基于双光栅的细丝直径测量系统研究

发布时间：2017-04-02 20:03

  本文关键词：基于双光栅的细丝直径测量系统研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：微米量级细丝直径的测量在实验室研究以及微型加工工艺中具有特别重要的意义,尤其是在微型机械、生物仪器、光电加工、纺织等不同领域产品的行业中,许多场合要求对微米量级细丝进行精确的测量。本文在查阅大量国内外文献的基础上,以提高细丝直径的测量精度为目的,主要完成了以下几个部分的工作：一、提出了一种全新的双光栅测径方法。在衍射测径系统之后加入高密度光栅对细丝衍射谱进行二次衍射,充分利用光栅的细分放大性能,放大了所需测量的级次间距,以提高测量的精度。二、阐述了对线阵相机所测得的衍射谱初始信号的处理方法。使用基于巴特沃斯低通滤波器的零相位滤波器对初始信号进行滤波,通过测定衍射谱对应的傅里叶空间频谱中的极值来自适应地确定滤波器截止频率；通过对初始极值点附近的数据进行两次二次拟合得到亮暗级次的精确位置；在使用所测级次间距计算细丝直径的数值方法中,选择收敛速度更快的牛顿迭代法。三、介绍了实际搭建的实验系统装置,并根据装置中的固定参数确定其他设计参数。根据夫琅禾费近似条件确定装置中的衍射距离,并使用标准光栅测量标准细丝到光栅和光栅到线阵相机的距离；根据衍射距离选择细丝衍射级次m和光栅衍射级次n;设计了滤波片的尺寸和开口宽度。四、使用所设计的装置在相同的条件下分别使用双光栅衍射法和经典衍射法对实际直径为100.2、120.1和140.8μmm的三个标准细丝进行测量和比较,双光栅衍射法测量的结果分别为99.5、121.0、141.6μm,经典衍射法测量的结果分别为102.4、121.8、142.0μm,双光栅衍射法平均相对测量误差为0.68%,相比于经典衍射法的1.53%降低了56%。在对两种方法中各个因素造成误差的分析中,双光栅衍射法的不确定度分别为0.83、1.16、1.56μm,经典衍射法的不确定度分别1.01、1.41、1.92μm,从而验证了双光栅衍射法的优势。
【关键词】：细丝直径测量 夫琅禾费衍射 光栅 不确定度
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP274
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 1. 绪论11-23
• 1.1. 研究目的和意义11
• 1.2. 课题研究现状11-21
• 1.2.1. 接触式测量方法11-12
• 1.2.2. 非接触式测量方法12-16
• 1.2.2.1. 成像测量法12-13
• 1.2.2.2. 干涉法13-14
• 1.2.2.3. 激光扫描法14
• 1.2.2.4. 投影成像法14-16
• 1.2.3. 衍射测量法及其发展现状16-21
• 1.2.3.1. 计算模型的改进17-18
• 1.2.3.2. 衍射谱的处理方法18-20
• 1.2.3.3. 其他改进20-21
• 1.3. 课题研究内容和目标21-23
• 2. 双光栅测径系统原理23-34
• 2.1. 光学衍射原理基础23-30
• 2.1.1. 夫琅禾费衍射原理23-26
• 2.1.2. 巴比涅原理26
• 2.1.3. 细丝衍射原理26-28
• 2.1.4. 光栅衍射原理28-30
• 2.2. 双光栅测径系统的基本原理30-33
• 2.2.1. 基本原理30-32
• 2.2.2. 理论分析32-33
• 2.3. 本章小结33-34
• 3. 衍射谱特征提取算法研究34-48
• 3.1. 原始衍射谱的滤波算法34-42
• 3.1.1. 基本数字滤波算法34-37
• 3.1.1.1. 均值滤波35
• 3.1.1.2. 中值滤波35
• 3.1.1.3. 低通滤波35-37
• 3.1.2. 零相位数字滤波器37-38
• 3.1.3. 截止频率w_c的确定38-42
• 3.2. 衍射谱中亮暗级次位置的查找算法42-43
• 3.3. 计算细丝直径的数值算法43-46
• 3.3.1. 二分法44-45
• 3.3.2. 牛顿迭代法45-46
• 3.4. 本章小结46-48
• 4. 双光栅测径系统实验装置与参数48-59
• 4.1. 实验装置48-49
• 4.2. 实验装置中的固定参数49-52
• 4.2.1. 激光器49
• 4.2.2. 标准细丝49-50
• 4.2.3. 光栅50-51
• 4.2.4. 线阵相机51-52
• 4.3. 实验装置中的设计参数52-56
• 4.3.1. 实验装置中器件的衍射距离52-53
• 4.3.2. 衍射级次m和n的选择53-55
• 4.3.3. 滤波片的设计55-56
• 4.4. 实验软件56-58
• 4.5. 本章小结58-59
• 5. 实验分析59-69
• 5.1. 实验结果59-62
• 5.1.1. 双光栅衍射法测量细丝直径的实验结果59-60
• 5.1.2. 经典衍射法测量细丝直径的实验结果60-61
• 5.1.3. 两种测量方法实验结果的对比与分析61-62
• 5.2. 不确定度分析62-67
• 5.2.1. 双光栅测径系统的不确定度62-66
• 5.2.1.1. 级次间距的测量误差△x63-66
• 5.2.1.2. 系统参数的误差66
• 5.2.1.3. 合成不确定度66
• 5.2.2. 经典衍射法的不确定度66-67
• 5.2.3. 两种方法不确定度的分析与比较67
• 5.3. 本章小结67-69
• 6. 总结与展望69-71
• 6.1. 总结69-70
• 6.2. 展望70-71
• 参考文献71-76
• 作者简介76
• 攻读硕士期间发表的论文76

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