西安工业大学北方信息工程学院课程设计(论文)
题目：细丝直径测试仪
系别：光电信息系
专业：测控技术与仪器
班级：B110102
学生：董博
学号：B11010203
任课教师：吴玲玲
2014年10月
目录
1绪论 (6)
1.1前言 (6)
1.2基于CCD测径仪的发展现状国外发展现状 (6)
1.3 国内发展现状 (7)
1.4论文的主要内容 (8)
2测量原理和方案论证 (8)
2.1利用衍射法测量细铜丝直径 (8)
2.2利用分光法测量细铜丝直径 (9)
2.3线阵CCD测量直径系统测细铜丝直径 (10)
2.4 成像系统 (13)
2.5设计方案的论证与选择采用 (14)
3 系统设计 (15)
3.1整体系统设计 (15)
3.2光学系统设计 (16)
3.2.1光源 (16)
3.2.2光源照明 (16)
3.2.3成像光学系统 (16)
3.3机械系统设计 (16)
3.3.1机械设计的原理和要求 (16)
3.3.2机械设计的保险装置 (16)
3.2.3机械设计的稳定性 (16)
3.4电路系统设计 (16)
3.4.1低通滤波器 (16)
3.4.2相关双采样 (16)
3.4.3差分放大电路 (16)
3.5数字图像处理及报警系统设计 (16)
3.5.1系统组成 (16)
3.5.2块方向的选取 (16)
3.5.3单位标定 (16)
3.5.4细丝直径的获取 (17)
3.5.5直径的测量 (17)
4 实验结果及影响测量精度的主要因素分析 (18)
4.1光学系统对测量精度的影响分析 (18)
4.1.1影响测量精度的因素及对策 (18)
4.2信号处理电路对测量精度的影响分析 (18)
4.2.1零点漂移对测量精度的影响 (18)
4.2.1被测工件的均匀性对测量精度的影响 (18)
4.2.2误差分析 (19)
4.3图像处理对测量精度的影响 (19)
4.3.1标定误差 (19)
4.3.2示值显示误差 (19)
4.3.3误差合成 (19)
4.3.4仪器误差 (19)
5 结论 (20)
参考文献 (21)
基于CCD测量细铜丝直径系统设计
摘要
近年来，随着新型光电器件的不断涌现、单片机数据处理能力的提高和生产全面质量管理的要求，非接触式智能化仪器将逐步取代传统上的机械测量仪器本文设计了一套基于线阵CCD 的非接触直径测量仪器，该装置可以对φ0.5mm～φ30mm的工件进行测量，测量精度为±5μm。本文论述了CCD光电尺寸测量装置的基本原理，分析了光学系统各部分的形式，采用柯拉照明和远心光路成像，以保证成像质量和测量精度。用微分法提取被测工的边缘信息，详细论述了信号处理电路中的各个模块的实现方法，并将微分法处理电路和单片机控制系统作为重点。同时还给出了CCD测量直径系统的控制程序流程图及部分程序。通过实验得到测量结果，对几个重要参数进行了分析，最后就影响系统测量精度的几种主要误差进行了讨论，给出消除误差的方法，以便达到更高的测量精度。
关键字：线阵CCD直径测量远心光路微分法MSP430
ABSTRACT
In recent years, along with new optoelectronic devices flowing out continuously 、the capacity of MCU data processing improving, and the requirements of overall production quality management, non-contact Intelligent machines will replace the traditional mechanical instruments gradually. In this paper, I designed a set of portable non-contact measurement instruments based on linear array CCD, which can measure the workpiece fromφ0.5mm to φ30mm, with measurement precision±5μm . In this paper, I discussed the basic principle of CCD photoelectric measurement devices, analyzed the form of parts of optical system, adopt Kohler illumination and telecentric beam path design in order to ensure image quality and accuracy. Adopting differential theory extracted edge information of measured workpiece, and discussed the signal processing circuit in the realization of the various modules in detail, and made the differential processing circuitry and single-chip control system as emphases, at the same time I gave control program flow chart of CCD diameter measurement system and related parts procedures of it. Through experimental measurement results, I analyzed several important parameters, discussed several major errors which influences the accuracy of system in the end, gave the method of elimination of errors, in order to achieve higher measurement accuracy.
Key Words: Line ararray CCD Diameter measurement
Telecentric optical path Differential theory MSP43
1绪论
1.1 前言
光电自动检测技术在工业自动化生产中有着极其广泛和重要的用途。然而，目前产品零件尺寸的检测大多数是人工测量的接触式和静止测量，所以检测速度低，生产效率低，劳动强度大，远远跟不上目前自动化生产的需要。尤其在全面质量管理过程中，更需要先进的、智能的检测手段。目前，国内外常采用激光扫描光电线径测量[1～5]，但是这种方法受电机的温度及振动的影响，扫描恒速度的限制，会产生高温使其降低寿命。我们研制的基于线阵CCD 便携式非接触直径测量仪器正是适应当前社会自动化生产的急需而设计的，该测径仪是一种光、机、电一体化的产品。尤其适用于电缆、电线、玻璃管、轴类零件的外径测量，对保证产品质量，降低原材料消耗，降低生产成本，提高劳动生产率有着重大的经济效益和社会意义
