專利名稱：微小圓孔尺寸及圓度同時測量的裝置與方法
技術領域：
本發(fā)明公開ー種微小圓孔尺寸及圓度同時測量的裝置與方法，按國際專利分類表(IPC)劃分屬于微小圓孔測量技術領域。
背景技術：
微小圓孔的尺寸(直徑)和圓度是精密機械加工中非常關注的圓孔特征參數(shù)?，F(xiàn)有微小圓孔的非接觸測試裝置或儀器，基于衍射法的，只能測試其尺寸，不能同時測量其圓度；基于顯微投影法的，隨著待測微小圓孔尺寸變小，投影出的光孔也會變小，從微孔中透過的光變?nèi)?，其尺寸和圓度的測量精度會變低。中國文獻CN 02137742. I涉及ー種微孔自動測量方法及裝置，方法步驟是(XD攝像頭將微孔通過顯微鏡放大后的圖像輸入計算機；用面積法對微孔圖像進行濾波，找到最大象素數(shù)所對應的微孔；將微孔邊界點坐標存入鏈表，計算得到微孔的中心點坐標，尋找0 180度方向上的孔徑極大值，選取最大，最小值，得孔徑平均值及圓度誤差，然而， 該測量方法無法找到中心點，且所用的光源為普通光源，而微孔尺寸極小，僅靠攝像頭拍攝微孔并放大圖像很難精確測量出微孔尺寸。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提供了ー種微小圓孔尺寸及圓度同時測量的裝置與方法，而且隨著待測微小圓孔尺寸變小，其尺寸和圓度測量精度不會降低。為達到上述目的，本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的
ー種微小圓孔尺寸及圓度同時測量的裝置，包括He-Ne激光器、被測圓孔及夾持器、帶標志毛玻璃接收屏、信息采集裝置、信息處理裝置，
其中的He-Ne激光器、被測圓孔及夾持器、帶標志毛玻璃接收屏及信息采集裝置由ニ維可調(diào)裝置承載并置于光學平臺上，其中夾持待測微小圓孔的為精密ニ維可調(diào)整裝置，通過調(diào)整保證它們的中心基本在一條直線上，被測圓孔及夾持器及帶標志毛玻璃接收屏表面平行并與上述直線垂直，數(shù)據(jù)采集前通過精密調(diào)整和判斷，使He-Ne激光器發(fā)出的高準直度激光通過待測微孔所產(chǎn)生的衍射光斑中心與玻璃接收屏標志的中心一致達到對準和準直要求。進ー步，所述的精密ニ維可調(diào)整裝置為精密ニ維調(diào)整臺，它是通過螺旋測微器來調(diào)整水平豎直方向，所述的信息采集裝置為CCD面陣攝像機，信息處理裝置為計算機及相配套軟件。進ー步，所述的帶標志玻璃接收屏為衍射圖樣的接收屏，其為正方形毛玻璃片，四周包裹并與精密ニ維調(diào)整裝置相連，接收屏上標志有3. OmmX3. Omm的不透光“十”字叉，該標識位于接收屏的中心使激光通過衍射孔的衍射圖樣的中心與“十”字叉交點重合。進ー步，所述的被測圓孔直徑的測試量程為0. 005mnT0. 5mm。ー種微小圓孔尺寸及圓度同時測量方法，包括如下步驟(1)測試エ序，反復調(diào)整He-Ne激光器、被測圓孔、帶標志玻璃接收屏及信息采集裝置，使所測微小圓孔衍射圖樣在衍射屏及信息處理機顯示屏上第一暗環(huán)完整出現(xiàn)且對比度較好，開啟He-Ne激光器，獲得微小圓孔衍射的視屏圖像；
(2)對衍射視屏圖像進行灰度統(tǒng)計，找出圖像灰度中值，以灰度中值為標準，對視屏圖像作ニ值化處理，以(361，500)為旋轉(zhuǎn)中心，在0° 180°內(nèi)每隔15°旋轉(zhuǎn)，求得衍射圖樣艾里 斑不同位置實際直徑值(即第一暗環(huán)不同實際直徑值)DO、D1、D2、D3、……、D10、D11 ；
