基于光通量的微孔快速檢測原理研究

許東京， 葉明， 倪志強(qiáng)

（南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，南京210016）

1 引 言

隨著工業(yè)技術(shù)和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，機(jī)械制造水平不斷提高并且呈現(xiàn)微型化的發(fā)展趨勢，微孔器件在機(jī)械、儀表、航空、電子、生物醫(yī)療和紡織工業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛。這些微孔器件中的微孔質(zhì)量直接影響整機(jī)的性能，因此對(duì)具有微孔類零件提出精密或超精密加工的同時(shí)，也對(duì)其檢測精度和速度提出了更高的要求。

微孔通常指直徑在500μm 以下的孔［1］，微孔測量是幾何測量中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，目前國內(nèi)常用的測量方法是利用圖像處理技術(shù)對(duì)微孔進(jìn)行檢測［2，3］，但是檢測效率比較低，不能滿足日益增長的工業(yè)化需求。而國外已經(jīng)開始研究光學(xué)法檢測微孔的方案，具有代表性的是德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院（PTB）［4，5］與美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所（NIST）［6］。

2 微孔快速檢測系統(tǒng)組成

基于光通量的微孔快速檢測系統(tǒng)集光、機(jī)、電、計(jì)算機(jī)為一體，可以實(shí)現(xiàn)檢測智能化和可視化。其測量原理是：微孔的出射光通量經(jīng)過塑料傳光光纖傳送到光電傳感器，探測器接收的光通量經(jīng)過電流電壓轉(zhuǎn)換電路，再經(jīng)過去噪、濾波、放大處理后經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡采集至上位機(jī)，最后在顯示屏上顯示測量結(jié)果，其檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖如圖1 所示。

圖1 微孔檢測系統(tǒng)原理圖

系統(tǒng)中CCD 傳感器用于測量微孔的面積，建立微孔的面積與其出射光通量之間的數(shù)學(xué)模型。將測量待測微孔的光通量與標(biāo)準(zhǔn)微孔的光通量進(jìn)行比較，如果測量結(jié)果超出系統(tǒng)設(shè)定的閾值則認(rèn)為該微孔不合格，利用計(jì)算機(jī)通過驅(qū)動(dòng)器控制工作臺(tái)的二維移動(dòng)，驅(qū)動(dòng)工件上的每列微孔依次通過光通量傳感器的正下方進(jìn)行檢測，光源位于被測工件下方的暗室中，避免外界雜散光的干擾，以提高系統(tǒng)的測量精度。

3 微孔快速檢測原理

3.1 光電探測器特性

光電探測器的輸出往往與入射到其光敏面上的光通量成正比［7］，所以光電探測器光電流的大小可以反映出待檢測量的大小，即光電流是待檢測信息量Q 值的函數(shù)I＝f（Q），這是一種模擬量的信息變換。本測量系統(tǒng)采用光伏探測器硅光電池作為傳感器，硅光電池是一個(gè)大面積的光電二極管，它可以把入射到它表面的光能轉(zhuǎn)化為電能，基于光伏特效應(yīng)制作的光伏探測器的伏安特性，用流過探測器的電流方程表示為：I＝IS（eqU/KT-1）－IP

I 為流過探測器的總電流；IS為反向飽和電流；q 為電子電荷；U 為探測器兩端電壓；K 為波爾茲曼常數(shù)；T 為器件的絕對(duì)溫度；IP為光生電流。光電池處于零偏時(shí)，即U＝0，流過PN 結(jié)的電流I＝－IP，而光生電流又滿足以下公式：

其中S 表示光電池的光電靈敏度（又稱光電響應(yīng)度）；E 表示入射光照度；A 為微孔的面積。當(dāng)光照度一定時(shí)，其輸出電流與受光面積成線性關(guān)系，因此當(dāng)光電池作為測量元件時(shí)利用此測量原理建立微孔的出射光通量與其面積的數(shù)學(xué)模型。

3.2 傳感器信號(hào)處理電路

由于微孔孔徑在數(shù)十至數(shù)百微米之間，因此光電探測器接收到的信號(hào)非常微弱，同時(shí)，由于各種噪聲的存在如熱噪聲、散粒噪聲等，光電探測器輸出的信號(hào)往往被深埋在噪聲之中。要對(duì)這樣的微弱信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，以將大部分噪聲濾除并將微弱信號(hào)放大到后續(xù)處理器所要求的電壓幅，可以通過前置濾波、放大電路使得輸出信噪比較高，提高測量精確度。采用的預(yù)處理電路圖如圖2 所示。

圖2 微弱信號(hào)處理電路

將I＝S·E·A 代入上式，即可得到基于光通量法測量微孔的輸出電壓與其面積的關(guān)系式為：

4 微孔檢測實(shí)驗(yàn)分析

根據(jù)微孔檢測原理以及檢測要求，本檢測裝置為多通道并行測量系統(tǒng)，每個(gè)通道均配置有一根光纖、一個(gè)光電探測器以及弱信號(hào)處理電路，以達(dá)到多個(gè)微孔同時(shí)測量的目的，大大地提高了檢測效率。整個(gè)測量裝置實(shí)物圖如圖3 所示：利用上位機(jī)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制工作臺(tái)空間的二維移動(dòng)；傳光光纖位于工件的正上方，其纖芯直徑為1.5mm；工作時(shí)，光源發(fā)射的光線、待測微孔的軸線、光纖的軸線均處于同一直線；光電探測器置于封閉的凹槽中，用PCB 板將其兩個(gè)輸出引腳引出。探測器輸出的微弱電信號(hào)經(jīng)過信號(hào)處理電路、數(shù)據(jù)采集卡送給上位機(jī)，利用計(jì)算機(jī)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理和顯示。

