【正文】 細(xì)絲及薄帶尺寸的測(cè)量 隨著工業(yè)的發(fā)展，要求對(duì)各種細(xì)金屬絲、光導(dǎo)纖維、鐘表游絲等進(jìn)行非接觸高精度測(cè)量。過(guò)去測(cè)量 0. lmm以下的細(xì)絲直徑，采用光學(xué)量?jī)x或電測(cè)量?jī)x，這類量?jī)x本身測(cè)量精度是高的，但由于漆包線，光導(dǎo)纖維等是塑性材料不能用接觸法測(cè)量。用光學(xué)投影法時(shí)又因邊界衍射效應(yīng)，測(cè)量不準(zhǔn)。所以過(guò)去對(duì) 0. 1 mm以下的纖維細(xì)絲、高分子材料細(xì)絲都用稱量法 (MG法 )，把試件切成一定長(zhǎng)度后，幾十根稱重，根據(jù)重量估計(jì)其直徑。實(shí)際上并沒(méi)有測(cè)量其實(shí)際外徑，故很不可靠。 ?采用激光下的互補(bǔ)法測(cè)定細(xì)絲外徑，是一種高精度的非接觸法測(cè)量，精度可達(dá) ，這對(duì)生產(chǎn)和科學(xué)研究都具有重要意義。 實(shí)際應(yīng)用的例子 (一 )漆包線激光動(dòng)態(tài)測(cè)徑儀 (三 )薄帶的精密測(cè)量 (二 )薄帶的精密測(cè)量 現(xiàn)代光學(xué)測(cè)試技術(shù) (一 )漆包線激光動(dòng)態(tài)測(cè)徑儀 為了達(dá)到要求的漆層厚度，銅線要經(jīng)過(guò)多次涂漆和烘干。圖中虛線表示激光測(cè)徑儀，用于測(cè)定漆層外徑后用電表顯示尺寸。從而實(shí)現(xiàn)人工調(diào)整涂漆參數(shù)，保證涂漆質(zhì)量。 主要用于直徑 。測(cè)量精度在 l微米左右 裸線 線軸 導(dǎo)輪 漆糟 粘漆軸 烘箱 激光器 觀察屏 收線軸 現(xiàn)代光學(xué)測(cè)試技術(shù) HeNe激光器 1發(fā)出的激光經(jīng)反射鏡 2照射在導(dǎo)輪 3上移動(dòng)著的漆包線 4，導(dǎo)輪的作用是穩(wěn)定線徑的位置。激光過(guò)細(xì)線后發(fā)生衍射，衍射光束經(jīng)反射鏡 5后轉(zhuǎn)向接收靶 6，接收靶上有狹縫光欄 7和二象限硅光電池 (8A,8B)，整個(gè)接收靶可以通過(guò)測(cè)微手輪上下移動(dòng)，用以選擇定位條紋的位置。當(dāng)衍射條紋通過(guò)狹縫光欄照射光電池時(shí)，分界線兩邊接收到的光強(qiáng)就轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，由差動(dòng)放大器 9放大，最后由電表 l0顯示。 現(xiàn)代光學(xué)測(cè)試技術(shù) ?在選擇定位條紋時(shí)，一般以取二級(jí)或三級(jí)衍射條紋為最佳。另一方面，當(dāng)漆包線漆層厚度公差較大時(shí)，允許條紋位置變化較大，這時(shí)可取一級(jí)條紋定位。在選擇定位條紋時(shí)，漆包線公差在 1/2條紋間隔內(nèi)為宜。 當(dāng)選擇不同定位條紋時(shí)，圖中 b)是選用第三級(jí)亮條紋為定位條紋，把硅光電池 8的分界面對(duì)準(zhǔn)第三級(jí)亮條紋中心時(shí)，光電池兩邊光強(qiáng)相等，產(chǎn)生相等光電流，電表指零。當(dāng)漆包線直徑有變化時(shí)，衍射條紋間隔變化，光電池兩個(gè)象限的光電流失去平衡，電表不指零。因此，當(dāng)用標(biāo)準(zhǔn)直徑校準(zhǔn)電表零位后，電表上的刻度就反映漆包線的外徑變化，從而可以控制漆包線的生產(chǎn)。 現(xiàn)代光學(xué)測(cè)試技術(shù) ?細(xì)絲被激光照射后其衍射光經(jīng)透鏡 9會(huì)聚，在其焦平面形成遠(yuǎn)場(chǎng)條紋。 ?用電視的視頻掃描線，將衍射圖像轉(zhuǎn)換成電訊號(hào)，然后與標(biāo)準(zhǔn)尺寸的 5的衍射電訊號(hào)進(jìn)行比較。 HeNe激光器 擴(kuò)束光組 半鍍反射鏡 透鏡 細(xì)絲 電視攝像機(jī) 比較測(cè)量電路 數(shù)學(xué)顯示器 半鍍反射鏡 被測(cè)細(xì)絲 反射鏡 反射鏡 ?