【正文】 細(xì)絲及薄帶尺寸的測量 隨著工業(yè)的發(fā)展，要求對各種細(xì)金屬絲、光導(dǎo)纖維、鐘表游絲等進(jìn)行非接觸高精度測量。過去測量 0. lmm以下的細(xì)絲直徑，采用光學(xué)量儀或電測量儀，這類量儀本身測量精度是高的，但由于漆包線，光導(dǎo)纖維等是塑性材料不能用接觸法測量。用光學(xué)投影法時又因邊界衍射效應(yīng)，測量不準(zhǔn)。所以過去對 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 )，把試件切成一定長度后，幾十根稱重，根據(jù)重量估計其直徑。實際上并沒有測量其實際外徑，故很不可靠。 ?采用激光下的互補(bǔ)法測定細(xì)絲外徑，是一種高精度的非接觸法測量，精度可達(dá) ，這對生產(chǎn)和科學(xué)研究都具有重要意義。 實際應(yīng)用的例子 (一 )漆包線激光動態(tài)測徑儀 (三 )薄帶的精密測量 (二 )薄帶的精密測量 現(xiàn)代光學(xué)測試技術(shù) (一 )漆包線激光動態(tài)測徑儀 為了達(dá)到要求的漆層厚度，銅線要經(jīng)過多次涂漆和烘干。圖中虛線表示激光測徑儀，用于測定漆層外徑后用電表顯示尺寸。從而實現(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上移動著的漆包線 4，導(dǎo)輪的作用是穩(wěn)定線徑的位置。激光過細(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)，整個接收靶可以通過測微手輪上下移動，用以選擇定位條紋的位置。當(dāng)衍射條紋通過狹縫光欄照射光電池時，分界線兩邊接收到的光強(qiáng)就轉(zhuǎn)換成電信號，由差動放大器 9放大，最后由電表 l0顯示。 現(xiàn)代光學(xué)測試技術(shù) ?在選擇定位條紋時，一般以取二級或三級衍射條紋為最佳。另一方面，當(dāng)漆包線漆層厚度公差較大時，允許條紋位置變化較大，這時可取一級條紋定位。在選擇定位條紋時，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，圖中 b)是選用第三級亮條紋為定位條紋，把硅光電池 8的分界面對準(zhǔn)第三級亮條紋中心時，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，衍射條紋間隔變化，光電池兩個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)測試技術(shù) ?細(xì)絲被激光照射后其衍射光經(jīng)透鏡 9會聚，在其焦平面形成遠(yuǎn)場條紋。 ?用電視的視頻掃描線，將衍射圖像轉(zhuǎn)換成電訊號，然后與標(biāo)準(zhǔn)尺寸的 5的衍射電訊號進(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) 比較測量電路 數(shù)學(xué)顯示器 半鍍反射鏡 被測細(xì)絲 反射鏡 反射鏡 ?通過調(diào)整 4/6來獲得標(biāo)準(zhǔn)衍射條紋在攝像機(jī)上的正確位置，以符合比較時的電路要求。 電視激光測徑儀的測量范圍是 0. 008~205mm，系統(tǒng)的精度 177。 ℅ (二 )電視激光測徑儀 現(xiàn)代光學(xué)測試技術(shù) 光源是半導(dǎo)體激光 ((3mW , 波長 780nm)，用擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng) L1來照射被測圓柱形細(xì)絲，透鏡 L2用于收集被測件的衍射光，在L2的焦平面上放置 CCD(或光電二極管列陣 )，通過 CCD的掃描來識別衍射圖形。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時用于被測直徑 10 ~400微米， f=90mm時用于 20一 650微米直徑的細(xì)絲。 測定 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)測試技術(shù) 顯然測 徑 精度主要由測定衍射條紋間隔的精度決定。即△ i/i=△ d/d。實際上，測定還要用標(biāo)定細(xì)絲直徑 dr來校正，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，為保證測量精度，還要用LoronzMire理論對 Fraunhofe:近似作修正，這種方法其重復(fù)性可達(dá) ，用 Fraunhofe近似計算時精度是 1℅ 。 fdi??則細(xì)絲直徑 d: 式中： f是 L2的焦距， 是波長 ?