西安工业大学课程设计论文课题名称:__光电仪器课程设计____姓名:学号:专业:学院:指导老师：时间：目录第一章引言------------------------------------------------------------------------------------------（1）1．1 国内外测径的主要方法-------------------------------------------------------------（1）1.1.1 扫描阴影法--------------------------------------------------------------------------（1）1.1.2 投影放大法--------------------------------------------------------------------------（2）1.1.3 衍射法---------------------------------------------------------------------------------（3）1.1.4 双光路成像法------------------------------------------------------------------------（4）1.2 国内外光电测径系统的发展现状-------------------------------------------------（4）第二章细丝直径测量仪方案设计与系统分析--------------------------------------------（5）2．1 课题的方案设计-----------------------------------------------------------------------（5）2．2 细丝直径测量仪的工作原理--------------------------------------------------------（6）第三章光学系统系统设计------------------------------------------------------------------------（7）3．1照度匹配-----------------------------------------------------------------------------------（7）3．2照明方法-----------------------------------------------------------------------------------（8）3．3．照明系统的设计原则----------------------------------------------------------------（9）3．4 光源的选择及分析-------------------------------------------------------------------（11）3．5像系统分析-----------------------------------------------------------------------------（13）3．5．1成像物镜的设计--------------------------------------------------------------（13）3．5．2 CCD镜头的选择-------------------------------------------------------------（14）第四章精度分析-----------------------------------------------------------------------------------（14）4．1系统误差分析----------------------------------------------------------------------------（14）4．1．1本系统中包含的误差-------------------------------------------------------（14）4．1．2减小误差的措施--------------------------------------------------------------（16）第五章总结-------------------------------------------------------------------------------------------（17）5．1投影法测量系统的特点--------------------------------------------------------------（17）5．2结束语--------------------------------------------------------------------------------------（17）第六章致谢和参考文献------------------------------------------------------------------------（19）第一章引言随着科学技术的飞速发展，在工业生产和科学实验中经常要对细丝直径进行精密测量，传统的测量方法国家标准是称重法。
