计算待测线材的直径；
步骤4，将两条光路的测量结果求取均值得到待测线材直径的双向测量结果。
进一步地，步骤2所述所述准直激光器的出射光通过出射口的狭缝后，发生夫琅禾费单缝衍射，满足以下条件：
其中，a为狭缝宽度，θ为衍射角度，k为条纹级数，λ为波长；I为光强分布，I0为最大光强；
当θ＝kπ时，I＝0，出现暗条纹，每一侧的暗条纹等间距。
进一步地，步骤3中所述计算待测线材的直径，公式如下：
设第k级暗条纹到光轴的距离为x，则待测线材的直径d为：
其中，s为暗条纹间距，L为待测线材到CCD相机接收屏的距离。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)固定式测量，无需人力手持；(2)非接触式测量，不会损坏线材；(3)系统储存测量数据，便于数据追踪与分析；(4)测量光路呈对称分布，双向测量，精度高，并且可以计算出待测线材横截面的圆度。
附图说明
图1是本发明双向非接触式线径测量仪的光路图。
图2是本发明双向非接触式线径测量仪的安装示意图。
图3是本发明中衍射条纹的光强分布图。
图4是本发明实施例中CCD相机测量软件流程图。
图5是本发明单向测量与双向测量的原理对比图。
具体实施方式
本发明双向非接触式线径测量仪，测量光路由两条完全相同的光路对称形成，每一条光路分别包括准直激光器2、狭缝3、CCD相机4和平面反射镜5；
所述准直激光器2的出射光通过出射口的狭缝3后，发生夫琅禾费单缝衍射，入射到待测线材1上后再次发生衍射，然后经过准直反射镜5，使衍射条纹入射到CCD相机4；CCD相机4连接至计算机上，将接收到的衍射条纹的光信号转换成电信号传输至计算机，计算机根据测得的暗条纹间距和待测线材1到CCD相机4的距离，计算出待测线材1的直径；将两条光路的测量结果求取均值得到待测线材1直径的双向测量结果。
作为一种具体示例，所述准直激光器2波长为650nm。
作为一种具体示例，所述狭缝3的尺寸为2mm。
作为一种具体示例，所述CCD相机4，共5000个像素，像素大小为7um，波长响应范围为300nm～1100nm，CCD最大输出帧率为100帧/秒，AD采样速率为500KHz，采样深度为8Bit，总感光长度为35mm，采用同步触发输出端口。
一种双向非接触式线径测量方法，包括以下步骤：
步骤1，由两条完全相同的光路对称形成测量光路，每一条光路分别包括准直激光器2、狭缝3、CCD相机4和平面反射镜5；
步骤2，所述准直激光器2的出射光通过出射口的狭缝3后，发生夫琅禾费单缝衍射，入射到待测线材1上后再次发生衍射，然后经过准直反射镜5，使衍射条纹入射到CCD相机4；
步骤3，CCD相机4连接至计算机上，将接收到的衍射条纹的光信号转换成电信号传输至计算机，计算机根据测得的暗条纹间距和待测线材1到CCD相机4的距离，计算待测线材1的直径；
步骤4，将两条光路的测量结果求取均值得到待测线材1直径的双向测量结果。
作为一种具体示例，步骤2所述所述准直激光器2的出射光通过出射口的狭缝3后，发生夫琅禾费单缝衍射，满足以下条件：
其中，a为狭缝宽度，θ为衍射角度，k为条纹级数，λ为波长；I为光强分布，I0为最大光强；
当θ＝kπ时，I＝0，出现暗条纹，每一侧的暗条纹等间距。
作为一种具体示例，步骤3中所述计算待测线材1的直径，公式如下：
设第k级暗条纹到光轴的距离为x，则待测线材1的直径d为：
其中，s为暗条纹间距，L为待测线材到CCD相机4接收屏的距离。
本发明的原理是：由于光的波动性，当光在传播过程中遇到障碍物，且该障碍物的线度与光波相近时，会发生光线偏离直线传播的现象。即光线绕过障碍物，传播到障碍物的几何阴影区内，可在障碍物后方的接收屏上可以得到明暗相间的衍射条纹。