現(xiàn)代光學(xué)測試技術(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，厚度一般僅幾個微米。實際上是一種柔性絲帶，這給測量帶來困難。 ?利用互補(bǔ)原理，測量薄帶寬度 b，相當(dāng)于測量縫寬為 b的無限長狹縫。測量時，要求薄帶相對于激光束必須垂直，否則測量誤差很大。當(dāng)薄帶表面對激光束的不垂直度為 1176。 ， 而薄帶尺寸 b = 0. 12mm和 d=，測量誤差約 0. 5微米 (三 )薄帶的精密測量 現(xiàn)代光學(xué)測試技術(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,測量條紋的間距，就可求得帶寬 b: nRnbx??現(xiàn)代光學(xué)測試技術(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，以保證薄帶的準(zhǔn)確定位。當(dāng)薄帶表面光潔度低于 ▽ 12時，反射光中散射成分增加，影響定位。這時可改用 150一 200倍的顯微鏡用觀察來定位。 當(dāng)用對比較好的一級暗條紋作為測量對象，測出。 n=土 l級的兩個暗條紋之間的距離為 x，則 x=2t, t是條紋間距，可得帶寬 b的計算公式 2 Rbx??現(xiàn)代光學(xué)測試技術(shù) 五、角度的精密測量 利用衍射條紋的間隔變化可以精密測定楔角。這種方法與常規(guī)的方法相比，裝置簡單，精度可達(dá)到接近干涉測角的量級，測量范圍是 1176。 ~10176。 現(xiàn)代光學(xué)測試技術(shù) 現(xiàn)代光學(xué)測試技術(shù) 現(xiàn)代光學(xué)測試技術(shù) 現(xiàn)代光學(xué)測試技術(shù) 現(xiàn)代光學(xué)測試技術(shù) 六、全場測量 激光衍射測量不僅發(fā)生在一點上，而且發(fā)生上在被激光照明的狹縫全長上。因此，激光衍射是一種有效的全場測量，其應(yīng)用的例子很多，例如，變形的衍射全場測量就是一種設(shè)備簡單、技術(shù)可靠的方法，其原理如圖 548a)所示，當(dāng)柱體試樣沒有承載時，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、扭曲、變形測定上，也可用于基礎(chǔ)地基的變形研究上。對非金屬材料，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)測試技術(shù) 利用衍射進(jìn)行變形的全場測量其不足之處是測量范圍不大，上面已經(jīng)敘及，狹縫間隙變大，衍射條紋變密，影響測量的靈敏度。解決的方法是利用衍射條紋來形成莫爾條紋，形成的方法是 :首先攝取沒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，測定莫爾條紋的間隔，用下式就可計算出變形量 : 現(xiàn)代光學(xué)測試技術(shù) 現(xiàn)代光學(xué)測試技術(shù) 七、波前測量 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)代一種輕巧而價低的測量光學(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同心圓環(huán)，如圖中 (a)所示，內(nèi)環(huán)是一個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，用以使被測光束通過光強(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)測試技術(shù) PDI關(guān)鍵是選定小孔尺寸和半透區(qū)的透過率以獲得最大條紋對比度，小孔尺寸與照射光學(xué)系統(tǒng)的相對口徑 f/D有關(guān)，當(dāng)波長= 6微米，也就是無像差光束 Airy斑直徑的 1/4左右，對半透圓區(qū)的透過率，當(dāng)用金 (AU)作為薄膜材料，則透過率是薄膜厚度的函數(shù)，即 現(xiàn)代光學(xué)測試技術(shù) 在結(jié)束本章時最后應(yīng)該指出，光衍射技術(shù)在測試上的應(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 lBM研究實驗室利用布拉格 (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)法來測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時的溫度分布圖。