通過(guò)調(diào)整 4/6來(lái)獲得標(biāo)準(zhǔn)衍射條紋在攝像機(jī)上的正確位置，以符合比較時(shí)的電路要求。 電視激光測(cè)徑儀的測(cè)量范圍是 0. 008~205mm，系統(tǒng)的精度 177。 ℅ (二 )電視激光測(cè)徑儀 現(xiàn)代光學(xué)測(cè)試技術(shù) 光源是半導(dǎo)體激光 ((3mW , 波長(zhǎng) 780nm)，用擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng) L1來(lái)照射被測(cè)圓柱形細(xì)絲，透鏡 L2用于收集被測(cè)件的衍射光，在L2的焦平面上放置 CCD(或光電二極管列陣 )，通過(guò) CCD的掃描來(lái)識(shí)別衍射圖形。在 CCD前面放置與光軸同心的不透明掩模，用于防止中心線的飽和， CCD像元為 1024,像元間距為 25微米 。掩模直徑 3mm , L2透鏡焦距 f=120mm時(shí)用于被測(cè)直徑 10 ~400微米， f=90mm時(shí)用于 20一 650微米直徑的細(xì)絲。 測(cè)定 Fraurihofer衍射條紋的間隔 i，即 21XXi m??X X2是衍射條紋左邊和郵編最小值的位置； m是 X1與 X2之間的衍射條紋數(shù) 現(xiàn)代光學(xué)測(cè)試技術(shù) 顯然測(cè) 徑 精度主要由測(cè)定衍射條紋間隔的精度決定。即△ i/i=△ d/d。實(shí)際上，測(cè)定還要用標(biāo)定細(xì)絲直徑 dr來(lái)校正，即 d = (ir/r)dr，而 ir是參考細(xì)絲的衍射條紋間隔。當(dāng)細(xì)絲直徑大于 50微米時(shí)，為保證測(cè)量精度，還要用LoronzMire理論對(duì) Fraunhofe:近似作修正，這種方法其重復(fù)性可達(dá) ，用 Fraunhofe近似計(jì)算時(shí)精度是 1℅ 。 fdi??則細(xì)絲直徑 d: 式中： f是 L2的焦距， 是波長(zhǎng) ?現(xiàn)代光學(xué)測(cè)試技術(shù) ?鐘表工業(yè)中的游絲，電子工業(yè)中的各種金屬薄片，寬度在 1 mm以下。所謂薄帶，是寬度 b比厚度 d要大很多倍。由于寬度小于 1mm，厚度一般僅幾個(gè)微米。實(shí)際上是一種柔性絲帶，這給測(cè)量帶來(lái)困難。 ?利用互補(bǔ)原理，測(cè)量薄帶寬度 b，相當(dāng)于測(cè)量縫寬為 b的無(wú)限長(zhǎng)狹縫。測(cè)量時(shí)，要求薄帶相對(duì)于激光束必須垂直，否則測(cè)量誤差很大。當(dāng)薄帶表面對(duì)激光束的不垂直度為 1176。 ， 而薄帶尺寸 b = 0. 12mm和 d=，測(cè)量誤差約 0. 5微米 (三 )薄帶的精密測(cè)量 現(xiàn)代光學(xué)測(cè)試技術(shù) HeNe激光器 1發(fā)出的激光，經(jīng)反射鏡 2及半透反射鏡 3反射而照射薄帶 5，在距離為 R的接收屏上得到隨薄帶寬度 b而變化的衍射條紋 6,測(cè)量條紋的間距，就可求得帶寬 b: nRnbx??現(xiàn)代光學(xué)測(cè)試技術(shù) 為了保證薄帶表面和光軸垂直，采用定位指示光電二極管 4，以接收薄帶表面的反射光 .當(dāng)就指示其變動(dòng)，以保證薄帶的準(zhǔn)確定位。當(dāng)薄帶表面光潔度低于 ▽ 12時(shí)，反射光中散射成分增加，影響定位。這時(shí)可改用 150一 200倍的顯微鏡用觀察來(lái)定位。 當(dāng)用對(duì)比較好的一級(jí)暗條紋作為測(cè)量對(duì)象，測(cè)出。 n=土 l級(jí)的兩個(gè)暗條紋之間的距離為 x，則 x=2t, t是條紋間距，可得帶寬 b的計(jì)算公式 2 Rbx??現(xiàn)代光學(xué)測(cè)試技術(shù) 五、角度的精密測(cè)量 利用衍射條紋的間隔變化可以精密測(cè)定楔角。這種方法與常規(guī)的方法相比，裝置簡(jiǎn)單，精度可達(dá)到接近干涉測(cè)角的量級(jí)，測(cè)量范圍是 1176。 ~10176。 