对各种细丝直径的测量常常关系到工业产品的级别，如钟表中的游丝、光导纤维、化学纤维、各种细线、电阻丝、集成电路引线以及种类仪器、标尺的刻线等。传统的测量方法多数为接触法，其它的有电阻法、称重法。也有采用光学方法的，如光学显微镜法、干涉法、扫描法、投影放大法、比较法等。然而，大多检测方法检测速度低，生产效率低，劳动强度大，远远跟不上目前自动化生产的需要。尤其在全面质量管理过程中，更需要先进的、智能的检测手段。目前，国内外常采用激光扫描光电线径测量，但是但激光衍射细丝测量法比较适合于静态的高精度测量 ,当用于动态测量时会由于被测丝的晃动导致衍射条纹快速移动而失准 ,也难以快速得到测量结果 ,同时还具有结构复杂、格昂贵等缺点 ,不太适于现场快速测量细丝直径。基于CCD技术的快速发展及后续处理算法的日益真实有效故CCD在现代自动化生产中扮演者越来越重要的作用。为满足大工业化生产线阵CCD测径仪便应运而生，该测径仪是一种光、机、电、算于一体的产品。尤其适用于电缆、电线、玻璃管、轴类零件的外径测量，对保证产品质量，降低原材料消耗，降低生产成本，提高劳动生产率有着重大的经济效益和社会意义。
1.2基于CCD测径仪的发展现状国外发展现状
社会的进步重要体现就是科技的进步，科技进步主要体现使用劳动工具的进步。从18世纪工业革命以来，科学技术以前所未有的速度在突飞猛进的发展，
特别是近50年来，随着现代化生产和加工技术的发展，对于加工零件的检测速度与精度有了更高的要求，向着高速度、高精度、非接触和在线检测方向发展。为此，工业发达国家对于检测仪器与设备速度与精度一直作为检测仪器的主要指标。CCD测径仪特别适用于电缆、电线的在线自动检测，对保证产品的质量，降低原材料消耗，降低生产成本，提高劳动生产率有着十分重要的意义，所以各国政府都很重视对测径仪的研究。英国Beta AS3系列全新的激光测径仪：LD1040-S(单向直径测量仪)、LD1040XY-S(双向直径测量仪)，精度：0.1μm，测量范围最广，单向测径仪最大可测直径达330.3mm，双向测径仪最大可测直径值达100mm，测量精度最高，最高测量精度可达0.1μm，是目前同类产品中的最高的测量精度。日本生产的LS-7000 系列高速、高精度CCD 测量仪器，如：LS-7030M（配备测量摄影机）测量范围：0.3mm～30mm，测量精度：±2μm，重复性精度：±1.5μm。LS-7010M（配备测量摄影机）测量范围：0.04mm～6mm，测量精度：±0.5μm。
1.3 国内发展现状
国内由于自身的工业加工水平有限、测量原理的不完善和结构搭理欠合理，所以，国内生产的测径仪测量精度没有国外的精确，河北省激光研究所光电检测控制室生产的JCJ-1激光测径仪，是专为玻璃管生产线上玻璃管外径的测量、控制、分选而设计的集激光、精密机械、计算机于一体的智能化精密仪器。通过激光光束高速（200次/秒）扫描被测玻璃管，计算机实时采样处理，实现玻璃管直径在线非接触检测、控制，测量范围：0.5mm～60mm，测量精度：±0.01mm。广州一思通电子仪器厂生产的ETD-05系列激光测径仪，测量范围：0.2mm～30mm，测量精度：±2μm，ETD-05系列激光测径仪是一种基于激光扫描测量原理而设计的高精度非接触式的外径测量设备，仪器采用二维测量模式，有效消除工件振动造成的测量误差，特别适合生产现场的实时测量，适用于通信电缆、光缆、同轴电缆、漆包线、PVC管、铜管、纤维线等圆形线材的在线检测，也可用于其它各种圆形工件的外径测量。南京亿佰泰科技有限公司生产的TLSM100 激光扫描测微仪，测量范围：0.2mm～30mm，测量精度：±3μm，是一种高精度、非接触的尺寸测量仪器。它通过激光束的扫描获得被测目标的尺寸，广泛用于测量热的、软的、易碎的以及其它传统方法不易测量的物体，而且很适合生产中的在线测量或者线材、棒材、管材、机械和电子元件以及其它生产过程的监控。TLSM100的自动方式适用于连续的测量；手动方式适合单次测量。它可以设置上下偏差、峰值限制，当超限后做相应的报警；还可以计算最大值、最小值、平均值。例如：可以测量旋转圆柱体的最大值、最小值，辊子的偏差。我们研制的基于线阵CCD
测径仪测量范围：0.5mm～30mm，测量精度：±5μm，适用于对被测工件进行静态测量，也适用于生产现场的实时测量。
1.4论文的主要内容
（1）深入了解CCD，尤其是在线阵CCD结构与工作原理的基础上，选择合理的线阵CCD，设计出合理的测量直径系统。对整个光电测量装置进行系统分析，包括CCD所构成的测量直径系统的基本原理和输出信号处理电路。
（2）在进行光电测量装置设计时，对光学系统进行了详细分析，并用ZEMAX 软件设计柯拉照明系统中的集光镜、聚光镜和成像物镜。
（3）提出线阵CCD 测量方案：基于单片机的硬件测量法。单片机的硬件测量法是从CCD出来的电信号经前置放大，滤波电路进行二值化处理，然后送入单片机，在经单片机处理后送入LED显示。
（4）设计实验分别对几组直径应用上述方法进行测量，对测量结果进行比较、分析，同时对产生测量误差的主要原因给予分析
2 测量原理和方案论证
2.1 利用衍射法测量细铜丝直径
我们选择了最简单的一种模型，它是常规的夫琅和费衍射。即把金属丝当成一个平面的狭缝,其工作情况如图2-2所示。光源发出的平行光束垂直照射在单缝(金属丝)上.根据惠更斯-菲涅耳原理,单缝上每一点都可以看成是向各个方向发射球面子波的新波源,子波在接收屏上叠加形成一组平行于单缝的明暗相间的条纹.和单缝平面垂直的衍射光束会聚于屏上x=0处,是中央亮条纹的中心,其光强为I0;与光轴成θ角的衍射光束会聚于x=x(θ)处,θ为衍射角,由惠更斯-菲涅耳原理可得光强分布
为式中D为缝宽,λ为入射光波长.当θ=0时,I=I0,是中央主极大.当sinθ=kλ/D时,
其中k=±1,±2,…,I=0,是暗条纹.由于θ很小,故sinθ≈θ,所以近似认为暗条纹出现在θ=kλ/D处.中央亮条纹的角宽度Δθ=2λ/D,其他任意两条相邻暗条纹之间夹角Δθ=λ/D,即暗条纹以x =0处为中心.当使用激光器作光源时,由于激光的准直性,可将透镜L1去掉.如果接收屏远离金属丝(z>>D),则透镜L2也可省略.由于tgθ=x/z,且tgθ≈sinθ,则各级暗条纹衍射角应为
（2-2）
由此可以求得金属丝直径为
（2-3）
式中k是暗条纹级数;z为金属丝与测量平面间的距离;XK为第k级暗条纹距中央主极大的距离。
2.2 利用分光法测量细铜丝直径
发光管D1 发出的红外光经分光镜分成两路:测量光路和参考光路。测量光和参考光分别照射到两只相同型号的光电接收管T1、T2 上。D1 为中心频率880 nm 的进口红外发光管; T1、T2 为高一致性、线性度的进口光电三极管;截止波长为850nm 的低通滤波片可有效地消除可见光干扰
在测量光和参考光的照射下,T1 和T2 的输出电压分别为V 1 和V 2 ,在测量光路中没有被测细丝时, V 1 = V 2 ,此时V 1、V 2 的差动电压值V i = 0 . 当测量光路有被测细丝时,细丝在T1 的检测窗口上产生一个宽度为细丝直径 d ,高度为检测窗口高度h 的投射阴影,导致V 1 发生变化,变化
量ΔV 1 与投射阴影面积d?h 成正比;由于在电路中采用了负反馈自动光
强调整技术,使发光管发射的光强稳定不变,此时V 2 保持恒定值不变;以V 2 作基准, V 1、V 2 的差动电压值V i =ΔV 1 ,将V i 放大即可得到与被测细丝直径成线性关系的电压信号,达到测量细丝直径的目的。