(3 ) 把D 0、D I、 ……、D I 0、D I I帶入衍射測量公式
d = ILAjD中，可分別求得微小圓孔在不同位置對應的直徑值d0、dl、……、dl0、dll。則微小圓孔最大直徑為ゴ麗=mas {d0,dl,......,tflCUill)
最小直徑為ゴ_ = mm……WlOjl 1}
則微小圓孔的平均直徑為ゴ哪=d+O/2
微小圓孔的圓度為(ゴ■-七)/2。步驟(2)中，對視屏圖像作ニ值化處理，作一條連接像素值分別為(0，500)和(721，500)兩點的直線，再做一條過(361，500)點且垂直前面連線的直線，分別求出它們與第一暗紋ニ值化后暗環(huán)的交點像素坐標，然后求得水平線的兩個像素點中點為A (xl, 500)和B (x2，500)，垂直線ー個交點中點為C (361，yl)。運用三點確定ー個圓的理論，可求得此位置衍射圖樣艾里斑第一級暗紋的半徑與直徑的像素值，將該值再乘以每ー像素代表的實際尺寸就得到了衍射圖樣第一級暗環(huán)實際直徑尺寸D0，以(361，500)為旋轉(zhuǎn)中心，在0° 180°內(nèi)甸隔
15°旋轉(zhuǎn)上述兩條直線并依據(jù)需要延長，按前面方法求它們與第一暗紋ニ值化后暗環(huán)交點的三個中點值，可分別求得對應位置衍射圖樣第一級暗環(huán)直徑的像素值，將該值再乘以每ー像素代表的實際尺寸，就得到了衍射圖樣第一級暗環(huán)實際直徑D1、D2、D3、……、D10、Dll。步驟(I)測試エ序中，在調(diào)整整個裝置后，關閉He-Ne激光器得到顯示屏上ー個像素所對應的實際物理尺寸，即定標工作。進ー步，通過ニ維精密調(diào)整CXD信息獲取系統(tǒng)，目測信息處理裝置顯示屏上“十”字叉的形狀吋，認為“一”線和“ I ”線大致相等吋，由信息處理裝置上的軟件讀取“一”線和“ I ”線所對應的顯示屏上的像素數(shù)，反復ニ維精密調(diào)整CXD信息獲取系統(tǒng)，直至“一”線和“ I ”線所對應的顯示屏上的像素數(shù)相等或只差ー個像素時，所述的帯“十”字叉的衍射屏已與CCD信息獲取系統(tǒng)實現(xiàn)了對準和準直的要求。進ー步，計算機的信息處理軟件編制時，會保證衍射視屏圖像位于軟件界面ー個大小恰當?shù)恼叫螀^(qū)域內(nèi)，像素大小為721X721，由干“十”字叉的物理尺寸在刻劃時已知為3. OmmX 3. Omm,當“一”線和“ | ”線所對應的顯示屏上的像素數(shù)相等，像素數(shù)設為q，則顯示屏上每一像素對應的尺寸大小為3000. 0/qy m ;當“一”線和“ I ”線所對應的顯示屏上的像素數(shù)相差ー個時，設大像素數(shù)為q，那小像素數(shù)就為q_l，則顯示屏上姆一像素對應的尺寸大小為(6000. 0q-3000. 0)/2q(q_l) U m，算出了ー個像素對應衍射屏所對應的實際尺寸，就完成了定標工作。
本發(fā)明裝置測試基于激光夫朗和費衍射測量原理，在衍射場放置有特別標志的毛玻璃做為衍射圖樣接收屏，由面陣CCD采集接收屏上包含特別標志的衍射圖樣，經(jīng)計算機上專門研制的軟件完成定標和衍射圖樣信息獲取，從而自動實現(xiàn)微小圓孔尺寸及圓度的同時測量。依據(jù)衍射原理，衍射孔徑越小，衍射圖樣越大，這有利于提高極小孔徑相關參數(shù)測
量精度。