現(xiàn)代光學(xué)測(cè)試技術(shù) 現(xiàn)代光學(xué)測(cè)試技術(shù) 現(xiàn)代光學(xué)測(cè)試技術(shù) 現(xiàn)代光學(xué)測(cè)試技術(shù) 現(xiàn)代光學(xué)測(cè)試技術(shù) 六、全場(chǎng)測(cè)量 激光衍射測(cè)量不僅發(fā)生在一點(diǎn)上，而且發(fā)生上在被激光照明的狹縫全長(zhǎng)上。因此，激光衍射是一種有效的全場(chǎng)測(cè)量，其應(yīng)用的例子很多，例如，變形的衍射全場(chǎng)測(cè)量就是一種設(shè)備簡(jiǎn)單、技術(shù)可靠的方法，其原理如圖 548a)所示，當(dāng)柱體試樣沒(méi)有承載時(shí)，衍射條紋是近于平行的直線，當(dāng)加載后，得到反映柱體變形的二維衍射條紋，用攝影方法就可以精確地研究試樣的二維變形，其靈敏度可以達(dá)到微米級(jí)以下。生產(chǎn)中已證明這是一種有效的方法，既可用于梁和板的受壓、伸長(zhǎng)、扭曲、變形測(cè)定上，也可用于基礎(chǔ)地基的變形研究上。對(duì)非金屬材料，例如水泥表面也可適用，表面粗糙度僅影響衍射條紋的輪廓分布，使條紋邊緣不光滑，但并不影響條紋中心的位釋。 現(xiàn)代光學(xué)測(cè)試技術(shù) 利用衍射進(jìn)行變形的全場(chǎng)測(cè)量其不足之處是測(cè)量范圍不大，上面已經(jīng)敘及，狹縫間隙變大，衍射條紋變密，影響測(cè)量的靈敏度。解決的方法是利用衍射條紋來(lái)形成莫爾條紋，形成的方法是 :首先攝取沒(méi)有加載荷或已知變形的衍射條紋的照片，用此衍射條紋的負(fù)片作為一塊已知光柵和正在被測(cè)的衍射條紋疊加，得到衍射情況下的莫爾條紋，如圖 548b)所示，測(cè)定莫爾條紋的間隔，用下式就可計(jì)算出變形量 : 現(xiàn)代光學(xué)測(cè)試技術(shù) 現(xiàn)代光學(xué)測(cè)試技術(shù) 七、波前測(cè)量 利用小孔的衍射可以獲得標(biāo)準(zhǔn)的波面，只要小孔直徑足夠的小，就可以獲得足夠精度的標(biāo)準(zhǔn)球面波，這就是點(diǎn)衍射干涉儀 (Point Diffraction Interferometers)的原理，這種 PDI干涉儀是當(dāng)代一種輕巧而價(jià)低的測(cè)量光學(xué)波陣面的有效工具，其原理示于圖549。在一塊薄的半透明基板上沉積兩個(gè)同心圓環(huán)，如圖中 (a)所示，內(nèi)環(huán)是一個(gè)十分清潔的小圓孔用于接受聚焦的光束并由衍射產(chǎn)生球面波，而較大的徑向區(qū)是半透明的，用以使被測(cè)光束通過(guò)光強(qiáng)適當(dāng)衰減，圖中 (b)是這二束光產(chǎn)生干涉而提供干涉圖的原理。 現(xiàn)代光學(xué)測(cè)試技術(shù) PDI關(guān)鍵是選定小孔尺寸和半透區(qū)的透過(guò)率以獲得最大條紋對(duì)比度，小孔尺寸與照射光學(xué)系統(tǒng)的相對(duì)口徑 f/D有關(guān)，當(dāng)波長(zhǎng)= 6微米，也就是無(wú)像差光束 Airy斑直徑的 1/4左右，對(duì)半透圓區(qū)的透過(guò)率，當(dāng)用金 (AU)作為薄膜材料，則透過(guò)率是薄膜厚度的函數(shù)，即 現(xiàn)代光學(xué)測(cè)試技術(shù) 在結(jié)束本章時(shí)最后應(yīng)該指出，光衍射技術(shù)在測(cè)試上的應(yīng)用領(lǐng)域還很廣闊，最近研究的方向主要是和光柵結(jié)合起來(lái)應(yīng)用。得到一種新的光束偏轉(zhuǎn)和調(diào)制效應(yīng)，這是許多光學(xué)裝置和研究技術(shù)的基礎(chǔ)。美國(guó) lBM研究實(shí)驗(yàn)室利用布拉格 (Bragg)效應(yīng)的衍射技術(shù)研究獲得了一種新型的衍射光偏轉(zhuǎn)器來(lái)替代聲光偏轉(zhuǎn)器。利用兩塊倫奇(Ronchi )光柵的衍射形成莫爾偏轉(zhuǎn)法來(lái)測(cè)定各種火焰的溫度分布等高線圖，圖 550是利用視頻顯示的莫爾偏轉(zhuǎn)等高線裝置原理方框圖這種方法可以獲得實(shí)時(shí)的溫度分布圖。