20世纪70年代又发展起来激光测径法激光测径法按测量原理分类有：扫描法、衍射法、前向散射法和差频干涉相位法其中衍射法的优点是灵敏度、可观察度和测量精度都较高，已经广泛用于生产实际这种测量方法和大学物理学中夫琅禾费衍射实验的原理是相同的。
应用传统的接触测量，由于接触力的作用，测量精度较低，而且无法实现动态测量；应用普通光学方法测量，测量时间较长，在测量难以实现。
随着现代工业的发展，要求对线材直径进行高精度、非接触、快速的在线测量，并给出反馈信号来控制生产，以实现生产过程的自动化。
例如在钼丝的生产过程中，钼丝的直径是必须及时检测的一项重要指标，它直接影响产品的质量。
由于加工速度快，因此必须快速地、精确地在线检测钼丝的直径，并给出报警信号和控制信号。
鉴于以上原因，对细丝直径测量提出如下几点要求：(1)高精度；(2)高速度：(3)非接触；(4)实时反馈控制。
显而易见，传统的直径测量方法已远不能满足现代工业生产的要求。
CCD 图像传感器具有灵敏度高、结构紧凑、像素位置准确、自扫描等特点，因此，许多采用光学方法测量线材外径的仪器，把CCD器件作为光电接收器。
1．1 国内外测径的主要方法在现代工业生产过程中，生产现场对线材、棒料外径需要在线实时检测，并提出了愈来愈高的要求，在国内外均有光电测径仪问世，在这些测径仪中，主要有以下几种测量方法：扫描阴影法、投影放大法、衍射法、双光路成像法等。
它们的测量原理如下所述。
1.1.1 扫描阴影法扫描阴影法测量原理如图1．1所示。
由白炽灯发出的光束，经反射镜反射到扫描镜2上，扫描镜由同步电机带动做匀速旋转，于是反射光束以恒定的角速度扫过前透镜3，前透镜使光束成为平行扫描光束，并扫过待测的工件4，后透镜5使平行光束会聚在光电管6上，经光电管变为电信号输出。
透镜3、4之间的平行光束随着扫描镜的旋转而作平行移动，当它被待测工件4挡住时，光电管输出暗电平信号，这个暗电平信号的宽度就反映了待测工件的直径大小。
处理器8根据扫描速度和暗电平信号的宽度计算出待测件的直径大小，即完成了一次测量。
扫描阴影法一般可测量直径大于O．5mm的工件，测量精度可达到士3pm，对于直径小于0．5ram的工件，可用音叉作转镜驱动装置，音叉扫描可测量60pm 一5 00pm的直径，测量精度可达±5pm。
扫描阴影法达到了很高的测量精度，测量速度也较快，可达每秒1000次，但是这种方法需要高精度的转镜扫描系统，需要高精度的微型电机，因此成本高，装置复杂，不易于仪器的小型化。
图1.1扫描阴影法测量原理图1.1.2 投影放大法投影放大法的测量原理如图1．2所示。
光源1发出的光经透镜2和3准直、扩束后，扩展成平行光照射到待测件上，形成阴影，由透镜5和光阑6成像在光电接收器7上，测出阴影像的宽度D，就可算出工件的直径。
投影放大法的测量精度主要取决于平行光的准直程度、成像的放大倍率和光电接收器的分辨率。
平行光源要做的十分理想是有一定困难的，且随准直程度的提高会使仪器的成本提高，因此，在实际应用中常常通过软件处理的方法，对测量值进行修正，以使测量结果更接近实际值，这在一定程度上降低了对光源的苛刻要求。
这种测量方法比较适合测直径中等粗细的工件，测量范围在0．5mm～30mm，测量精度可达±30m，避免了复杂的机械扫描装置，其结构比较简单，成本也比较低。
图1.2投影放大法光路原理图1.1.3 衍射法根据巴比涅互补定理，激光束照射到细丝时，其衍射效应和狭缝的衍射效应相同，在接收屏上得到同样的明暗相间的衍射条纹，故通过测量衍射条纹之间的间距就可得到细丝的直径。
图1.3衍射法测量原理图测量时已知结构尺寸L及激光波长，只要再测得条纹间距S，即可求得细丝直径d。
激光衍射测量是一种高精度的非接触测量，其测量精度高达0.05um 以下。
另外，由夫朗和费近似条件可知：光路中L必须适当的大，这样测量系统比较庞大。
此外，衍射法测量直径对测量环境要求很严，尤其是对振动干扰极其敏感，这也是衍射法测径的一个不足之处。
1.1.4 双光路成像法对于材料的长度、宽度或直径大于30mm的尺寸测量，由于单光路成像系统的视场和分辨率的限制，难以保证测量精度的要求，因此多采用双光路成像法测量。
图1—4给出了一个双光路成像测量系统框图。
被测物体如钢管置于双光路视场中，照明方式采用单光源扩束分光照明或是采用双光源分别照明。
由于被遮挡部分无信号输出，分别检测两个CCD的边缘信号，再对两个边缘之间的脉冲计数，根据像元尺寸与光学系统的放大倍数即可求得最终的被测物体的尺寸。
两个CCD分别用来测量待测物的一个边界值，两个CCD之间的距离用机械方法或是光学方法测量出预先存入计算机。
工作过程中，两个CCD采样要求同步，最后送入计算机处理。
如果测量范围需要很大，可在CCD前加透镜提高可测范围，同时系统测量的尺寸需要标定。
图1.4双光路成像法原理图1.2 国内外光电测径系统的发展现状直径是金属丝类产品的一项重要参数，长期以来人们对直径测量的方法进行了大量的研究，希望获得一种方便、快捷、精确的测量技术。