引言

在電線(xiàn)生產(chǎn)線(xiàn)上，當(dāng)電線(xiàn)的直徑非常小時(shí)，細(xì)線(xiàn)在生產(chǎn)線(xiàn)上運(yùn)行速度將會(huì)非常快，在如此高速運(yùn)行的情況下，線(xiàn)徑的實(shí)時(shí)檢測(cè)十分困難；但是，線(xiàn)徑的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量又是十分重要的，特別是在漆包工藝中，實(shí)時(shí)地對(duì)線(xiàn)徑進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測(cè)，可以有效地控制漆層的厚度，從而提髙漆包線(xiàn)的質(zhì)量，降低廢品率。本文提出的高精度線(xiàn)徑動(dòng)態(tài)測(cè)徑儀就是根據(jù)這種要求而研發(fā)的，它可應(yīng)用于電線(xiàn)、鎢絲、光纖等細(xì)線(xiàn)生產(chǎn)線(xiàn)，完成實(shí)時(shí)線(xiàn)徑檢測(cè)。

1、光學(xué)系統(tǒng)的組成和基本工作原理

檢測(cè)系統(tǒng)組成如圖1所示。其中顯微物鏡是光學(xué)系統(tǒng)主要部件，由它完成對(duì)線(xiàn)徑的光學(xué)放大并在線(xiàn)陣CCD光敏元上成像。

氦氖激光器及其擴(kuò)束系統(tǒng)為顯微物鏡提供平行性很好的照明光源。采用激光并經(jīng)過(guò)擴(kuò)束作為照明光源主要是為了改善照明光源的平行性，提髙測(cè)量精度。由于被測(cè)細(xì)線(xiàn)為圓柱體，其表面的定位精度不僅受斜光束的影響，同時(shí)還受曲面表面對(duì)斜光束反射的影響，由反射光線(xiàn)產(chǎn)生的虛物點(diǎn)影響了圓柱體光學(xué)影像邊緣的精確定位。設(shè)斜光束與光軸夾角為θ，圓柱體半徑為r，則由斜光束反射造成的物體邊緣定位誤差為：

可見(jiàn)，采用激光照明時(shí)，定位精度得到很大的改善，使由斜光束在曲面反射造成的測(cè)量誤差大大小于本系統(tǒng)測(cè)量精度的要求。

為了降低整個(gè)系統(tǒng)的成本，對(duì)光學(xué)系統(tǒng)使用的鏡頭沒(méi)有根據(jù)高精度測(cè)量的特殊要進(jìn)行專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)，僅使用一般的顯微物鏡和擴(kuò)束鏡頭，由此產(chǎn)生的測(cè)量誤差則通過(guò)微機(jī)編制的誤差修正程序來(lái)克服。另外，為了減少激光輸出功率的不穩(wěn)定對(duì)測(cè)量精度的影響，還采用了電流反饋式穩(wěn)定裝置穩(wěn)定氦氖激光器輸出功率。

2、微機(jī)數(shù)據(jù)處理和顯示

本系統(tǒng)使用1024位線(xiàn)陣CCD進(jìn)行光電檢測(cè)。線(xiàn)徑變化1μm對(duì)應(yīng)于CCD光敏面變化一個(gè)光敏元，即一個(gè)象素。CCD光電檢測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)浮動(dòng)二值化處理后，量化為數(shù)字信號(hào)，光敏面上每一個(gè)光敏元（象素）的光信號(hào)對(duì)應(yīng)于一個(gè)電脈沖信號(hào)的輸出，所以，當(dāng)線(xiàn)徑變化1μm時(shí)，對(duì)應(yīng)于輸出電信號(hào)變化一個(gè)脈沖。

為滿(mǎn)足髙速動(dòng)態(tài)檢測(cè)的要求，完成一次測(cè)量所需要的時(shí)間必須很短。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)在0．77ms時(shí)間內(nèi)完成一次測(cè)量，與之相適應(yīng)，CCD光電檢測(cè)輸出信號(hào)為周期接近于1．5μs的髙速脈沖。當(dāng)信號(hào)輸入微機(jī)進(jìn)行處理時(shí)，由于信號(hào)變化速率太大，PIO并行接口接收信號(hào)的速度跟不上。本系統(tǒng)采用了以微機(jī)計(jì)數(shù)器CTC接收數(shù)據(jù)，而后通過(guò)中斷子程序由中央處理器CPU進(jìn)行處理和顯示的辦法。當(dāng)進(jìn)行單次測(cè)量時(shí)，線(xiàn)徑D等于：

