动态线材直径测量新方法

　　1　引言

　　随着各种光电转换器件的发展,光学非接触式测量技术在许多方面获得了应用,正在逐步取代以往的接触式测量方法。在工业生产线上,象各种线材、管材的直径,利用光学非接触式测量方法进行实时测量,比利用接触式测量方法进行间断测量,具有明显的优势。目前,在线材直径的非接触式测量方法中,比较成熟的是采用线阵CCD,其基本原理是:采用平行光从背面照射待测目标,目标经过光学系统成像到CCD传感器上,成像尺寸乘以一个由光学系统决定的系数,即为目标的实际尺寸[1]。

　　但是,这种方法存在一些缺点。首先,线材振动的影响难以克服。生产线上,被测目标的振动是不可避免的,从而导致其像在CCD上的抖动。而且,这种抖动的方向、幅度、频率都时刻处于变化之中。这种抖动,一方面使得需要根据像边缘的位置乘以不同的系数,因为光学系统对处于视场不同位置的目标的放大率是不同的[1],另一方面,使得像的边缘模糊,成像尺寸受到影响。其次,像的边缘的检测比较烦琐。

　　采用固定阈值时误差太大,采用浮动阈值可以使测量精度得到一定的提高[2],但是,误差仍然为像元量级。采用亚像元边缘检测技术可以使像边缘检测的定位分辨率提高到十分之一个像元[3],但需要进行大量计算。采用小波变换也比采用阈值要好,而且可以避免单色光照明时衍射效应的影响[4],缺点是也需要大量计算。我们提出一种新的非接触式测量方法,利用金属表面对光的反射以及傅立叶变换原理,可以根据光强得到被测线材的直径,避免了边缘检测的烦琐处理,并且可以消除线材振动的影响。初步的实验表明,该方法有可能为金属线材的在线动态测量提供一种迅速、简单的途径。

　　2　测量原理

　　测量装置如图1所示。He-Ne激光束经过准直扩束以及针孔滤波器后,成为亮度均匀的平行光,照射到待测金属线材上。线材表面的反射光是分布在四周的,用半透半反镜取其后向反射光的一大部分,经过柱面傅立叶透镜后,用光电转换器件将焦平面上的光强测出来,即可得到线材的直径。下面推导其输入输出关系。

　　为了简单,用图2所示光路进行推导。设线材轴线垂直于纸面,图中圆O₁为线材横截面周线,其半径为R.建立坐标系如图所示,X轴为平行光方向,过透镜中心O₂, Y轴与之垂直,且过透镜焦点。X₁轴平行于X轴(也为平行光方向),过圆心O₁, Y₁轴也过圆心O₁且与X₁轴垂直。

　　设有光线AB和圆相交于B点,B点在O₁X₁Y₁坐标系中的纵坐标为y₁.设O₁B与X₁轴夹角为θ,则根据光的反射定律可知,反射光BC与X₁轴的夹角为2θ.过O₂作BC的平行线,与Y轴相交于D点,设D点在OXY坐标系中的纵坐标为y.根据透镜的性质可知,光线BC经过透镜后与Y轴也相交于D点。如果透镜为无穷大的话,则无论O1点在OXY坐标系中的纵、横坐标如何改变,B点的反射光经过透镜后都与Y轴相交于D点,这正是本方法能够消除线材振动影响的理论根据。