基于CCD衍射法測量細絲直徑

王皓　樊明貞

摘要：激光干涉計量技術可以直接測量細絲直徑，方便快捷，而且相當精準，在工業生產領域應用非常廣泛。本系統使用He-Ne激光器產生的激光束，垂直照射待測細絲，發生衍射現象，進而發生衍射條紋。然后使用線陣CCD將衍射條紋轉換成電信號，經A/D轉換將數據送入計算機將衍射條紋的光強分布進一步進行了分析，最終達到實驗目的，再根據有關衍射公式算出細絲直徑。本文主要介紹光路設計、信號處理及軟件設計。

關鍵詞：線陣CCD直徑測量;衍射法;細絲直徑

1.前言

在工業生產和科學實驗中，經常碰到尺寸較小的細絲直徑的測量問題。細絲直徑測量的方法有許多，傳統測量方法通常有兩種：一種是細絲稱重法，即稱出一定長度的細絲的重量后，把細絲看成為均勻細長的圓柱體，然后根據材料的密度計算出細絲的直徑;另一種方法是用游標卡尺或螺旋測微器手工測量。以上兩種方法浪費較多的人力物力，而且測量的不一定準確，更無法滿足現代工業制造技術對零部件的高精度，準確性的要求。

近年來，伴隨著光學技術的進步與電子技術的迅速發展，在生產生活等領域中廣泛使用著大量光電器件。其中，CCD由于具有光電轉換的能力，并且使用方便快捷，而且相當精準等優點，被較多的使用在非接觸式直徑測量領域。相比接觸式的直徑測量方式，非接觸直徑測量具有測試速度快，精度高，對環境要求低等特點，因此在生產生活中被廣泛使用。

通過對線陣CCD特性及工作原理的分析，本文對基于線陣CCD的非接觸直徑測量系統進行了研究，并結合本課題的特點（測量細絲直徑），設計了一種基于線陣CCD非接觸直徑測量系統。

2.CCD衍射法測量原理與裝置

2.1 測量原理

衍射法測量細絲直徑，其使用的理論基礎是夫瑯和費衍射，平行激光束照射細絲，在接收屏上得到同樣的明暗相間的條紋。激光是利用某些物質原子中的粒子受激發而發出的光，其相位、方向、頻率完全相同，顏色很純，能量高度集中，本課題使用He-Ne激光器提供激光束。根據巴比涅原理可知，直徑為d的細絲產生的衍射圖樣與寬度為d的狹縫衍射圖樣相同。在觀察屏上光斑明亮分布為：。當，時，I=0，出現暗紋，每一側的暗紋是等間距的。由于實際上很小，設第k級暗紋到光軸的距離為，則有。式中：，為暗紋間距。可見，只需測出暗紋間距S及細絲到衍射屏的距離L，就可計算出細絲的直徑d。

2.2 測量裝置

在以上測量原理的基礎上，依照測量原理設計測量裝置，進而實驗測算。本設計使用Arduino為控制中心元件，傳感器為線性CCD-TSL1401CL模塊，線性CCD-TSL1401CL會根據接收屏上得到同樣的明暗相間的條紋而輸出不同頻率的方波;進而將此方波輸入至Arduino，通過方波數據即可得出暗紋間距S，然后根據其他幾個必要的參數根據測量原理公式，最終得到直徑d。具體測量系統如圖1。

3.CCD模塊程序設計

激光衍射會出現明暗相間的條紋呈現在衍射屏，外部的模擬信號量需要轉變成數字量才能進一步的由arduino單片機進行處理，線性CCD-TSL1401CL很方便的將數據采集下來傳輸到單片機上。這就需要對arduino進行編程，具體程序如下：

int piexl[128]={0};int CCD_SI =2;int CCD_CLK=3;int i;int exp_time=500;

void setup（）

{pinMode（2，OUTPUT）;pinMode（3，OUTPUT）;pinMode（A0，INPUT）;

Serial.begin（115200）; delay（500）;}

void CAI（void）

{digitalWrite（CCD_SI，HIGH）;digitalWrite（CCD_CLK，HIGH）digitalWrite（CCD_SI，LOW）;

digitalWrite（CCD_CLK，LOW）;for（i=0;i<128;i++）

{digitalWrite（CCD_CLK，HIGH）;digitalWrite（CCD_CLK，LOW）;}

delayMicroseconds（exp_time）;digitalWrite（CCD_SI，HIGH）;

digitalWrite（CCD_CLK，HIGH）;digitalWrite（CCD_SI，LOW）;

piexl[0] =analogRead（A0）/4;if（piexl[0] <25）piexl[0] =0;

if（piexl[0] ==255）piexl[i]=254; digitalWrite（CCD_CLK，LOW）; for（i=1;i<128;i++）

{ digitalWrite（CCD_CLK，HIGH）;piexl[i]=analogRead（A0）/4;

if（piexl[i]<25）piexl[i]=0;digitalWrite（CCD_CLK，LOW）;}

digitalWrite（CCD_CLK，HIGH）;digitalWrite（CCD_CLK，LOW）;for（i=0;i<128;i++）

{Serial.write（piexl[i]）;}

Serial.write（255）;}

void loop（）

{ CAI（）;delayMicroseconds（100）;}

4.數據采集與處理

4.1 線性CCD數據采集

本實驗以頭發絲作為測量細絲直徑的實驗對象。經過多次試驗，在黑暗條件下明暗相間的條紋更加明顯，有利于線性CCD的數據采集。經系統對模擬量采集后，通過線性CCD成像軟件導出了線性CCD波形圖，如下圖2所示：

4.2 數據處理

在對于實驗數據處理中首先要計算出CCD比例，進而通過CCD接收到計算機上的圖像的像素點數計算出物體在CCD表面實際圖像的亮紋或暗紋間距。經計算，本實驗所使用的線性CCD-TSL1401CL的CCD比例為：16個像素點對應1mm。

首先利用CCD傳感器參數中像素點與距離之間的關系測得暗斑的間距：，?----CCD比例，N----像素點個數。測量分析得到待測細絲的暗斑平均間距為16像素點，頭發絲到衍射屏的距離測量多組數據取平均值，如表1：

平均值：L=（86.66+86.68+86.71+86.74）÷4=86.70mm。相鄰暗紋距離：

可得S=0.1mm，由上式可得。

通過實驗測得頭發絲d的直徑為0.055mm。將實驗測得值的數據與頭發絲原值作對比相差不大，說明本測量系統基本能夠實現對細絲的測量要求。

5.結論

本文以線性CCD傳感器為主要光電器件，arduino單片機為主要控制器件，通過對線性CCD模塊程序進行設計，很方便的將數據采集下來傳輸到單片機上，進而通過數據處理得到細絲直徑。通過本實驗可以更好克服傳統測量方法的效率低、精確度低的缺點，更好的滿足現在工業生產中對零部件精確度的要求。測量數據的準確性是此次測量細絲直徑實驗準確性的保證。通過多次測量數據取平均值，減小了測量誤差，這保證了細絲直徑的準確性。將實驗得出細絲直徑值與頭發絲原值作對比相差不大，因此此方案是可行的。本方案成本低，結構簡單，易學易用，在數據采集與處理領域，具備一定的研究價值。

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（作者單位：山東建筑大學機電工程學院）