2.3 线阵CCD测量直径系统测细铜丝直径
被测工件被均匀照明后，经光学成像系统按一定倍率成像于线阵CCD传感器上，基于线阵CCD测量直径系统原理图如图2-5所示:
则在CCD传感器光敏面上形成了被测工件的影像，这个影像反映了被测工件的直径尺寸，两者之间的关系由高斯公式表示为：
(2-4) 其中：l-----物距l′----像距f′---像方焦距β----光学系统的放大率d----被测工件的直径大小d′---被测工件直径在CCD上影像大小知道物距、像距并测出工件影像d′的大小，即可求出被测工件的尺寸。CCD 器件把光敏元上工件影像的光学信息转换成与光强成正比的电荷量。存储于MOS电容中，用一定频率的时钟脉冲对CCD进行驱动，则电荷定向转移到输出端。视频信号中每一个离散电压信号的大小对应着该光敏元所接收光强的强弱，而信号输出的时序则对应CCD光敏元位置的顺序。最终，被测工件的影像大小反映在CCD输出信号中变为输出信号电压的高低，即在CCD中间被影像遮挡部分的光敏元输出电压低，两侧未被遮挡的光敏元输出电压高。CCD的输出信号如图2-6所示
最终由CCD实现按空间域分布的光学图像信息向按时间域分布的电压信号转化，该输出电压信号经过信号处理后，可得到表示d′大小的脉冲信号，脉冲信号送入单片机中，测出脉冲宽度，进而可求出被测工件的大小。即用CCD复位脉冲（对应CCD的光敏元）可求出尺寸的大小。若：δ为脉冲当量（CCD脉冲），N为CCD器件像数，N1，N2为光照部分的光敏信号输出脉冲数，β为光学系统的放大倍数，则被测工件直径[7～9][12]为：
（2-5）本设计中δ=7μm；N=5000；β=1，所以实际上被测工件直径尺寸为：
（2-6）
由于被测工件的边缘是通光和挡光的交界点，理论上该处的光强变化率最大，该点就是滤波后的视频信号电压函数v=v(t)在过渡区内的拐点，由高等数学知识知道，在拐点处，电压函数的一次微分为最大值，二次微分为零。基于以上原理，在测量系统中对CCD输出信号采用微分法处理，便于寻找被测工件的边缘[10～11]。微分法的波形图如图2-7所示：
2.4成像系统
成像系统采用物方远心光路[10]。在光电检测中, 常常在生产线上对工件进行动态测量或在实验室中进行静态测量，如测量钢丝直径、玻璃管直径或轴类零件等，为了提高测量精度，常采用远心光路和柯拉照明一起配合使用。对物体 (工件) 大小的测量,一般是将物体按一定倍率要求，经光学系统成像在CCD 的接收面上，然后对CCD输出信号进行测量。
按照此种方法进行物体线性尺寸测量时，光电器件与物镜之间的距离应保持不变，其测量精度在很大程度上取决于像平面与光电器件接收面的重合程度。由于在测量过程中，工件常常会沿光轴方向有所移动，使像平面与光电接收面不可能真正重合，因而产生了测量误差如图 2.8 所示。图 2.8 中B1B2为被测物体；B1′B2′表示被测物体像的大小；M1M2为光电器件接收面，由于B1′B2′与M1M2二者不重合，使像点B1′B2′在M1M2上形成弥散班，在CCD器件接收面上，实际测量像的大小为M1M2，显然它与实际的像长B1′B2′是不同的。这就使测量产生了很大的测量误差。为了消除这种误差，可以通过控制主光线的方向来达到，我们在设计成像物镜时选择了远心光路，如图 2.9 所示：
2.5 设计方案的论证与选择采用
光学衍射法测量细铜丝直径在理论上已经很成熟，但实际应用中存在一定困难，特别是在测量精度提高时，其中的关键困难在于：当光经衍射后产生的衍射图样微弱，信号的信噪比比较低，还由于衍射图样的锐度不大，条纹位置不明显，给测量带来很大困难。特别是在实时动态测量过程中，造成测量结果不稳定，重复性差。而且本次测量的细丝直径为1mm，在这个直径下不能形成明显的衍射条纹，即衍射法在原理上存在不足。
分光法在测量实质上是干涉法测量但也有不足：1、如果细丝有垂直于测量光方向的晃动,且晃动的幅度使投射阴影超出检测窗口之外,将会改变阴影面积进而产生较大的测量误差；2、光照在细丝上会产生微弱的衍射效应,衍射会导致线性度变差；3、环境光扰动会降低信噪比,影响测量精度；4、光电三极管对温度有一定的敏感性,会随温度的变化而产生灵敏度的变化；5、分光法也不适合于与计算机的连接以及后续图像采集与处理保存。以上不足使得反光法对现代化自动化生产有一定的局限，但分光法在原理上不存在任何问题。
与同类测量系统比较，CCD细丝直径测量系统具有测量速度快，测量精度高，抗干扰能力强等优良特点，是一种非接触式的测量系统，属无损伤测量，不影响加工系统正常运行，非常适合于生产线上尺寸的测量。该设计方案集成化程度高，可与计算机相联，可进行测量数据的集中采集和分析，以便进行质量分析和统计，并在生产过程中出现质量问题时进行报警提示，便于控制和自动化生产。
综合上述分析及我们小组的讨论研究，我们决定采用CCD细丝直径测试仪的设计方案。
3系统设计
3.1整体系统设计
测量完整框图如图3－1所示。He-Ne激光器发出的激光经反射镜M1、扩束系统M2后形成均匀的测量光，测量光经空间滤波器消除杂散光后入射被测量细丝，经光学系统在探测(CCD)上形成衍射条纹。CCD将衍射图样转换为电信号经信号调整电路处理后进入计算机，处理采集到的信号，求得衍射图样中暗点的分布尺寸。为保证测量精度，消除细丝抖动带来的误差，CCD的驱动电路要保证CCD 的积分时间足够短。
3.2光学系统设计
3.2.1 光源
3.2.2 光源照明
3.2.3 成像光学系统
3.3 机械系统设计
3.3.1 机械设计的原理和要求
3.3.2 机械设计的保险装置
3.2.3 机械设计的稳定性
3.4 电路系统设计
3.4.1 低通滤波器
3.4.2 相关双采样
3.4.3 差分放大电路
3.5数字图像处理及报警系统设计3.5.1 系统组成
3.5.2 块方向的选取
3.5.3 单位标定
3.5.4 细丝直径的获取3.5.5 直径的测量
4 实验结果及影响测量精度的主要因素分析
4.1光学系统对测量精度的影响分析
4.1.1影响测量精度的因素及对策
1.衍射
光照在细丝上会产生衍射效应 ,衍射会导致线性度变差。试验证明:在20um 以上,线性度是比较好的;在20um 以下线性度较差 ,但Vi与d的正相关关系没有改变 ,此时应采用值运算拟合法来提高精度。
2.环境光扰动
环境光扰动会降低信噪比,影响测量精度。在使用了滤波片后已滤除了大部分干扰光 ,再加上遮光罩可使环境光扰动忽略不计。
4.2信号处理电路对测量精度的影响分析
由于外界环境及电路自身元器件的不稳定性，会使得测量结果偏离理想状况。
4.2.1零点漂移对测量精度的影响
1.什么是零点漂移现象：ΔuI＝0，ΔuO≠0的现象。
2.产生原因：温度变化，直流电源波动，器件老化。其中晶体管的特性对温度敏感是主要原因，故也称零漂为温漂。
3.克服温漂的方法：引入直流负反馈，温度补偿。典型电路：差分放大电路
4.2.1被测工件的均匀性对测量精度的影响
在生产过程中，轴类零件，电缆或电线的外径有时不很均匀。被测工件经过光照在CCD成像，线径不等时则被照部分CCD输出脉冲数与均匀被测工件被照部分的CCD输出脉冲数不等，反应到测量结果上就会产生测量误差，在设计中，我们采用对被测工件的多次测量，然后求取平均值的方法来消除这种误差。粗大误差也影响测量精度，但它是有外界条件的突然变化引起的，当外界条件改变时引起CCD输出信号的不稳定，只要保证外界条件持续稳定，则粗大误差就很少