微機(jī)程序的組成：首先由主程序?qū)TC的工作方式進(jìn)行設(shè)定，以CTC中的CTl和CT3 分別對(duì)CCD A通道和CCD B通道的輸出脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)測(cè)量，當(dāng)計(jì)數(shù)值超過(guò)CTC計(jì)數(shù)容量時(shí)，通過(guò)CT1和CT3的中斷子程序，使微機(jī)設(shè)定的量化計(jì)數(shù)器進(jìn)位加一，同時(shí)通過(guò)CT0監(jiān)測(cè)測(cè)量次數(shù)，每完成一次測(cè)量，CT0計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)一次，當(dāng)CT0計(jì)數(shù)值到達(dá)所要求測(cè)量的次數(shù)n，通過(guò)CT0中斷子程序停止CT1和CT3計(jì)數(shù)，并根據(jù)所得數(shù)據(jù)由CPU進(jìn)行運(yùn)算和顯示。微機(jī)數(shù)據(jù)處理組成如圖2所示。

設(shè)所得兩個(gè)通道量化計(jì)數(shù)器值分別為A1個(gè)B1，停止計(jì)數(shù)時(shí)，減一計(jì)數(shù)器CT1和CT3當(dāng)時(shí)的值為A2何B2，則線(xiàn)徑D為：

3、測(cè)量精度分析和微機(jī)對(duì)測(cè)量誤差的修正

根據(jù)設(shè)定的顯微物鏡的放大倍數(shù)（β＝ 16）和選用的CCD器件光敏元尺寸（16μm），這個(gè)系統(tǒng)可以識(shí)別線(xiàn)徑1μm的變化量，也就是說(shuō)這個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量絕對(duì)誤差可以小于1μm，但這只是在理想情況下才能達(dá)到的，實(shí)際上還有其它的因素影響測(cè)量精度，造成測(cè)量誤差的增大。在動(dòng)態(tài)檢測(cè)情況下，影響測(cè)量精度的主要因索，一是景深的變化，二是物鏡的非線(xiàn)性畸變。由于被測(cè)線(xiàn)不是穩(wěn)定不動(dòng)的，它在運(yùn)動(dòng)之中通過(guò)顯微物鏡的視場(chǎng)，使得它與物鏡之間的距離不可能保持絕對(duì)穩(wěn)定。雖然可以調(diào)節(jié)物距等于工作距，但是運(yùn)動(dòng)中細(xì)線(xiàn)總會(huì)在工作距左右有一定的抖動(dòng)，當(dāng)細(xì)線(xiàn)偏離對(duì)準(zhǔn)平面為△l時(shí)，線(xiàn)徑邊沿的一個(gè)點(diǎn) 在對(duì)準(zhǔn)平面上成為一個(gè)彌散斑，造成測(cè)量的誤差。這個(gè)彌散斑的直徑為：

Z≈2△l·sinθ （6）

θ為照明光源的發(fā)散角。為了使這個(gè)彌散斑不影響系統(tǒng)的測(cè)量精度，要求彌散斑直徑至少必須小于1μm。設(shè)細(xì)線(xiàn)在工作距左右抖動(dòng)最大可能偏離距離以△l＝1 mm，則由式（6）可求得對(duì)照明光源發(fā)散角的要求為：

可見(jiàn)，本系統(tǒng)由于采用經(jīng)過(guò)擴(kuò)束的激光作為照明光源，這個(gè)要求可以滿(mǎn)足。只要細(xì)線(xiàn)動(dòng)態(tài)運(yùn)行之中在工作距左右的抖動(dòng)小于lmm，則這種抖動(dòng)對(duì)測(cè)量精度的影響將得到克服。