圖I是本發(fā)明相關儀器立體示意圖。圖2是夫朗和費圓孔衍射圖樣，即在玻璃接收屏上的圖樣。圖3是信息處理機顯示屏上721X721大小區(qū)域內(nèi)的將進行信息處理的衍射圖樣示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進ー步說明
實施例請參閱圖1，ー種微小圓孔尺寸及圓度同時測量的裝置，包括He-Ne激光器I、被測圓孔及夾持器2、帶標志毛玻璃接收屏3、信息采集裝置4、信息處理裝置5，
其中的He-Ne激光器I、被測圓孔及夾持器2、帶標志玻璃接收屏3及信息采集裝置4由ニ維可調(diào)裝置承載并置于光學平臺上，其中夾持待測微小圓孔的為精密ニ維可調(diào)整裝置，通過調(diào)整保證它們的光軸(或中心)基本在一條直線上，被測圓孔及夾持器及帶標志玻璃接收屏表面平行并與上述直線垂直，數(shù)據(jù)采集前通過精密調(diào)整和判斷，使He-Ne激光器發(fā)出的高準直度激光通過待測微孔所產(chǎn)生的衍射光斑中心，盡可能與毛玻璃接收屏標志的中心—致。本發(fā)明中的精密ニ維可調(diào)整裝置為商用產(chǎn)品，它是通過螺旋測微器來調(diào)整XY方向或說水平豎直方向的位置，所述的信息采集裝置為CCD面陣攝像機，信息處理裝置為計算機及相配套軟件。圖2是夫朗和費圓孔衍射圖樣，即在本發(fā)明中的毛玻璃接收屏上的圖樣。圖3是信息處理機顯示屏上721X721大小區(qū)域內(nèi)的將進行信息處理的衍射圖樣示意圖，相互垂直的兩條直線與圓孔衍射圖樣第一暗環(huán)相交，按照專利申請書的描述，可以求得第一暗環(huán)(艾里斑)不同位置的直徑，進而求得衍射圓孔(測試圓孔)的不同位置直徑，最終求得圓孔的平均直徑和圓度。本發(fā)明的衍射圖樣的接收屏為正方形毛玻璃片(大小可根據(jù)測試范圍及裝置結(jié)構(gòu)由衍射公式進行計算)，四周包裹與精密ニ維可調(diào)整裝置相連，特別標志為3. OmmX 3. Omm的不透光“十”字叉，其刻劃精度和垂直度要求較高，位置位于毛玻璃片的中心。測試裝置調(diào)整時盡可能讓He-Ne激光通過“十”字叉交點，調(diào)整測試圓孔位置，讓激光通過衍射孔的衍 射圖樣的中心也大致與“十”字叉交點重合。利用帶不透光“十”字叉毛玻璃作為衍射圖像接收屏，通過顯示屏所顯示信息采集裝置所獲取圖像中“十”字叉的形狀和大小，既可以保證衍射圖像信息獲取過程中對準和準直的要求，又為系統(tǒng)定標提供了方法。本發(fā)明系統(tǒng)調(diào)整滿足對準和準直的要求和定標測量的具體過程是這樣的通過ニ維精密調(diào)整CCD信息獲取系統(tǒng)，目測信息處理裝置顯示屏上“十”字叉的形狀吋，認為“一”線和“ I ”線大致相等吋，由信息處理裝置上的軟件讀取“一”線和“ I ”線所對應的顯示屏上的像素數(shù)。反復ニ維精密調(diào)整CXD信息獲取系統(tǒng)，直至“一”線和“ I ”線所對應的顯示屏上的像素數(shù)相等或只差ー個像素時，此時可認為帯“十”字叉的衍射屏已與CCD信息獲取系統(tǒng)實現(xiàn)了對準和準直的要求。信息處理軟件編制時，會保證衍射視屏圖像位于軟件界面ー個大小恰當?shù)恼叫螀^(qū)域內(nèi)(像素大小為721X721)，由干“十”字叉的物理尺寸在刻劃時已知為3. OmmX 3. Omm,當“一”線和“ | ”線所對應的顯示屏上的像素數(shù)相等，姑且像素數(shù)設為q，則顯示屏上每一像素對應的尺寸大小為3000. 