引言

在电线生产线上，当电线的直径非常小时，细线在生产线上运行速度将会非常快，在如此高速运行的情况下，线径的实时检测十分困难；但是，线径的实时监测对提高产品质量又是十分重要的，特别是在漆包工艺中，实时地对线径进行动态检测，可以有效地控制漆层的厚度，从而提髙漆包线的质量，降低废品率。本文提出的高精度线径动态测径仪就是根据这种要求而研发的，它可应用于电线、钨丝、光纤等细线生产线，完成实时线径检测。

1、光学系统的组成和基本工作原理

检测系统组成如图1所示。其中显微物镜是光学系统主要部件，由它完成对线径的光学放大并在线阵CCD光敏元上成像。

氦氖激光器及其扩束系统为显微物镜提供平行性很好的照明光源。采用激光并经过扩束作为照明光源主要是为了改善照明光源的平行性，提髙测量精度。由于被测细线为圆柱体，其表面的定位精度不仅受斜光束的影响，同时还受曲面表面对斜光束反射的影响，由反射光线产生的虚物点影响了圆柱体光学影像边缘的精确定位。设斜光束与光轴夹角为θ，圆柱体半径为r，则由斜光束反射造成的物体边缘定位误差为：

可见，采用激光照明时，定位精度得到很大的改善，使由斜光束在曲面反射造成的测量误差大大小于本系统测量精度的要求。

为了降低整个系统的成本，对光学系统使用的镜头没有根据高精度测量的特殊要进行专门设计，仅使用一般的显微物镜和扩束镜头，由此产生的测量误差则通过微机编制的误差修正程序来克服。另外，为了减少激光输出功率的不稳定对测量精度的影响，还采用了电流反馈式稳定装置稳定氦氖激光器输出功率。

2、微机数据处理和显示

本系统使用1024位线阵CCD进行光电检测。线径变化1μm对应于CCD光敏面变化一个光敏元，即一个象素。CCD光电检测信号经过浮动二值化处理后，量化为数字信号，光敏面上每一个光敏元（象素）的光信号对应于一个电脉冲信号的输出，所以，当线径变化1μm时，对应于输出电信号变化一个脉冲。

为满足髙速动态检测的要求，完成一次测量所需要的时间必须很短。本系统设计在0．77ms时间内完成一次测量，与之相适应，CCD光电检测输出信号为周期接近于1．5μs的髙速脉冲。当信号输入微机进行处理时，由于信号变化速率太大，PIO并行接口接收信号的速度跟不上。本系统采用了以微机计数器CTC接收数据，而后通过中断子程序由中央处理器CPU进行处理和显示的办法。当进行单次测量时，线径D等于：

微机程序的组成：首先由主程序对CTC的工作方式进行设定，以CTC中的CTl和CT3 分别对CCD A通道和CCD B通道的输出脉冲信号进行计数测量，当计数值超过CTC计数容量时，通过CT1和CT3的中断子程序，使微机设定的量化计数器进位加一，同时通过CT0监测测量次数，每完成一次测量，CT0计数器计数一次，当CT0计数值到达所要求测量的次数n，通过CT0中断子程序停止CT1和CT3计数，并根据所得数据由CPU进行运算和显示。微机数据处理组成如图2所示。

设所得两个通道量化计数器值分别为A1个B1，停止计数时，减一计数器CT1和CT3当时的值为A2何B2，则线径D为：

3、测量精度分析和微机对测量误差的修正

根据设定的显微物镜的放大倍数（β＝ 16）和选用的CCD器件光敏元尺寸（16μm），这个系统可以识别线径1μm的变化量，也就是说这个系统的测量绝对误差可以小于1μm，但这只是在理想情况下才能达到的，实际上还有其它的因素影响测量精度，造成测量误差的增大。在动态检测情况下，影响测量精度的主要因索，一是景深的变化，二是物镜的非线性畸变。由于被测线不是稳定不动的，它在运动之中通过显微物镜的视场，使得它与物镜之间的距离不可能保持绝对稳定。虽然可以调节物距等于工作距，但是运动中细线总会在工作距左右有一定的抖动，当细线偏离对准平面为△l时，线径边沿的一个点 在对准平面上成为一个弥散斑，造成测量的误差。这个弥散斑的直径为：

Z≈2△l·sinθ （6）

θ为照明光源的发散角。为了使这个弥散斑不影响系统的测量精度，要求弥散斑直径至少必须小于1μm。设细线在工作距左右抖动最大可能偏离距离以△l＝1 mm，则由式（6）可求得对照明光源发散角的要求为：

可见，本系统由于采用经过扩束的激光作为照明光源，这个要求可以满足。只要细线动态运行之中在工作距左右的抖动小于lmm，则这种抖动对测量精度的影响将得到克服。

细线动态运行中除了在工作距左右抖动之外，还同时存在被测线在线视场的上下摆动，因此由于显微物镜的非线性畸变，使同一个线径在CCD上成像大小不同，造成测量的误差。非线性畸变还使得被测线线径不同时， 测量的线径值不能与之成线性关系，同样造成了测量误差，所以它是影响测量精度的主要因素。虽然可以通过设计非线性畸变小的高质量物镜来减小误差，但这将使仪器成本增加，并且镜头实际加工也不容易达到较高的指标。除了物镜的影响之外，其它因素也会造成测量的非线性误差，如光学系统的调整偏差，CCD器件的性能不理想等，所以本系统只用一般物境，降低对光学系统的要求，而最后通过微机对这些误差进行动态综合修正，既降低了成本，又满足了测量精度的要求。

图2中的喑影区表示被测细线在物镜视场中的位置。

A点和B点分别为细线沿直径方向两个边缘位置，x为沿直径方向的座标。

微机误差修正程序是根据被测线线径的两个边缘在视场中不同位置，从存贮器中出相应的误差修正量对测量结果进行修正的。被测线在视场中不同位置的判别根据CCD光电检测波形的包络确定，包络的两个边缘即对应于线径的两个边缘位置A和B，使并行接口PIO工作于位控方式，通过硬件实现PIO对这两个边缘的中断响应，由PI0的中断子程序根据计数器CT1和CT3及其量化计数器计算出yAi和Ybi值，然后以yAi和ybi值为址分別从对应的ROM中取出误差修正量放入微机的中央处理器CPU中去，最后在计数器CT0中断子程序进行线径值运算时，用误差修正量对运算结果进行修正。

在具有微机误差修正能力的测量系统中，整机的系统误差主要决定于测量系统对线径变化的分辨率。本机主要由CCD的分辨率所决定。微机误差修正的待点是可以对大量的可分辨的测量值逐个独立进行修正，不存在相互之间的影响，而一般机械式或电子式仪表，误差修正调整只能在有限点进行，并且每一个点的调整存在相互影响，很难使每一个示值的误差都得到修正。微机误差修正不存在这种影响，可以使每个示值都修正到可能的准确值。

结语

高精度线径动态测径仪在电线生产线上进行检测，测量精度高。与传统的激光转镜扫描或音叉震动扫描测径仪相比，具有成本低、精度高、速度快、可靠性好等优点。

本文引用 福建师范大学学报 自然科学版

由保定市蓝鹏测控科技有限公司编写