发生。
4.2.2误差分析
在实验过程中，我们分别对直径φ=1.0mm的标准件进行了三组测量，每一组采取多次重复测量，取平均值，并进行相应的精度计算。
4.3图像处理对测量精度的影响
4.3.1标定误差
图像处理在使用前都会与有一个相对的度量单位对所测量的对象进行标定（此处对CCD象元尺寸进行标定）。在细丝直径检测算法中, 采用的是屏幕后续检测单位标定法。标定中难免会有误差引入，但该误差属于系统误差。
4.3.2示值显示误差
当计算机在对细丝影像进行示值时会对象元的占空比按1：2的比例取值。即象元的三分之二占满记一个单位长度，反之不计数。该误差为随机误差。4.3.3误差合成
根据误差处理理论：系统总误差为
4.3.4仪器误差
根据误差合成理论知仪器总误差为：
5 总结
本课题的研究是以线阵CCD--光电传感器TCD1501D及光学镜头为基础构建的光学测量系统，对CCD 的输出信号采用微分法提取被测工件的边缘信息，由单片机对数据进行处理完成测量工作。本文从光学系统设计入手展开研究：包括测量直径系统的构建、线阵CCD测量器件的选择、光学镜头的设计及实验研究，同时对系统组成的硬件电路、程序设计做了相应的介绍。综上所述，本课题的研究主要做了以下方面的工作：设计了基于线阵CCD的直径测量系统。包括线阵CCD的选型，光源的选取，光学镜头的设计，介绍线阵CCD 光学测量原理。在进行光电测量装置设计时，对光学系统进行了详细分析，并用ZEMAX 软件设计了柯拉照明系统中的集光镜、聚光镜和成像物镜。本论文从实验上实现了使用CCD技术进行非接触测量，特别是对输出信号不采用传统意义上的阈值处理法，而采用微分法对工件的边缘信号进行提取，用MSP430F149单片机进行数据处理并编制相应的程序。用CCD测径系统对几组直径做实验研究，分析了测量系统的误差。由测量结果可知，测量精度在±5μm之内。如果从以下几个方面进行改进，可以得到更高的测量精度。
光学系统的设计、光学系统的准确调节、镜头装调和校验。测量时，若CCD 感光面与像面不重合，CCD 将接收到模糊的图像信息，造成测量误差，以后可以采用增加瞄准部分来解决。CCD 传感器的像元尺寸的几何位置精度高，可靠性高，寿命长，适合较恶劣的自然环境，CCD技术被应用在几乎所有的成像相关的领域，随着科学技术的发展以及CCD技术的研究和应用，CCD 技术将得到普及和推广。鉴于我小组成员的知识结构及经验有限，论文基于线阵CCD便携式直径测量系统设计还存在许多不完善的地方，有待于在今后的研究中进一步完善。也希望学校在这方面对学生多给予实践上的帮助，脱离了实践的设计往往是个空中楼阁，想要真正把这些问题做到还得大家的共同努力。
通过这次设计，让我学会了整体设计的思路和各种理论和方法的实践，提高了我的动手和操作能力。
细丝直径的测量铁丝 直径
细丝直径的测量铁丝直径 【实验目的】 (1)通过实验加深对等厚干涉原理及干涉概念的理解 (2)学习用等厚干涉测量铁丝直径的方法 (3)学会读书显微镜的正确使用 【仪器用具】钠光灯读数显微镜劈尖装置 【实验原理】 当两片很平的玻璃叠合在一起，并在其一端垫入细丝时，两玻璃片之间就形成一空气薄层(空气劈)。在单色光束垂直照射下，经劈上、下表面反射后两束反射光是相干的，干涉条纹将是间隔相等且平行于二玻璃交线的明暗交替 的条纹 相邻两暗纹(或明纹)对应的空气厚度 2dk 2 k 2dk, — k 1 2dki dk j 则细丝直径D为 ta n N为干涉条纹总条纹 勿人k |明纹2d /2 2k 1- 暗纹
-------------------------------------------- r --------- D—— 1S-2-------------------------------------------------- L为劈尖的长度用游标卡尺测，S%相邻两暗条纹的间距，用读书显微镜测量(5次测 量) ____ 6 589.3 10 mm A为钠光波长，入二 已知入射光波长，测出N。和L ,就可计算出细丝(或薄片)的直径D。【实验内容】 (1) 将细丝(或薄片)夹在劈尖两玻璃板的一端，另一端直接接触，形成空气劈尖。然后 置于移测显微镜的载物平台上。 (2) 开启钠光灯，调节半反射镜使钠黄光充满整个视场。此时显微镜中的视场由暗变売。 调节显微镜目镜焦距及叉丝方位和劈尖放置的方位。调显微镜物镜焦距看清干涉条纹，并使显微镜同移动方向与干涉条纹相垂直。 (3) 用显微镜测读出叉丝越过条暗 条纹时的距离I,可得到单位长度的条纹数No。 再测出两块玻璃接触处到细丝处的长度L.重复测量五次，根据式 D N丄(/2)计算细丝直径D平均值和不确定度。 【数据记录】 实验测量数据 单位(mm)斥一I，rI ：11
光电测量系统设计报告
光电测量系统设计报告
一、干涉的基本原理 干涉现象是波动独有的特征，如果光真的是一种波，就必然会观察到光的干涉现象．1801年，英国物理学家托马斯·杨(1773—1829)在实验室里成功地观察到了光的干涉．两列或几列光波在空间相遇时相互叠加，在某些区域始终加强，在另一些区域则始终削弱，形成稳定的强弱分布的现象。 由一般光源获得一组相干光波的办法是，借助于一定的光学装置（干涉装置）将一个光源发出的光波（源波）分为若干个波。由于这些波来自同一源波，所以，当源波的初位相改变时，各成员波的初位相都随之作相同的改变，从而它们之间的位相差保持不变。同时，各成员波的偏振方向亦与源波一致，因而在考察点它们的偏振方向也大体相同。一般的干涉装置又可使各成员波的振幅不太悬殊。于是，当光源发出单一频率的光时，上述四个条件皆能满足，从而出现干涉现象。当光源发出许多频率成分时，每一单频成分（对应于一定的颜色）会产生相应的一组条纹，这些条纹交叠起来就呈现彩色条纹。 1、劈尖的等厚干涉测细丝直径 见图7.2.1-2，两片叠在一起的玻璃片，在它们的一端夹一直径待测的细丝，于是两玻璃片之间形成一空气劈尖。当用单色光垂直照射时，如前所述，会产生干涉现象。因为程差相等的地方是平行于两玻璃片交线的直线，所以等厚干涉条纹是一组明暗相间、平行于交线的直线。 设入射光波为λ，则第m级暗纹处空气劈尖的厚度 由上式可知，m=0时，d=0，即在两玻璃片交线处，为零级暗条纹。如果在细丝处呈现m=N级条纹，则待测细丝直径 具体测量时，常用劈尖盒，盒内装有两片叠在一起玻璃片，在它们的一端夹一细丝，于是两玻璃片之间形成一空气劈尖，见图7.2.1-2。使用时木盒切勿倒置或将玻璃片倒出，以免细丝位置变动，给测量带来误差。
劈尖干涉测量细铜丝直径实验报告软件一班 110604147 王宏静一、实验名称:用劈尖干涉测量细丝的直径 二、实验目的: (1)深入了解等厚干涉。 (2)设计用劈尖干涉测量细丝直径的方 法。 (3)设计合理的测量方法和数据处理方 法，减小实验误差。 三、实验仪器: (1)读数显微镜 (2)纳光灯 (3)平玻璃两片 (4)待测细丝 四、实验原理: 将两块光学玻璃板叠在一起，在一段插入细丝，则在两玻璃间形成一空气劈 尖(如图1 )用单色光垂直照射时和牛顿环一两样，在空气薄膜上下表面反射的两束光发生干涉，其中光程差: 6_2A+A/2 …((? 产生的干涉条纹是一簇与两玻璃板交接线平行且间隔相等的平行条板。如图(2 )显然:6=2d+A/2=(2k+l)‘A/2 k=0,1,2,3,.,…………,? 6=2d+A/2=kA k=1,2,3……… ,?