0/qym ;當“一”線和“ | ”線所對應的顯示屏上的像素數(shù)相差ー個時，姑且設大像素數(shù)為q，那小像素數(shù)就為q_l，則顯示屏上姆一像素對應的物理尺寸大小為(6000. 0q-3000. 0)/2q(q_l) U m。算出了ー個像素對應衍射屏所對應的實際尺寸，完成了定標工作，就可測量所測微小圓孔衍射圖樣艾里斑第一暗環(huán)的尺寸了，最終可測出微小圓孔的尺寸和圓度。由于衍射測量系統(tǒng)具有10(T300的放大倍數(shù)，信息采集光學系統(tǒng)具有具有5 10倍左右的放大作用，因此這套自動測量尺寸和圓度系統(tǒng)的精度是比較高的。具體測量步驟歸納如下
⑴測試裝置工作，反復調(diào)整整個測試裝置，通過輔助手段和目視判斷實現(xiàn)測試所需的對準和準直的要求，讓所測微小圓孔衍射圖樣在衍射屏上及信息處理機顯示屏上的大小適中(第一暗環(huán)完整出現(xiàn))，對比度較好。關掉He-Ne激光器，由“十”字叉在顯示器屏幕上的大小，由軟件給出顯示屏上一個像素所對應的物理尺寸。開啟He-Ne激光器，獲得微小圓孔衍射的視屏圖像。⑵對衍射視屏圖像進行灰度統(tǒng)計，找出圖像灰度中值，以灰度中值為標準，對視屏圖像作ニ值化處理。做一條連接像素值分別為(0，500)和(721，500)兩點的直線，再做一條過(361，500)點且垂直前面連線的直線，分別求出它們與第一暗紋ニ值化后暗環(huán)的交點像素坐標(應有8個點，只求6個點就夠了)。然后求得水平線的兩個像素點中點為A(xl，500)和B (x2，500)，垂直線ー個交點中點為C (361，yl)。運用三點確定ー個圓的理論，可求得此位置衍射斑第一級暗紋的半徑與直徑的像素值，將該值再乘以每ー像素代表的實際尺寸就得到了衍射斑第一級暗環(huán)實際直徑尺寸D0。以(361，500)為旋轉(zhuǎn)中心，在0° 180°內(nèi)每隔15°旋轉(zhuǎn)上述兩條直線并依據(jù)需要延長，按前面方法求它們與第一暗紋ニ值化后暗環(huán)交點的三個中點值，可分別求得對應位置衍射斑第一級暗紋直徑的像素值，將該值再乘以每ー像素代表的實際尺寸，就得到了衍射斑第一級暗環(huán)實際直徑D1、D2、D3、……、D10、D11(對應旋轉(zhuǎn)165° )。(為了提高測量精度，還可按灰度中值+5、灰度中值-5為標準，對視屏圖像作ニ值化處理。再上述方法獲得衍射斑第一級暗紋的實際直徑，最后取對應位置三個位置實際直徑值的平均值作為該位置的衍射斑第一級暗紋的實際直徑。)
⑶把D0、D1、……、D10、D11帶入衍射測量公式=中，可分別求得微
小圓孔在不同位置對應的直徑值d0、dl、……、dl0、dll。則微小圓孔最大直徑為
d 畫=max
最小直徑為ゴ= mm {^0,^1,......,^10,^11}
則微小圓孔的平均直徑為ゴm =微小圓孔的圓度為(<^-4^)/2
