引言

在電線生產(chǎn)線上，當電線的直徑非常小時，細線在生產(chǎn)線上運行速度將會非常快，在如此高速運行的情況下，線徑的實時檢測十分困難；但是，線徑的實時監(jiān)測對提高產(chǎn)品質量又是十分重要的，特別是在漆包工藝中，實時地對線徑進行動態(tài)檢測，可以有效地控制漆層的厚度，從而提髙漆包線的質量，降低廢品率。本文提出的高精度線徑動態(tài)測徑儀就是根據(jù)這種要求而研發(fā)的，它可應用于電線、鎢絲、光纖等細線生產(chǎn)線，完成實時線徑檢測。

1、光學系統(tǒng)的組成和基本工作原理

檢測系統(tǒng)組成如圖1所示。其中顯微物鏡是光學系統(tǒng)主要部件，由它完成對線徑的光學放大并在線陣CCD光敏元上成像。

氦氖激光器及其擴束系統(tǒng)為顯微物鏡提供平行性很好的照明光源。采用激光并經(jīng)過擴束作為照明光源主要是為了改善照明光源的平行性，提髙測量精度。由于被測細線為圓柱體，其表面的定位精度不僅受斜光束的影響，同時還受曲面表面對斜光束反射的影響，由反射光線產(chǎn)生的虛物點影響了圓柱體光學影像邊緣的精確定位。設斜光束與光軸夾角為θ，圓柱體半徑為r，則由斜光束反射造成的物體邊緣定位誤差為：

可見，采用激光照明時，定位精度得到很大的改善，使由斜光束在曲面反射造成的測量誤差大大小于本系統(tǒng)測量精度的要求。

為了降低整個系統(tǒng)的成本，對光學系統(tǒng)使用的鏡頭沒有根據(jù)高精度測量的特殊要進行專門設計，僅使用一般的顯微物鏡和擴束鏡頭，由此產(chǎn)生的測量誤差則通過微機編制的誤差修正程序來克服。另外，為了減少激光輸出功率的不穩(wěn)定對測量精度的影響，還采用了電流反饋式穩(wěn)定裝置穩(wěn)定氦氖激光器輸出功率。

2、微機數(shù)據(jù)處理和顯示

本系統(tǒng)使用1024位線陣CCD進行光電檢測。線徑變化1μm對應于CCD光敏面變化一個光敏元，即一個象素。CCD光電檢測信號經(jīng)過浮動二值化處理后，量化為數(shù)字信號，光敏面上每一個光敏元（象素）的光信號對應于一個電脈沖信號的輸出，所以，當線徑變化1μm時，對應于輸出電信號變化一個脈沖。

為滿足髙速動態(tài)檢測的要求，完成一次測量所需要的時間必須很短。本系統(tǒng)設計在0．77ms時間內完成一次測量，與之相適應，CCD光電檢測輸出信號為周期接近于1．5μs的髙速脈沖。當信號輸入微機進行處理時，由于信號變化速率太大，PIO并行接口接收信號的速度跟不上。本系統(tǒng)采用了以微機計數(shù)器CTC接收數(shù)據(jù)，而后通過中斷子程序由中央處理器CPU進行處理和顯示的辦法。當進行單次測量時，線徑D等于：

微機程序的組成：首先由主程序對CTC的工作方式進行設定，以CTC中的CTl和CT3 分別對CCD A通道和CCD B通道的輸出脈沖信號進行計數(shù)測量，當計數(shù)值超過CTC計數(shù)容量時，通過CT1和CT3的中斷子程序，使微機設定的量化計數(shù)器進位加一，同時通過CT0監(jiān)測測量次數(shù)，每完成一次測量，CT0計數(shù)器計數(shù)一次，當CT0計數(shù)值到達所要求測量的次數(shù)n，通過CT0中斷子程序停止CT1和CT3計數(shù)，并根據(jù)所得數(shù)據(jù)由CPU進行運算和顯示。微機數(shù)據(jù)處理組成如圖2所示。