被測件上有5 種型號(hào)不同的微孔，其直徑約為157μm，200μm，300μm，400μm，500μm，分別記為A、B、C、D、E 等5 種型號(hào)，每種型號(hào)的微孔均檢測5 個(gè)，利用CCD 圖像檢測的方法可以檢測每個(gè)微孔所占的像素個(gè)數(shù)，而微孔的面積與像素?cái)?shù)成正比。圖像法檢測微孔的像素?cái)?shù)據(jù)如表1。

圖3 微孔測量裝置實(shí)物圖

表2 為光源在某一光照強(qiáng)度下基于光通量法測量5 種型號(hào)微孔的電壓數(shù)據(jù)，每種型號(hào)微孔測量5個(gè)數(shù)據(jù)，最后取平均值。

由表1、表2 中的數(shù)據(jù)可以擬合基于光通量法測量微孔的電壓值和圖像檢測法測量微孔像素關(guān)系曲線如圖4所示。

從測量的數(shù)據(jù)可以看出，利用光通量法得到的微孔電壓值與其面積基本上成線性關(guān)系。利用此檢測原理，可以對(duì)微孔進(jìn)行快速掃描，得到的電壓值與標(biāo)準(zhǔn)微孔進(jìn)行比較，能夠有效地判斷微孔內(nèi)壁是否存在污物、毛刺、微孔尺寸是否超差、微孔是否達(dá)到磨損等問題。下面以直徑為500μm 的微孔作為檢測對(duì)象，比較其變化前后圖像變化率和電壓變化率，圖5、圖6 為微孔變化前后的圖像。

表1 圖像檢測法測量微孔像素/個(gè)數(shù)

表2 光通量法測量微孔的電壓值/V

圖4 光通量法檢測與圖像檢測法數(shù)據(jù)擬合曲線

圖5 變化前的圖像

圖6 變化后的圖像

表3 為直徑為500μm 微孔圖像變化前后像素與電壓的數(shù)據(jù)多次測量得到的數(shù)據(jù)。

根據(jù)工業(yè)上微孔的檢測指標(biāo)要求：能夠檢測出微孔的變化率小到5%即可達(dá)到微孔的檢測要求，根據(jù)檢測數(shù)據(jù)可以看出，光通量檢測方法能夠滿足檢測要求。

表3 微孔變化前后的數(shù)據(jù)

理論上，微孔變化前后的圖像檢測法與光通量檢測法的變化率應(yīng)該相等，但是由于測量誤差存在等因素，其變化率并不完全一致。但是由表3 可以看出，微孔變化后其像素的變化率與電壓變化率數(shù)值相近，因此可以先通過檢測效率高的光通量法代替圖像法進(jìn)行微孔的快速檢測，如果發(fā)現(xiàn)微孔的電壓值超出了系統(tǒng)設(shè)定的閾值范圍，則表明微孔的幾何面積超出閾值范圍。對(duì)該微孔進(jìn)行定位，再利用CCD 對(duì)其進(jìn)行圖像檢測，進(jìn)一步判斷是否為不合格的微孔，并且進(jìn)行分類處理。

基于光通量的微孔檢測系統(tǒng)，是集光、機(jī)、電、計(jì)算機(jī)等各種技術(shù)為一體的復(fù)雜系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)檢測智能化和可視化。由于各個(gè)環(huán)節(jié)測量誤差的存在，造成測量的數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)有一定的差異，誤差來源主要有以下幾個(gè)方面：（1）光源的不穩(wěn)定性，導(dǎo)致光強(qiáng)產(chǎn)生波動(dòng)；（2）光電探測器噪聲以及不穩(wěn)定性；（3）電路中電子元件的熱噪聲、散粒噪聲等影響；（4）機(jī)械系統(tǒng)誤差導(dǎo)致的光纖與工件的相對(duì)位置誤差。

根據(jù)以上檢測誤差來源的特點(diǎn)，選用恒流源作為光源控制器并放置于暗室中，保證光源光照度穩(wěn)定性；選用靈敏度較高的光電探測器；弱信號(hào)處理電路中選用精密的運(yùn)放、噪聲小的金屬薄膜電阻；提高二維平臺(tái)的直線度誤差等措施提高微孔快速檢測系統(tǒng)的測量精度。

5 結(jié) 語

首次提出了一種基于光通量的微孔檢測理念，實(shí)現(xiàn)微孔幾何參數(shù)高效、精確檢測目標(biāo)，可有效解決工業(yè)領(lǐng)域微孔快速檢測的實(shí)際需求。解決傳統(tǒng)基于顯微圖像技術(shù)進(jìn)行微孔測量時(shí)，由于光學(xué)系統(tǒng)景深限制，測量結(jié)果不能全面反映細(xì)長微孔作用長度范圍內(nèi)幾何形貌特征的缺點(diǎn)。該檢測方法將為我國工業(yè)生產(chǎn)中迫切需要的微孔高速檢測需求提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐，具有重大的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

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