本發(fā)明通過研制帶特別標志毛玻璃衍射圖樣接收屏和與之配套使用的專用信息處理軟件，使得微小圓孔的尺寸和圓度參數(shù)可在一套測試裝置上同時測試獲得，這既減少了測試時間，又降低了測試成本，從而提高生產(chǎn)效益。裝置測試量程(微小圓孔直徑)為0. 005mnT0. 5mm。為了保證測量精度，整個裝置1、2、3、4部分由ニ維可調(diào)裝置承載并置于光學平臺上，其中夾持待測微小圓孔的為精密ニ維可調(diào)整裝置，通過調(diào)整保證它們的光軸(或中心)基本在一條直線上，2、3表面平行并與這條直線垂直；數(shù)據(jù)采集前通過精密調(diào)整和判斷，使He-Ne激光器發(fā)出的高準直度激光通過待測微孔所產(chǎn)生的衍射光斑中心，盡可能與毛玻璃接收屏標志的中心一致。以上所記載，僅為利用本創(chuàng)作技術內(nèi)容的實施例，任何熟悉本項技藝者運用本創(chuàng) 作所做的修飾、變化，皆屬本創(chuàng)作主張的專利范圍，而不限于實施例所掲示者。
權利要求
1.ー種微小圓孔尺寸及圓度同時測量的裝置，其特征在于包括He-Ne激光器、被測圓孔及夾持器、帶標志玻璃接收屏、信息采集裝置、信息處理裝置， 其中的He-Ne激光器、被測圓孔及夾持器、帶標志玻璃接收屏及信息采集裝置由ニ維可調(diào)裝置承載并置于光學平臺上，其中夾持待測微小圓孔的為精密ニ維可調(diào)整裝置，通過調(diào)整保證它們的中心基本在一條直線上，被測圓孔及夾持器及帶標志玻璃接收屏表面平行并與上述直線垂直，數(shù)據(jù)采集前通過精密調(diào)整和判斷，使He-Ne激光器發(fā)出的高準直度激光通過待測微孔所產(chǎn)生的衍射光斑中心與玻璃接收屏標志的中心一致達到對準和準直要求。
2.根據(jù)權利要求I微小圓孔尺寸及圓度同時測量的裝置，其特征在于所述的所述的精密ニ維可調(diào)整裝置為精密ニ維調(diào)整臺，它是通過螺旋測微器來調(diào)整水平豎直方向，所述的信息采集裝置為CCD面陣攝像機，信息處理裝置為計算機及相配套軟件。
3.根據(jù)權利要求I微小圓孔尺寸及圓度同時測量的裝置，其特征在于所述的帶標志玻璃接收屏為衍射圖樣的接收屏，其為正方形毛玻璃片，四周包裹并與精密ニ維調(diào)整裝置相連，接收屏上標志有3. OmmX3. Omm的不透光“十”字叉，該標識位于接收屏的中心使激光通過衍射孔的衍射圖樣的中心與“十”字叉交點重合。
4.根據(jù)權利要求I微小圓孔尺寸及圓度同時測量的裝置，其特征在于所述的被測圓孔直徑的測試量程為0. 005mnT0. 5mm。
5.ー種微小圓孔尺寸及圓度同時測量方法，包括如下步驟 (1)測試エ序，反復調(diào)整He-Ne激光器、被測圓孔、帶標志玻璃接收屏及信息采集裝置，使所測微小圓孔衍射圖樣在衍射屏及信息處理機顯示屏上第一暗環(huán)完整出現(xiàn)且對比度較好，開啟He-Ne激光器，獲得微小圓孔衍射的視屏圖像； (2)計算機的信息處理軟件對衍射視屏圖像進行灰度統(tǒng)計，找出圖像灰度中值，以灰度中值為標準，對視屏圖像作ニ值化處理，以(361，500)為旋轉(zhuǎn)中心，在0° 180°內(nèi)每隔15。旋轉(zhuǎn)，求得衍射斑第一級暗紋實際直徑D0、D1、D2、D3、……、D10、D11; (3 ) 把D 0、D I、 ……、D I 0、D I I帶入衍射測量公式d = ILljD中，可分別求得微小圓孔在不同位置對應的直徑值d0、dl、……、dlO、dll, 則微小圓孔最大直徑為^^……メ10,ぬ1} 最小直徑為ゴMirl......メ 則微小圓孔的平均直徑為^^ = -^Min)/2 微小圓孔的圓度為:(K)n。