設所得兩個通道量化計數(shù)器值分別為A1個B1，停止計數(shù)時，減一計數(shù)器CT1和CT3當時的值為A2何B2，則線徑D為：

3、測量精度分析和微機對測量誤差的修正

根據(jù)設定的顯微物鏡的放大倍數(shù)（β＝ 16）和選用的CCD器件光敏元尺寸（16μm），這個系統(tǒng)可以識別線徑1μm的變化量，也就是說這個系統(tǒng)的測量絕對誤差可以小于1μm，但這只是在理想情況下才能達到的，實際上還有其它的因素影響測量精度，造成測量誤差的增大。在動態(tài)檢測情況下，影響測量精度的主要因索，一是景深的變化，二是物鏡的非線性畸變。由于被測線不是穩(wěn)定不動的，它在運動之中通過顯微物鏡的視場，使得它與物鏡之間的距離不可能保持絕對穩(wěn)定。雖然可以調節(jié)物距等于工作距，但是運動中細線總會在工作距左右有一定的抖動，當細線偏離對準平面為△l時，線徑邊沿的一個點 在對準平面上成為一個彌散斑，造成測量的誤差。這個彌散斑的直徑為：

Z≈2△l·sinθ （6）

θ為照明光源的發(fā)散角。為了使這個彌散斑不影響系統(tǒng)的測量精度，要求彌散斑直徑至少必須小于1μm。設細線在工作距左右抖動最大可能偏離距離以△l＝1 mm，則由式（6）可求得對照明光源發(fā)散角的要求為：

可見，本系統(tǒng)由于采用經(jīng)過擴束的激光作為照明光源，這個要求可以滿足。只要細線動態(tài)運行之中在工作距左右的抖動小于lmm，則這種抖動對測量精度的影響將得到克服。

細線動態(tài)運行中除了在工作距左右抖動之外，還同時存在被測線在線視場的上下擺動，因此由于顯微物鏡的非線性畸變，使同一個線徑在CCD上成像大小不同，造成測量的誤差。非線性畸變還使得被測線線徑不同時， 測量的線徑值不能與之成線性關系，同樣造成了測量誤差，所以它是影響測量精度的主要因素。雖然可以通過設計非線性畸變小的高質量物鏡來減小誤差，但這將使儀器成本增加，并且鏡頭實際加工也不容易達到較高的指標。除了物鏡的影響之外，其它因素也會造成測量的非線性誤差，如光學系統(tǒng)的調整偏差，CCD器件的性能不理想等，所以本系統(tǒng)只用一般物境，降低對光學系統(tǒng)的要求，而最后通過微機對這些誤差進行動態(tài)綜合修正，既降低了成本，又滿足了測量精度的要求。

圖2中的喑影區(qū)表示被測細線在物鏡視場中的位置。

A點和B點分別為細線沿直徑方向兩個邊緣位置，x為沿直徑方向的座標。

微機誤差修正程序是根據(jù)被測線線徑的兩個邊緣在視場中不同位置，從存貯器中出相應的誤差修正量對測量結果進行修正的。被測線在視場中不同位置的判別根據(jù)CCD光電檢測波形的包絡確定，包絡的兩個邊緣即對應于線徑的兩個邊緣位置A和B，使并行接口PIO工作于位控方式，通過硬件實現(xiàn)PIO對這兩個邊緣的中斷響應，由PI0的中斷子程序根據(jù)計數(shù)器CT1和CT3及其量化計數(shù)器計算出yAi和Ybi值，然后以yAi和ybi值為址分別從對應的ROM中取出誤差修正量放入微機的中央處理器CPU中去，最后在計數(shù)器CT0中斷子程序進行線徑值運算時，用誤差修正量對運算結果進行修正。

在具有微機誤差修正能力的測量系統(tǒng)中，整機的系統(tǒng)誤差主要決定于測量系統(tǒng)對線徑變化的分辨率。本機主要由CCD的分辨率所決定。微機誤差修正的待點是可以對大量的可分辨的測量值逐個獨立進行修正，不存在相互之間的影響，而一般機械式或電子式儀表，誤差修正調整只能在有限點進行，并且每一個點的調整存在相互影響，很難使每一個示值的誤差都得到修正。微機誤差修正不存在這種影響，可以使每個示值都修正到可能的準確值。

結語

高精度線徑動態(tài)測徑儀在電線生產(chǎn)線上進行檢測，測量精度高。與傳統(tǒng)的激光轉鏡掃描或音叉震動掃描測徑儀相比，具有成本低、精度高、速度快、可靠性好等優(yōu)點。

本文引用 福建師范大學學報 自然科學版

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