細(xì)線(xiàn)動(dòng)態(tài)運(yùn)行中除了在工作距左右抖動(dòng)之外，還同時(shí)存在被測(cè)線(xiàn)在線(xiàn)視場(chǎng)的上下擺動(dòng)，因此由于顯微物鏡的非線(xiàn)性畸變，使同一個(gè)線(xiàn)徑在CCD上成像大小不同，造成測(cè)量的誤差。非線(xiàn)性畸變還使得被測(cè)線(xiàn)線(xiàn)徑不同時(shí)， 測(cè)量的線(xiàn)徑值不能與之成線(xiàn)性關(guān)系，同樣造成了測(cè)量誤差，所以它是影響測(cè)量精度的主要因素。雖然可以通過(guò)設(shè)計(jì)非線(xiàn)性畸變小的高質(zhì)量物鏡來(lái)減小誤差，但這將使儀器成本增加，并且鏡頭實(shí)際加工也不容易達(dá)到較高的指標(biāo)。除了物鏡的影響之外，其它因素也會(huì)造成測(cè)量的非線(xiàn)性誤差，如光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)整偏差，CCD器件的性能不理想等，所以本系統(tǒng)只用一般物境，降低對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的要求，而最后通過(guò)微機(jī)對(duì)這些誤差進(jìn)行動(dòng)態(tài)綜合修正，既降低了成本，又滿(mǎn)足了測(cè)量精度的要求。

圖2中的喑影區(qū)表示被測(cè)細(xì)線(xiàn)在物鏡視場(chǎng)中的位置。

A點(diǎn)和B點(diǎn)分別為細(xì)線(xiàn)沿直徑方向兩個(gè)邊緣位置，x為沿直徑方向的座標(biāo)。

微機(jī)誤差修正程序是根據(jù)被測(cè)線(xiàn)線(xiàn)徑的兩個(gè)邊緣在視場(chǎng)中不同位置，從存貯器中出相應(yīng)的誤差修正量對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正的。被測(cè)線(xiàn)在視場(chǎng)中不同位置的判別根據(jù)CCD光電檢測(cè)波形的包絡(luò)確定，包絡(luò)的兩個(gè)邊緣即對(duì)應(yīng)于線(xiàn)徑的兩個(gè)邊緣位置A和B，使并行接口PIO工作于位控方式，通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)PIO對(duì)這兩個(gè)邊緣的中斷響應(yīng)，由PI0的中斷子程序根據(jù)計(jì)數(shù)器CT1和CT3及其量化計(jì)數(shù)器計(jì)算出yAi和Ybi值，然后以yAi和ybi值為址分別從對(duì)應(yīng)的ROM中取出誤差修正量放入微機(jī)的中央處理器CPU中去，最后在計(jì)數(shù)器CT0中斷子程序進(jìn)行線(xiàn)徑值運(yùn)算時(shí)，用誤差修正量對(duì)運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行修正。

在具有微機(jī)誤差修正能力的測(cè)量系統(tǒng)中，整機(jī)的系統(tǒng)誤差主要決定于測(cè)量系統(tǒng)對(duì)線(xiàn)徑變化的分辨率。本機(jī)主要由CCD的分辨率所決定。微機(jī)誤差修正的待點(diǎn)是可以對(duì)大量的可分辨的測(cè)量值逐個(gè)獨(dú)立進(jìn)行修正，不存在相互之間的影響，而一般機(jī)械式或電子式儀表，誤差修正調(diào)整只能在有限點(diǎn)進(jìn)行，并且每一個(gè)點(diǎn)的調(diào)整存在相互影響，很難使每一個(gè)示值的誤差都得到修正。微機(jī)誤差修正不存在這種影響，可以使每個(gè)示值都修正到可能的準(zhǔn)確值。

結(jié)語(yǔ)

高精度線(xiàn)徑動(dòng)態(tài)測(cè)徑儀在電線(xiàn)生產(chǎn)線(xiàn)上進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)量精度高。與傳統(tǒng)的激光轉(zhuǎn)鏡掃描或音叉震動(dòng)掃描測(cè)徑儀相比，具有成本低、精度高、速度快、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)。

本文引用 福建師范大學(xué)學(xué)報(bào) 自然科學(xué)版

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