基于CCD衍射法测量细丝直径

王皓　樊明贞

摘要：激光干涉计量技术可以直接测量细丝直径，方便快捷，而且相当精准，在工业生产领域应用非常广泛。本系统使用He-Ne激光器产生的激光束，垂直照射待测细丝，发生衍射现象，进而发生衍射条纹。然后使用线阵CCD将衍射条纹转换成电信号，经A/D转换将数据送入计算机将衍射条纹的光强分布进一步进行了分析，最终达到实验目的，再根据有关衍射公式算出细丝直径。本文主要介绍光路设计、信号处理及软件设计。

关键词：线阵CCD直径测量;衍射法;细丝直径

1.前言

在工业生产和科学实验中，经常碰到尺寸较小的细丝直径的测量问题。细丝直径测量的方法有许多，传统测量方法通常有两种：一种是细丝称重法，即称出一定长度的细丝的重量后，把细丝看成为均匀细长的圆柱体，然后根据材料的密度计算出细丝的直径;另一种方法是用游标卡尺或螺旋测微器手工测量。以上两种方法浪费较多的人力物力，而且测量的不一定准确，更无法满足现代工业制造技术对零部件的高精度，准确性的要求。

近年来，伴随着光学技术的进步与电子技术的迅速发展，在生产生活等领域中广泛使用着大量光电器件。其中，CCD由于具有光电转换的能力，并且使用方便快捷，而且相当精准等优点，被较多的使用在非接触式直径测量领域。相比接触式的直径测量方式，非接触直径测量具有测试速度快，精度高，对环境要求低等特点，因此在生产生活中被广泛使用。

通过对线阵CCD特性及工作原理的分析，本文对基于线阵CCD的非接触直径测量系统进行了研究，并结合本课题的特点（测量细丝直径），设计了一种基于线阵CCD非接触直径测量系统。

2.CCD衍射法测量原理与装置

2.1 测量原理

衍射法测量细丝直径，其使用的理论基础是夫琅和费衍射，平行激光束照射细丝，在接收屏上得到同样的明暗相间的条纹。激光是利用某些物质原子中的粒子受激发而发出的光，其相位、方向、频率完全相同，颜色很纯，能量高度集中，本课题使用He-Ne激光器提供激光束。根据巴比涅原理可知，直径为d的细丝产生的衍射图样与宽度为d的狭缝衍射图样相同。在观察屏上光斑明亮分布为：。当，时，I=0，出现暗纹，每一侧的暗纹是等间距的。由于实际上很小，设第k级暗纹到光轴的距离为，则有。式中：，為暗纹间距。可见，只需测出暗纹间距S及细丝到衍射屏的距离L，就可计算出细丝的直径d。

2.2 测量装置

在以上测量原理的基础上，依照测量原理设计测量装置，进而实验测算。本设计使用Arduino为控制中心元件，传感器为线性CCD-TSL1401CL模块，线性CCD-TSL1401CL会根据接收屏上得到同样的明暗相间的条纹而输出不同频率的方波;进而将此方波输入至Arduino，通过方波数据即可得出暗纹间距S，然后根据其他几个必要的参数根据测量原理公式，最终得到直径d。具体测量系统如图1。

3.CCD模块程序设计

激光衍射会出现明暗相间的条纹呈现在衍射屏，外部的模拟信号量需要转变成数字量才能进一步的由arduino单片机进行处理，线性CCD-TSL1401CL很方便的将数据采集下来传输到单片机上。这就需要对arduino进行编程，具体程序如下：

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.数据采集与处理

4.1 线性CCD数据采集

本实验以头发丝作为测量细丝直径的实验对象。经过多次试验，在黑暗条件下明暗相间的条纹更加明显，有利于线性CCD的数据采集。经系统对模拟量采集后，通过线性CCD成像软件导出了线性CCD波形图，如下图2所示：

4.2 数据处理

在对于实验数据处理中首先要计算出CCD比例，进而通过CCD接收到计算机上的图像的像素点数计算出物体在CCD表面实际图像的亮纹或暗纹间距。经计算，本实验所使用的线性CCD-TSL1401CL的CCD比例为：16个像素点对应1mm。

首先利用CCD传感器参数中像素点与距离之间的关系测得暗斑的间距：，∆----CCD比例，N----像素点个数。测量分析得到待测细丝的暗斑平均间距为16像素点，头发丝到衍射屏的距离测量多组数据取平均值，如表1：

平均值：L=（86.66+86.68+86.71+86.74）÷4=86.70mm。相鄰暗纹距离：

可得S=0.1mm，由上式可得。

通过实验测得头发丝d的直径为0.055mm。将实验测得值的数据与头发丝原值作对比相差不大，说明本测量系统基本能够实现对细丝的测量要求。

5.结论

本文以线性CCD传感器为主要光电器件，arduino单片机为主要控制器件，通过对线性CCD模块程序进行设计，很方便的将数据采集下来传输到单片机上，进而通过数据处理得到细丝直径。通过本实验可以更好克服传统测量方法的效率低、精确度低的缺点，更好的满足现在工业生产中对零部件精确度的要求。测量数据的准确性是此次测量细丝直径实验准确性的保证。通过多次测量数据取平均值，减小了测量误差，这保证了细丝直径的准确性。将实验得出细丝直径值与头发丝原值作对比相差不大，因此此方案是可行的。本方案成本低，结构简单，易学易用，在数据采集与处理领域，具备一定的研究价值。

参考文献：

[1] 覃立平，赵子珍，莫玉香.用激光衍射法测量细丝直径[J].实验科学与技术，2014年，12卷第1期：1-7.

[2] 刽新凯，郑亚茹.利用光学衍射方法测量金属丝的直径[J].辽宁师范大学学报.2003.11：2-5.

[3] 袁丽成.用光学衍射的方法测量金属丝的直径[J].物理通报.2000.10：39-41.

[4] 和志忠.基于线阵CCD的非接触直径测量系统研究[D].河北工业大学，2014.

（作者单位：山东建筑大学机电工程学院）