(图1) 与K纹暗条纹对应的薄膜厚度:d=k*A/2 ………? 显然d=0(棱边)处空气薄膜厚度为d(棱边)处对应k=0是暗条纹，称为零级暗条纹。di=A/2处为一级暗条纹，第k级暗条纹处空气薄膜厚度 为:dk=W2……………? 得。 两相邻暗条纹对应的劈尖厚度之差为Ad=dk+1_dk=A/2_……………? 若两暗条纹之间的距离为I，则劈尖的夹角e(利用sine=M………?求 (图2) 此式表明:在入、e-定时，l为常数，即条纹是等间距的，而且当A-定时(e越大，I越小，条纹越宽，因此e不宜太大。
设金属细丝至棱边的距离为I(欲求金属细 丝的直径D，则可先测L(棱边到金属细丝直径) 和条纹间距L，由?式及sine=D/L求得: D=Lsin e =L*A ，(2+I)……( …((@ 这就是本实验利用劈尖干涉测量金属细丝的直径的公式，如果N很大，实验上往往不是测量两条相邻条纹的间距(而是测量相差N级的两条暗条纹的问题，从而测得的测量结果 D=N*A/2 如果N很大，为了简便，可先测出单位长度内的暗条纹数No和从交纹到金属丝的距离L，那么 N=NoL_ D=NoL‘A/2 五、实验内容与步骤 (1将被测薄片夹在两地平板玻璃的一端，置于读数显微镜底座台面上(调节显微镜，观察劈尖干涉条纹。 (2)由式?可知当波长人已知时，只要读出干涉条纹数K，即可得相应的D。实验时，根据被测物厚薄不同，产生的干涉条纹数值不可，若K较小(K<=100)( 可通过k值总数求D。若k较大(数起来容易出错，可先测出长度L间的干涉条纹x(从而测得单位长度内的干涉条纹数n=x/Lx然后再测出劈尖棱边到薄边的距离L，则k=n*l。薄片厚度为 D=k*A/2=n*I*A/20 A=589.3nm
干涉法测微小量 （本文内容选自高等教育出版社《大学物理实验》） 光的干涉现象表明了光的波动性质，干涉现象在科学研究与计量技术中有着广泛的应用。在干涉现象中，不论是何种干涉，相邻干涉条纹的光程差的改变都等于相干光的波长，可见光的波长虽然很小，但干涉条纹间的距离或干涉条纹的数目却是可以计量的。因此，通过对干涉条纹数目或条纹移动数目的计量，可得到以光的波长为单位的光程差。 利用光的等厚干涉现象可以测量光的波长，检验表面的平面度、球面度、光洁度，精确的测量长度、角度，测量微小形变以及研究工作内应力的分布等。 通过本次实验，学习、掌握利用光的干涉原理检验光学元件表面几何特征的方法，用劈尖的等厚干涉测量细丝直径的方法，同时加深对光的波动性的认识。 实验原理 1． 用牛顿环测平凸透镜的曲率半径 当曲率半径很大的平凸透镜的凸面放在一平面玻璃上时，见图，在透镜的凸面与平面 之间形成一个从中心O 向四周逐渐增厚的空气层。当单色光垂直照射下来时，从空气层上下两个表面反射的光束1和光束2在上表面相遇时产生干涉。因为光程差相等的地方是以O 点为中心的同心圆，因此等厚干涉条纹也是一组以O 点为中心的明暗相间的同心圆，称为牛顿环。由于从下表面反射的光多走了二倍空气层厚度的距离，以及从下表面反射时，是从光疏介质到光密介质而存在半波损失，故1、2两束光的光程差为 2 2λ δ+ =? （1）
式中λ为入射光的波长，δ是空气层厚度，空气折射率1≈n 。 当程差Δ为半波长的奇数倍时为暗环，若第m 个暗环处的空气层厚度为m δ，则有 ...3,2,1,0,2 ) 12(2 2=+=+ =?m m m λ λ δ 2 λ δ? =m m （2） 由图中的几何关系22 2)(m m R r R δ-+=，以及一般空气层厚度远小于所使用的平凸透镜的曲率 半径R ，即R m <<δ，可得 R r m m 22 =δ （3） 式中r m 是第m 个暗环的半径。由式（2）和式（3）可得 λmR r m =2 （4） 可见，我们若测得第m 个暗环的半径r m 便可由已知λ求R ，或者由已知R 求λ了。但是，由于玻璃接触处受压，引起局部的弹性形变，使透镜凸面与平面玻璃不可能很理想的只以一个点相接触，所以圆心位置很难确定，环的半径r m 也就不易测准。同时因玻璃表面的不洁净所引入的附加程差，使实验中看到的干涉级数并不代表真正的干涉级数m 。为此，我们将式（4）作一变换，将式中半径r m 换成直径D m ，则有 λmR D m 42 = （5）
光电系统课程设计报告 设计题目：光电心率计 指导老师：吴xx 班级： 10XX 设计者： XXX 设计者学号： ************* 同组者姓名： ****************************** ****************************** ********************************* 设计者联系电话： ****************** 目录 一．摘要 (4) 二．技术指标 (4) 三．设计原理 (5) 3.1、光电探测电路 (5) 3.2、电源电路 (6) 3.3、滤波放大电路及虚拟地电路 (6) 3.4、单片机电路 (7) 3.5、显示电路 (8) 3.6、蜂鸣器电路 (9) 四．设计方案论证 (9)
4.1、心率计的软件实现方法 (9) 4.2、滤波放大电路的实现 (9) 4.3、光电探测电路的实现 (10) 4.4、心率值的显示方法 (10) 五. 硬件电路设计 (11) 5.1、电源电路设计 (11) 5.2、光电探测电路 (12) 5.3、“虚拟地”电路 (12) 5.4、滤波放大电路 (12) 5.5、单片机电路 (13) 5.6、译码显示电路 (15) 5.7、蜂鸣器电路 (16) 六．软件设计 (16) 6.1 总流程图 (17) 6.2 主函数流程图 (18) 6.3 采样比较程序 (19) 6.4 心率计算与显示警报模块 (20) 七．结论 (21) 八．课程设计的心得体会 (21) 参考文献 (22) 附录 (23) 附录一、程序代码 (23)