障碍物有狭缝、圆孔、圆屏等，障碍物为狭缝的衍射称为单缝衍射。单缝衍射又分为菲涅尔单缝衍射和夫琅禾费单缝衍射，其中夫琅禾费单缝衍射要求入射光和出射光都为平行光。通过使用准直好的激光器和镀膜反射镜可以保证达到夫琅禾费单缝衍射的要求。激光通过狭缝后发生夫琅禾费单缝衍射，在经过待测线材后再次发生衍射。根据巴比涅定理，直径为a的细丝和直径为a的狭缝产生的衍射图案相同，则光强计算公式可以通用。此时，光强为0时出现的暗条纹为等间距条纹。
线阵CCD将接受到的光信号转化为电信号输出，软件将接受到的电信号读取后计算可以得出待测线材的直径。该软件的登记号为2018SR1501，原理是将线阵CCD相机输出的电信号读取出来，并形成一个光强-像素点数目的曲线图，该曲线图以光强为垂轴，像素点数目为横轴；曲线的两个波峰为一个周期，该周期为一个暗条纹的间距；两个波峰对应着不同的坐标，将这两个坐标的横轴相减后取绝对值，则得出暗条纹所占据的像素点数目。暗条纹的间距根据以下公式得出，其中N为像素点数目，d为像素点大小，S为暗条纹间距：
S＝Nd
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例
结合图1，本实施例双向非接触式线径测量仪，包括待测线材1、准直激光器2、狭缝3、CCD相机4和平面反射镜5；
所述准直激光器2的出射光通过出射口的狭缝3后，发生夫琅禾费单缝衍射，入射到待测线材1上后再次发生衍射，然后经过准直反射镜5，使衍射条纹入射到CCD相机4；CCD相机4连接至计算机上，将接收到的衍射条纹的光信号转换成电信号传输至计算机，计算机根据测得的暗条纹间距和待测线材1到CCD相机4的距离，计算出待测线材的直径。
激光出射口放置的狭缝使光传播时产生夫琅禾费单缝衍射，出现暗条纹的条件为：
其中，a为狭缝宽度，θ为衍射角度，k为条纹级数，λ为波长；I为光强分布，I0为最大光强。
干涉条纹的光强分布如图2所示。当θ＝kπ时，I＝0，出现暗条纹，每一侧的暗条纹都是等间距的。由于实际衍射角θ很小，设第k级暗条纹到光轴的距离为x，则有：
其中，d为待测线材的直径，s为暗条纹间距，L为待测线材到接收屏的距离。由上式可以得出待测线材的直径d。
本具体实施例使用的准直激光器2波长为650nm，狭缝3尺寸为2mm，在对称光路上各有一个狭缝。使用的线阵CCD相机4像素共5000个，像素大小为7um，波长响应范围为300nm～1100nm。CCD最大输出帧率为100帧/秒。AD采样速率为500KHz，采样深度为8Bit，总感光长度为35mm。采用同步触发输出端口。
结合图2，m为待测线材1到平面反射镜5边缘A点的距离，n为平面反射镜5边缘A点到CCD相机4的距离，α为平面反射镜5的法线与反射光线的夹角，β为平面反射镜5与垂轴方向的夹角；本实例安装时m为120mm，n为90mm，β为67.5°，α为33.8°，两路光路的准直激光器2、狭缝3、平面反射镜5和CCD相机4的位置互相对称。
双向测量时，两路光路分为1号光路和2号光路，各自采样。由1号光路采样的多组数据计算出平均值；由2号光路采样的多组数据计算出平均值。根据1号光路和2号光路计算出的平均值，相减除以2后得到圆度的值，圆度只有在双向测量时可以得出。
结合图3～5，本实施例双向非接触式线径测量方法，包括以下步骤：
步骤1，由两条完全相同的光路对称形成测量光路，每一条光路分别包括准直激光器、狭缝、CCD相机和平面反射镜；
步骤2，所述准直激光器的出射光通过出射口的狭缝后，发生夫琅禾费单缝衍射，入射到待测线材上后再次发生衍射，然后经过准直反射镜，使衍射条纹入射到CCD相机；
