引言

在電線生產(chǎn)線上，當(dāng)電線的直徑非常小時，細(xì)線在生產(chǎn)線上運(yùn)行速度將會非?？欤谌绱烁咚龠\(yùn)行的情況下，線徑的實(shí)時檢測十分困難；但是，線徑的實(shí)時監(jiān)測對提高產(chǎn)品質(zhì)量又是十分重要的，特別是在漆包工藝中，實(shí)時地對線徑進(jìn)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(zhì)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(yīng)用于電線、鎢絲、光纖等細(xì)線生產(chǎn)線，完成實(shí)時線徑檢測。

1、光學(xué)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(xué)系統(tǒng)主要部件，由它完成對線徑的光學(xué)放大并在線陣CCD光敏元上成像。

氦氖激光器及其擴(kuò)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(kuò)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(xì)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(diǎn)影響了圓柱體光學(xué)影像邊緣的精確定位。設(shè)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(xué)系統(tǒng)使用的鏡頭沒有根據(jù)高精度測量的特殊要進(jìn)行專門設(shè)計，僅使用一般的顯微物鏡和擴(kuò)束鏡頭，由此產(chǎn)生的測量誤差則通過微機(jī)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(jī)數(shù)據(jù)處理和顯示

本系統(tǒng)使用1024位線陣CCD進(jìn)行光電檢測。線徑變化1μm對應(yīng)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(yīng)于一個電脈沖信號的輸出，所以，當(dāng)線徑變化1μm時，對應(yīng)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(shè)計在0．77ms時間內(nèi)完成一次測量，與之相適應(yīng)，CCD光電檢測輸出信號為周期接近于1．5μs的髙速脈沖。當(dāng)信號輸入微機(jī)進(jìn)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(jī)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(jìn)行處理和顯示的辦法。當(dāng)進(jìn)行單次測量時，線徑D等于：

微機(jī)程序的組成：首先由主程序?qū)TC的工作方式進(jìn)行設(shè)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(jìn)行計數(shù)測量，當(dāng)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(jī)設(shè)定的量化計數(shù)器進(jìn)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(dāng)CT0計數(shù)值到達(dá)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(jìn)行運(yùn)算和顯示。微機(jī)數(shù)據(jù)處理組成如圖2所示。

設(shè)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(dāng)時的值為A2何B2，則線徑D為：

3、測量精度分析和微機(jī)對測量誤差的修正

根據(jù)設(shè)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(dá)到的，實(shí)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(yùn)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(diào)節(jié)物距等于工作距，但是運(yùn)動中細(xì)線總會在工作距左右有一定的抖動，當(dāng)細(xì)線偏離對準(zhǔn)平面為△l時，線徑邊沿的一個點(diǎn) 在對準(zhǔn)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(shè)細(xì)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(kuò)束的激光作為照明光源，這個要求可以滿足。只要細(xì)線動態(tài)運(yùn)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(xì)線動態(tài)運(yùn)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(guān)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(shè)計非線性畸變小的高質(zhì)量物鏡來減小誤差，但這將使儀器成本增加，并且鏡頭實(shí)際加工也不容易達(dá)到較高的指標(biāo)。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(xué)系統(tǒng)的調(diào)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(xué)系統(tǒng)的要求，而最后通過微機(jī)對這些誤差進(jìn)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(xì)線在物鏡視場中的位置。

A點(diǎn)和B點(diǎn)分別為細(xì)線沿直徑方向兩個邊緣位置，x為沿直徑方向的座標(biāo)。

微機(jī)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(yīng)的誤差修正量對測量結(jié)果進(jìn)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(luò)確定，包絡(luò)的兩個邊緣即對應(yīng)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(shí)現(xiàn)PIO對這兩個邊緣的中斷響應(yīng)，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(yīng)的ROM中取出誤差修正量放入微機(jī)的中央處理器CPU中去，最后在計數(shù)器CT0中斷子程序進(jìn)行線徑值運(yùn)算時，用誤差修正量對運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行修正。

在具有微機(jī)誤差修正能力的測量系統(tǒng)中，整機(jī)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(jī)主要由CCD的分辨率所決定。微機(jī)誤差修正的待點(diǎn)是可以對大量的可分辨的測量值逐個獨(dú)立進(jìn)行修正，不存在相互之間的影響，而一般機(jī)械式或電子式儀表，誤差修正調(diào)整只能在有限點(diǎn)進(jìn)行，并且每一個點(diǎn)的調(diào)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(jī)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(zhǔn)確值。

結(jié)語

高精度線徑動態(tài)測徑儀在電線生產(chǎn)線上進(jìn)行檢測，測量精度高。與傳統(tǒng)的激光轉(zhuǎn)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(diǎn)。

本文引用 福建師范大學(xué)學(xué)報 自然科學(xué)版

由保定市藍(lán)鵬測控科技有限公司編寫