附录二、原理图 (28) 附录三、PCB所有层图 (29) 附录四、顶层PCB图 (30) 附录五、底层PCB图 (30) 附录六、元件清单 (31) 一．摘要 随着现代社会，人们对自己的健康越来越关心，因此对各种医疗设备的需要也越来越大。其中心率测量仪是最常见的医疗设备之一，它能应用于医疗、 健康、体育以及我们生活中的方方面面，因此一个简单便宜而又有较高精度的 心率测量仪是很有市场的。 我们无法通过直接测量来获取人的心率，但是由于人的脉搏是与心跳直接相关的。因此，我们可以通过测量脉搏来间接测量人的心率。我们小组的光电 系统课程设计制作的光电心率测量仪是用光电传感器测量经手指尖反射的信号，然后经过滤波放大后送到51单片机进行信号处理并将计算所得到的心率值通过动态扫描的方式显示出来。 关键词：51单片机；光电测量；A/D采样；动态扫描显示；响铃提醒。二．技术指标 利用光电方法测量人体心率，并通过显示器显示出来，具体要求 如下： 1、采用51 系列单片机 2、制作光电测量头 3、通过A/D 采样方式测定人体心率（不能整形成方波计数）
一、实验目的 1. 观察细丝夫琅和费衍射现象。 2. 掌握细丝衍射相对光强的测量方法，并求出细丝直径。 二、实验原理 1. 夫琅和费衍射 衍射是波动光学的重要特征之一。衍射通常分为两类：一类是满足衍射屏离光源或接收屏的距离为有限远的衍射，称为菲涅耳衍射；另一类是满足衍射屏与光源和接收屏的距离都是无限远的衍射，也就是照射到衍射屏上的入射光和离开衍射屏的衍射光都是平行光的衍射，称为夫琅和费衍射。菲涅耳衍射解决具体问题时，计算较为复杂。而夫琅和费衍射的特点是，只用简单的计算就可以得出准确的结果。在实验中，夫琅和费衍射用两个会聚透镜就可以实现。本实验用激光器作光源，由于激光器发散角小，可以认为是近似平行光照射在单缝上；其次，细丝直径为0.1mm ，细丝距接收屏如果大于1米，缝宽相对于缝到接收屏的距离足够小，大致满足衍射光是平行光的要求，也基本满足了夫琅和费衍射的条件： 2 20sin u u I I = I O 为中央明纹中心处的光强度，u=πasin θ/λ，a 是单缝宽度，φ衍射角λ为入 射波长 2. 菲涅耳假设和光强度 物理学家菲涅耳假设：波在传播的过程中，从同一波阵面上的各点发出的次波是相干波，经传播而在空间某点相遇时，产生相干叠加，这就是著名的惠更斯—菲涅耳原理。如图9-1所示，单缝AB 所在处的波阵面上各点发出的子波，在空间某点P 所引起光振动振幅的大小与面元面积成正比，与面元到空间某点的距离成反比，并且随细丝平面法线与衍射光的夹角（衍射角）增大而减小，计算细丝所在处波阵面上各点发出的子波在P 点引起光振动的总和，就可以得到P 点的光强度。可见，空间某点的光强，本质上是光波在该点振动的总强度。
课程设计总结报告 课程名称：《光电技术》课程设计学生姓名：邓跃斌、付炜、黑阳超、林松系别：物理与电子学院 专业：电子信息科学与技术 指导教师：雷立云 2012年11月29日
目录 一、设计任务书 (3) 1、课题 (3) 2、目的 (3) 3、设计要求 (3) 二、实验仪器 (3) 三、设计框图及整体概述 (4) 四、各单元电路的设计方案及原理说明 (4) N E定时器构成多谐振荡器作调制电源 (5) 1、用555 N E电路结构 (5) （1）555 N E定时器组成的多谐振荡器 (5) （2）由555 （3）发射端电路 (6) L F放大器构成接收放大电路 (7) 2、用353 （1）光放大器 (7) （2）光比较放大器 (7) 五、调试过程及结果 (8) 1、调试的过程及体会 (8) 2、调试结果 (8) 六、设计、安装及调试中的体会 (9) 七、对本次课程设计的意见及建议 (9) 八、参考文献 (10) 九、附录 (10) 1、整体电路图 (10) 2、课程设计实物图 (10) 3、元器件清单 (11)
一、设计任务书 1、课题 光电报警系统设计与实现。 2、目的 本课程设计的基本目的在于巩固电子技术、光电技术、感测技术以及传感器原理等方面的理论知识，从系统角度出发，培养综合运用理论知识解决实际问题的能力，并养成严谨务实的工作作风。通过个人收集资料，系统设计，电路设计、安装与调试，课程设计报告撰写等环节，初步掌握光电系统设计方法和研发流程，逐步熟悉开展工程实践的程序和方法。 3、设计要求 （1）基本要求 用555 N E构成占空比为0.5多谐振荡器作发光二极管的调制电源，并对参数选择进行分析说明；选用324 L M构成比较放大器进行报警电路设计；画出所做实验的全部电路图，并注明参数；记录调试完成后示波器输出的各测量点电压波形。 （2）扩展要求（选做） 分析影响作用距离的因素，提出提高作用距离的措施；设想光电报警系统的应用场合，并根据不同应用提出相应电路的设计方案。如需要闪烁报警，电路如何设计？ 二、实验仪器 多功能面包板………………………………………………………………1块T D S.60M H z.1Gs s双通道数字存储波示器………………………1台1002 YB A A直流稳压电源…………………………………………………1台17333 万用表………………………………………………………………………1台
细丝直径测量实验报告 The Standardization Office was revised on the afternoon of December 13, 2020
细丝直径测量 摘 要：测量细丝直径，可以使用游标卡尺、螺旋测微计等等较精密的机械工具，也可以使用读数显微镜、工具显微镜等精密光学仪器，还可以利用光的干涉原理，借助光学仪器，对微小细度进行测量。以下使用劈尖法进行细丝直径测量，其方法简单，直观性强，测量结果精度高，在高精度测量汇总更显示出其独特的作用。 关键词：细丝直径、劈尖法、等厚干涉、条纹 1．引言 在两片叠合的玻璃一端放入细丝，则玻璃片之间就形成一个空气劈尖。在垂直单色光照射下，劈尖的上、下两表面的反射光相遇发生干涉，在显微镜下可观察到间隔相等的等厚干涉直条纹。 2． 实验原理 将两块光学平玻璃板叠在一起，一端插入一细丝，则在两玻璃板间形成一空气劈尖。两玻璃的交线称为棱边，在平行于棱边的线上，劈尖空气膜的厚度是相等的。当用平行单色光垂直照射劈尖时，在劈尖空气膜上、下表面反射的两束光发生干涉，形成一组与棱边平行的、等间距的直线干涉条纹，如上图所示。设某处空气薄膜的厚度为e ，则两束相干光的光程差为 ()22212 k d k λλλ?? ?=+=?+??