6.根據(jù)權利要求5微小圓孔尺寸及圓度同時測量方法，其特征在于步驟(2)中，對視屏圖像作ニ值化處理，作一條連接像素值分別為(0，500)和(721，500)兩點的直線，再做一條過(361，500)點且垂直前面連線的直線，分別求出它們與第一暗紋ニ值化后暗環(huán)的交點像素坐標，然后求得水平線的兩個像素點中點為A (xl，500)和B (x2，500)，垂直線ー個交點中點為C (361，yl)，運用三點確定ー個圓的理論，可求得此位置衍射斑第一級暗紋的半徑與直徑的像素值，將該值再乘以每ー像素代表的實際尺寸就得到了衍射斑第一級暗紋實際直徑尺寸D0，以(361，500)為旋轉(zhuǎn)中心，在0° 180°內(nèi)每隔15°旋轉(zhuǎn)上述兩條直線并依據(jù)需要延長，按前面方法求它們與第一暗紋ニ值化后暗環(huán)交點的三個中點值，可分別求得對應位置衍射斑第一級暗紋直徑的像素值，將該值再乘以每ー像素代表的實際尺寸，就得到了衍射斑第一級暗紋實際直徑Dl、D2、D3、……、DIO、DlI。
7.根據(jù)權利要求5微小圓孔尺寸及圓度同時測量方法，其特征在于步驟(I)測試エ序中，在調(diào)整整個裝置后， 關閉He-Ne激光器得到顯示屏上一個像素所對應的實際物理尺寸，即定標工作。
8.根據(jù)權利要求5微小圓孔尺寸及圓度同時測量方法 ，其特征在于所述的信息采集裝置為CCD信息獲取系統(tǒng)，通過ニ維精密調(diào)整CCD信息獲取系統(tǒng)，目測信息處理裝置顯示屏上“十”字叉的形狀吋，認為“一”線和“ I ”線大致相等吋，由信息處理裝置上的軟件讀取“一”線和“ I ”線所對應的顯示屏上的像素數(shù)，反復ニ維精密調(diào)整CXD信息獲取系統(tǒng)，直至“一”線和“ I ”線所對應的顯示屏上的像素數(shù)相等或只差ー個像素時，所述的帯“十”字叉的衍射屏已與CCD信息獲取系統(tǒng)實現(xiàn)了對準和準直的要求。
9.根據(jù)權利要求5微小圓孔尺寸及圓度同時測量方法，其特征在于計算機的信息處理軟件編制時，保證衍射視屏圖像位于軟件界面ー個大小恰當?shù)恼叫螀^(qū)域內(nèi)，像素大小為721X721，由于“十”字叉的物理尺寸在刻劃時已知為3. OmmX 3. 0謹，當“一”線和“ | ”線所對應的顯示屏上的像素數(shù)相等，像素數(shù)設為q，則顯示屏上每一像素對應的尺寸大小為.3000. 0/qum ;當“一”線和“ | ”線所對應的顯示屏上的像素數(shù)相差ー個時，設大像素數(shù)為q，那小像素數(shù)就為q_l，則顯示屏上每一像素對應的尺寸大小為(6000. 0q-3000. 0) /2q(q-l)U m，算出了ー個像素對應衍射屏所對應的實際尺寸，從而完成定標工作。
全文摘要
本發(fā)明公開一種微小圓孔尺寸及圓度同時測量的裝置與方法，包括He-Ne激光器、被測圓孔及夾持器、帶標志毛玻璃接收屏、信息采集裝置、信息處理裝置，本發(fā)明裝置測試基于激光夫朗和費衍射測量原理，在衍射場放置有特別標志的毛玻璃做為衍射圖樣接收屏，由面陣CCD采集接收屏上包含特別標志的衍射圖樣，經(jīng)計算機上專門研制的軟件完成定標和衍射圖樣信息獲取，從而自動實現(xiàn)微小圓孔尺寸及圓度的同時測量，裝置測試量程(微小圓孔直徑)為0.005mm~0.5mm。
文檔編號G01B11/08GK102645171SQ20121014764
公開日2012年8月22日 申請日期2012年5月14日 優(yōu)先權日2012年5月14日
發(fā)明者徐代升, 朱文章, 林洪沂, 甘亮勤 申請人:廈門理工學院