步骤3，CCD相机连接至计算机上，将接收到的衍射条纹的光信号转换成电信号传输至计算机，计算机根据测得的暗条纹间距和待测线材到CCD相机的距离，计算待测线材的直径；
步骤4，将两条光路的测量结果求取均值得到待测线材直径的双向测量结果。
在该实施例的情况下，使用登记号为2018SR1501的软件，使用公式计算出待测线材的直径和圆度。
本发明使用了双向测量，可以计算得知待测线材的横截面的圆度，而圆度衡量了横截面是否是一个标准圆，这是单向测量无法得知的数据。此外，本发明采用固定式测量，无需人力手持，不会损坏线材；系统储存测量数据，便于数据追踪与分析；测量光路呈对称分布，双向测量，精度高。
Claims (7)
1.一种双向非接触式线径测量仪，其特征在于，测量光路由两条完全相同的光路对称形成，每一条光路分别包括准直激光器(2)、狭缝(3)、CCD相机(4)和平面反射镜(5)；
所述准直激光器(2)的出射光通过出射口的狭缝(3)后，发生夫琅禾费单缝衍射，入射到待测线材(1)上后再次发生衍射，然后经过准直反射镜(5)，使衍射条纹入射到CCD相机(4)；CCD相机(4)连接至计算机上，将接收到的衍射条纹的光信号转换成电信号传输至计算机，计算机根据测得的暗条纹间距和待测线材(1)到CCD相机(4)的距离，计算出待测线材(1)的直径；将两条光路的测量结果相减，并除以2得到待测线材(1)圆度的测量结果。
2.根据权利要求1所述的双向非接触式线径测量仪，其特征在于，所述准直激光器(2)波长为650nm。
3.根据权利要求1所述的双向非接触式线径测量仪，其特征在于，所述狭缝(3)的尺寸为2mm。
4.根据权利要求1所述的双向非接触式线径测量仪，其特征在于，所述CCD相机(4)，共5000个像素，像素大小为7um，波长响应范围为300nm～1100nm，CCD最大输出帧率为100帧/秒，AD采样速率为500KHz，采样深度为8Bit，总感光长度为35mm，采用同步触发输出端口。
5.一种双向非接触式线径测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，由两条完全相同的光路对称形成测量光路，每一条光路分别包括准直激光器(2)、狭缝(3)、CCD相机(4)和平面反射镜(5)；
步骤2，所述准直激光器(2)的出射光通过出射口的狭缝(3)后，发生夫琅禾费单缝衍射，入射到待测线材(1)上后再次发生衍射，然后经过准直反射镜(5)，使衍射条纹入射到CCD相机(4)；
步骤3，CCD相机(4)连接至计算机上，将接收到的衍射条纹的光信号转换成电信号传输至计算机，计算机根据测得的暗条纹间距和待测线材(1)到CCD相机(4)的距离，计算待测线材(1)的直径；
步骤4，将两条光路的测量结果求取均值得到待测线材(1)直径的双向测量结果。
6.根据权利要求5所述的双向非接触式线径测量方法，其特征在于，步骤2所述所述准直激光器(2)的出射光通过出射口的狭缝(3)后，发生夫琅禾费单缝衍射，满足以下条件：
asinθ＝kλ,k＝±1,±2···
其中，a为狭缝宽度，θ为衍射角度，k为条纹级数，λ为波长；I为光强分布，I0为最大光强；
当θ＝kπ时，I＝0，出现暗条纹，每一侧的暗条纹等间距。
7.根据权利要求5所述的双向非接触式线径测量方法，其特征在于，步骤3中所述计算待测线材(1)的直径，公式如下：
设第k级暗条纹到光轴的距离为x，则待测线材(1)的直径d为：
其中，s为暗条纹间距，L为待测线材到CCD相机(4)接收屏的距离。
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