相邻两暗纹（或明纹）对应的空气厚度差 ()11222122 k k k k d k d k d d λ λ λ λ λ +++=+=+-= 则细丝直径D 为2 D N λ =? ； N 为干涉条纹总条数 2 tan 2 D L S L D S λ ααλ≈===? L 为劈尖长度; S 为两相邻明暗纹间距; λ为钠光波长：9 589.310λ-=? 3．实验内容与步骤 1. 实验仪器 读数显微镜，45°反射镜，2片光学玻璃板，钠光灯，金属细丝，游标卡尺 2. 制作劈尖 将细丝夹在距劈尖一端的3-5mm 处，将此端夹紧，将细丝拉直与劈尖边缘平行，再将劈尖另一端适度夹紧。 3. 调节读数显微镜 （1）把劈尖置于载物台，物镜正下方，用压片压住；旋松手轮把显微镜放于适中位置（当置物镜最下位置时不与劈尖相碰）。 （2）调节半反镜使之呈45度角，使读数显微镜的目镜中看到均匀明亮的黄色光场。 （3）调节读数显微镜的目镜直到清楚地看到叉丝，且分别与X,Y 轴大致平行，
实验报告：用劈尖干涉测量细丝的直径 090404162 通信一班 张恺 一、实验名称：用劈尖干涉测量细丝的直径 二、实验目的：（1）深入了解等厚干涉。 （2）设计用劈尖干涉测量细丝直径的方法。 （3）设计合理的测量方法和数据处理方法，减小实验误差。 三、实验仪器：（1）读数显微镜（2）纳光灯（3）平玻璃两片（4） 待测细丝 四、实验原理： 将两块光学玻璃板叠在一起，在一段插入细 丝，则在两玻璃间形成一空气劈尖（如图1）。 当用单色光垂直照射时和牛顿环一两样，在空气 薄膜上下表面反射的两束光发生干涉，其中光程 差: δ=2λ+λ/2 ……………………① 产生的干涉条纹是一簇与两玻璃板交接线 平行且间隔相等的平行条板。如图（2）。显然:δ=2d+λ/2=(2k+1)*λ/2 k=0,1,2,3,……………② δ=2d+λ/2=kλ k=1,2,3,………………③ （图1） 与K纹暗条纹对应的薄膜厚度:d=k*λ /2 ……………………④ 显然d=0（棱边）处空气薄膜厚度为d(棱边) 处对应k=0是暗条纹，称为零级暗条纹。d 1 =λ /2处为一级暗条纹，第k级暗条纹处空气薄膜 厚度为:d k =kλ/2 ……………⑤ 两相邻暗条纹对应的劈尖厚度之差为△d=d k+1 -dk=λ/2………………⑥ 若两暗条纹之间的距离为l，则劈尖的夹角θ，利用sinθ=λ/l……… ⑦求得。 （图2） 此式表明：在λ、θ一定时，l为常数，即条纹是等间距的，而且当λ一定时，θ越大，l越小，条纹越宽，因此θ不宜太大。 设金属细丝至棱边的距离为l，欲求金属细丝的直径D，则可先测L（棱边到金属细丝直径）和条纹间距L，由⑦式及sinθ=D/L求得： D=Lsinθ=L*λ/(2*l)……………………………………⑧ 这就是本实验利用劈尖干涉测量金属细丝的直径的公式，如果N很大，实验上往往不是测量两条相邻条纹的间距，而是测量相差N级的两条暗条纹 的问题，从而测得的测量结果 D=N*λ/2 如果N很大，为了简便，可先测出单位长度内的暗条纹数N 和从交纹到 金属丝的距离L，那么 N=N 0L………………………D=N L*λ/2 五、实验内容与步骤
劈尖干涉法测定金属细丝不同位置直径 系别：计算机科学与技术系专业班级：软件工程1801班 姓名：王睿、罗家鑫指导教师：王天会 摘要：在劈尖干涉法测定金属细丝直径的实际测量中，同一条金属细丝不同位置的直径通常不尽相等。本文将对劈尖干涉法测定金属细丝直径进行一定的理论分析，并证明金属细丝不同位置的直径存在差异并进行简单的不确定度分析。 关键词：金属细丝直径；劈尖干涉法；不同位置；多次测量 一、引言 等厚干涉又是光的干涉中的重要物理实验。而作为等厚干涉的具体应用——利用劈尖干涉法测定金属细丝直径, 是一项很好的设计性实验。理想状态下金属细丝是均匀的，但在基本测量中，我们发现金属细丝与之不符，即其不同位置之间的直径存在一定的差异。为更加直观地解释和说明这一实验现象，本文对此作出了如下的理论分析。 二、理论分析、实验系统、实验数据处理、实验结论 （一）实验原理 1．劈尖干涉原理 两块表面是严格几何平面的玻璃片，将一端互相叠合，另一端插入细丝，两板间即形成空气劈尖，空气劈尖即两玻璃片之间形成一个一段薄一段厚的楔形空气膜，两玻璃片叠合端的交线称为棱边，空气膜的夹角θ称为劈尖楔角。当平行单色光垂直照射到玻璃片时，可以在劈尖表面观察到明暗相间的干涉条纹（若入射光是复色光，则为彩色条纹，这个现象称为劈尖干涉。） 劈尖干涉条纹是由空气膜的上、下表面反射的两列光波叠加干涉而成。当波长为λ的单色光a垂直空气膜表面入射时，由于劈尖楔角θ很小，上、下表面反射的两束相干光叠加干涉而成。当波长为λ的单色光a垂直空气膜表面入射时，由于劈尖楔角θ很小，上、下表面反
第一组中l 的A 类不确定度 ()21 2A --? ?=?-n r x x U 2 101 999908.0129.02--? =- 00062.0=mm 第一组中l 的相对不确定度()()2 B 2 A x U x U U ?+?= 2200062.00005.0+= mm 00079.0=
西安工业大学北方信息工程学院课程设计(论文) 题目：细丝直径测试仪 系别：光电信息系 专业：测控技术与仪器 班级：B110102 学生：董博 学号：B11010203 任课教师：吴玲玲 2014年10月
目录 1绪论 (6) 1.1前言 (6) 1.2基于CCD测径仪的发展现状国外发展现状 (6) 1.3 国内发展现状 (7) 1.4论文的主要内容 (8) 2测量原理和方案论证 (8) 2.1利用衍射法测量细铜丝直径 (8) 2.2利用分光法测量细铜丝直径 (9) 2.3线阵CCD测量直径系统测细铜丝直径 (10) 2.4 成像系统 (13) 2.5设计方案的论证与选择采用 (14) 3 系统设计 (15) 3.1整体系统设计 (15) 3.2光学系统设计 (16) 3.2.1光源 (16) 3.2.2光源照明 (16) 3.2.3成像光学系统 (16) 3.3机械系统设计 (16) 3.3.1机械设计的原理和要求 (16) 3.3.2机械设计的保险装置 (16) 3.2.3机械设计的稳定性 (16) 3.4电路系统设计 (16) 3.4.1低通滤波器 (16)
