基于COMSOL Multiphysics非接觸測量玻璃厚度、折射率

陳壽起　李鴻昌　程科

摘 要：針對存在難以接觸到測量表面的玻璃，提出一種利用有限元軟件COMSOL Multiphysics結(jié)合MATLAB的數(shù)字圖像方法和配套的實驗工作臺測量玻璃厚度的方法。利用該方法不僅能非接觸地測量玻璃厚度，還可以測量玻璃的折射率。解決了特殊的工作場合難以測量玻璃厚度的問題。

關(guān)鍵詞：COMSOL Multiphysics；非接觸；厚度、折射率

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.06.162

0 前言

國標(biāo)對不同類型的玻璃厚度檢驗做出了相應(yīng)的規(guī)定，統(tǒng)籌使用外徑千分尺或者具有相同精度的儀器進(jìn)行測量。本文涉及到的是為確定玻璃厚度所設(shè)計的必須計量器具以及輔助設(shè)備，屬于計量裝置一類[1]。在實際生產(chǎn)中，礙于玻璃特殊的保護(hù)外形，一般測量儀器難以接觸到玻璃的兩個表面，測量困難。因此提出一種光學(xué)非接觸測量方法，利用激光反射得到兩激光亮斑，通過分析軟件得到兩激光亮斑的直線距離，再得出玻璃厚度和折射率。

1 基本原理

單激光反射法的理論基礎(chǔ)是光學(xué)三角理論，利用激光反射法測量玻璃厚度的原理如圖1所示。當(dāng)入射光P0以一定角度T0入射到玻璃中，有部分光在玻璃的上表面發(fā)生反射，反射出來的光線為P1，根據(jù)物理學(xué)原理，反射角T1等于入射角T0，另一部分經(jīng)空氣——玻璃上表面折射后，在玻璃下表面折射出角度為T2的反射光線，在玻璃下表面反射出P2，再通過玻璃上表面——空氣表面折射出P3，可以知道光線P1和P3平行，則可以通過平行光線的間距h得出玻璃板的厚度d。根據(jù)折射原理，計算得到玻璃厚度d與光線間距h之間的公式為：[2]。

2 實驗儀器

本試驗臺在偏振光實驗系統(tǒng)上加以改進(jìn)，儀器光源為激光器，配有光學(xué)測角臺、導(dǎo)軌以及支架，另外還有光電傳感器和光電流放大器[3]。結(jié)構(gòu)如圖2所示，在導(dǎo)軌上一端有激光發(fā)射裝置，另一端有光學(xué)測角臺。玻璃豎直固定在光學(xué)測角臺上，使之與光源軸線呈現(xiàn)一定角度，光電接收器在光學(xué)測角臺一端，配有開縫較小的紙片，方格紙備用。

3 采集數(shù)據(jù)

檢驗無誤后接通電源，激光源發(fā)出激光打在玻璃上，激光經(jīng)過玻璃的反射出現(xiàn)兩個激光光斑。在光電接收器上貼上處理好的開縫紙片，兩個光斑掃過紙片，通過光電接收器得到光電流，記錄玻璃前表面反射光電流最強(qiáng)點的時候在光學(xué)測角臺上的角度，得到T0，再將方格紙貼在光電接收器正前方，用照相機(jī)記錄兩光斑的位置。再重復(fù)以上實驗，得到兩組數(shù)據(jù)。更換不同厚度的玻璃，再得到不同組數(shù)據(jù)。

4 數(shù)據(jù)處理

首先將得到的有兩亮斑的圖片進(jìn)行裁剪，裁剪出對比清晰的圖塊，再作灰度處理（既亮度調(diào)整，對比度調(diào)整等步驟），啟動Matlab軟件，利用Matlab軟件來進(jìn)行數(shù)字圖像的二值化處理，在文件菜單里連接COMSOL Multiphysics，把基于激光亮斑構(gòu)建的圖片，直接導(dǎo)入數(shù)值計算軟件，進(jìn)行建模利用高斯分布擬合曲線將光強(qiáng)分布擬合成兩個具有最高值的雙峰Origin擬合曲線[4]，如圖3所示，尋找曲線的兩最高點的橫坐標(biāo)，做差后得到兩峰值點之間的距離，此距離便是兩亮斑的水平距離。

5 程序設(shè)計

經(jīng)過以上步驟，得到必須的數(shù)據(jù)，本方法利用vb編寫程序，簡化計算，在本程序中需要輸入兩組不同的入射角，以及分別由擬合曲線得到的兩組亮斑距離，最后計算出玻璃的折射率和厚度。

6 結(jié)論

基于真實的激光亮斑圖片，通過剪裁、灰度處理以及二值化，再導(dǎo)入計算軟件，可建立數(shù)值計算模型，最后進(jìn)行厚度、折射率計算。將得到的數(shù)據(jù)和用游標(biāo)卡尺測得的玻璃厚度相對比，所得誤差與國家標(biāo)準(zhǔn)相對比，符合國家測量標(biāo)準(zhǔn)。通過本方法可以測出特殊工況下玻璃厚度，以后條件允許可以形成在線測量，做出一套合格的測量儀器。

參考文獻(xiàn)：

[1]韓正銅，楊善國.機(jī)械精度設(shè)計與檢測[J].中國礦業(yè)大學(xué)出版社.

[2]孫峰.玻璃厚度在線測量系統(tǒng)的研制[J].大連理工大學(xué).

[3]于建勇，秦麗霞.物理實驗教程[J].中國礦業(yè)大學(xué)出版社.

[4]王錄合，趙春孝，姜振泉，錢自衛(wèi)，唐鑫，煤田地質(zhì)與勘探[J].

作者簡介：陳壽起（1993-），安徽六安人，本科在讀，研究方向為機(jī)器人技術(shù)。