3.4.2相关双采样 (16) 3.4.3差分放大电路 (16) 3.5数字图像处理及报警系统设计 (16) 3.5.1系统组成 (16) 3.5.2块方向的选取 (16) 3.5.3单位标定 (16) 3.5.4细丝直径的获取 (17) 3.5.5直径的测量 (17) 4 实验结果及影响测量精度的主要因素分析 (18) 4.1光学系统对测量精度的影响分析 (18) 4.1.1影响测量精度的因素及对策 (18) 4.2信号处理电路对测量精度的影响分析 (18) 4.2.1零点漂移对测量精度的影响 (18) 4.2.1被测工件的均匀性对测量精度的影响 (18) 4.2.2误差分析 (19) 4.3图像处理对测量精度的影响 (19) 4.3.1标定误差 (19) 4.3.2示值显示误差 (19) 4.3.3误差合成 (19) 4.3.4仪器误差 (19) 5 结论 (20) 参考文献 (21)
实验单缝衍射的光强分布和细丝直径测
仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢0 实验41 单缝衍射的光强分布和细丝直径测量 光具有波动性，衍射是光波动性的一种表现。光的衍射现象是在17世纪由 格里马第发现的。19世纪初，菲涅耳和夫琅和费分别研究了一系列有关光衍射 的重要实验，为光的波动理论奠定了基础。菲涅耳提出了次波相干迭加的观点， 用统一的原理（惠更斯一菲涅耳原理）分析解释光的衍射现象；利用单缝衍射原 理可以对细丝直径进行非接触的精确测量。 ［学习重点］ 1．通过对夫琅和费单缝衍射的相对光强分布曲线的绘制，加深对光的波动理 论和惠更斯——菲涅耳原理的理解。 2．掌握使用硅光电池测量相对光强分布的方法。 3．掌握利用衍射原理对细丝进行非接触测量的方法。 ［实验原理］ 1． 单缝衍射 粗略地讲，当波遇到障碍物时，它将偏离直线传播，这种现象叫做波的衍 射。衍射系统由光源、衍射屏和接收屏幕组成。通常按它们相互间距离的大小， 将衍射分为两类：一类是光源和接收屏幕（或两者之一）距离衍射屏有限远，这 类衍射叫做菲涅耳衍射；另一类是光源和接收屏幕都距衍射屏无穷远，这类衍射 叫做夫琅和费衍射。本实验研究单缝夫琅和费衍射的情形。 如图41-1（a ），将单色线 光源S 置于透镜L 1的前焦面 上，则由S 发出的光通过L 1 后形成平行光束垂直照射到 单缝AB 上。根据惠更斯一菲 涅耳原理，单缝上每一点都可 以看成是向各个方向发射球面 子波的新波源，子波在透镜L 2 的后焦面（接收屏）上叠加形 成一组平行于单缝的明暗相间 的条纹。如图41-1（b ）所示。和单缝平面垂直的衍射光束会聚于屏上的P 0处， 是中央亮纹的中心，其光强为I 0；与光 轴SP 0成θ 角的衍射光束会聚于P θ 处，θ 为衍射角，由惠更斯一菲涅耳原理可得其光强分布为 （41-1） 其中，b 为单缝的宽度，λ为入射单色光波长。 由41-1式可以得到： 图41-1 （a ）单缝衍射 （b ）衍射图样 λθπsin ,sin 2 20b u u u I I ==θ
多种方法测量细丝直径 学院：物理电子工程学院 专业：物理学 姓名及学号：冯伟（04） 杨保国（26）
多种方法测量细丝直径 物理学 冯伟 杨保国 摘要：利用巴俾涅原理，通过单缝夫琅和费衍射，测量丝线的直径。 实验表明，这是一 种高精度的非接触测量，它通过对衍射图样的检测来求细丝的直径。 关键字 ：激光器；单缝衍射；单丝衍射 引言：随着生产的发展，要求对各种金属丝，光导纤维以及钟表游丝等进行高精度的非接触测量。过去测量毫米以下的细丝外径，一般用普通光学测量仪或电测策计等接触测量仪器。细丝的衍射效应使普通光学方法误差变大，接触测量易受到测量力大小的影响。激光束细丝衍射对于线径极小的细丝，其测量结果是可靠的。 1. 实验原理 方法一: (1) 巴俾涅原理 两个互补屏单独产生的衍射场的复振幅之和等于没有屏时的复振幅，，对于单缝的夫琅和费衍射，除点光源在像平面的像点之外有U=0，即像点外两个互补屏所产生的衍射图形， 其形状和光强完全相同，仅位相相差2 ，所以我们可用丝线代替单缝进行夫琅和费衍射。 (2) 夫琅和费单缝衍射原理 为获得明亮的远场条纹，一般用透镜在焦面上形成夫朗和费条纹，如图所示。设透镜的焦距为f ，细丝直径为a 。 当平行光垂直于单缝平面入射时，单缝衍射 就形成平行的明暗条纹其位置衍射角由下 式决定： 暗条纹的中心 asin θ=k λ (k=±1，±2，± 3，…) 明条纹的中心asin θ=（2k+1）λ/2 (k= ±1，±2，±3，…) 中心条纹θ=0 本实验一般采用暗条纹进行测量，考虑到一般情况下θ角较小，于是有 θ≈sin θ≈tan θ 故由式得暗条纹的衍射角由下式决定 a =m λ a =n λ θ d f x n t 激光 互补法测量的计算
细丝直径的测量 摘要：本次实验为细丝直径的测量，由于细丝利用普通的测量工具很难准确测量，误差很大，所以此次实验是利用等厚干涉原理，即由同一光源发出的平行单色光垂直入射分别经过空气劈尖所形成的空气薄膜上下表面反射后，在上表面相遇时产生的一组与棱边平行的，明暗相间，间隔相同的干涉条纹，由此来测量细丝的直径，使数据更加准确，本次试验就是利用干涉原理制作劈尖测量发丝的直径。 关键词：干涉原理空气劈尖直径光程差 引言：本次实验是利用空气劈尖根据光的干涉原理测量发丝的直径，干涉和衍射是光的波动性的具体变现，利用光的等厚干涉由同一光源发出的平行光，分别经过劈尖间所形成的空气薄膜上下表面反射后产生干涉现象，形成明暗相间的条纹，使用显微镜观察明暗条纹间的距离，由此来计算发丝的直径 实验原理： 当两片很平的玻璃叠合在一起，并在其一端垫入细丝时，两片玻璃片之间就形成了一层空气薄膜，叫做空气劈尖。在同一光源发出的单色平行光垂直照射下，经劈尖上下表面反射后将会产生干涉现象，在显微镜观察可发现明暗相间的干涉条纹，如图所示
实验内容与步骤： 实验仪器：读数显微镜 45度反射镜 2片光学玻璃钠光灯发丝1 将发丝夹在2片光学玻璃的一端，另一端直接接触，形成空气劈尖。将劈尖放在读数显微镜的载物台上。 2 打开钠光灯，调节45度反射镜，使光线平行垂直射入充满视野，此时显微镜的视野由暗变亮。 3 调节显微镜物镜的焦距使视野内明暗相间的条纹清晰，调节显微镜目镜焦距以及叉丝的位置是否对齐和劈尖放置的位置， 4 找出一段最清晰的条纹用读数显微镜读出两条明条纹或暗条纹之间的距离，同一方向转动测微鼓轮测量出5组明或暗条纹的间距。 5 使用游标卡尺测量出劈尖内细丝到较远一端的距离L 6 根据公式和测量的数据计算出细丝的直径和不确定度
实验41 单缝衍射的光强分布和细丝直径测量 光具有波动性，衍射是光波动性的一种表现。光的衍射现象是在17世纪由格里马第发现的。19世纪初，菲涅耳和夫琅和费分别研究了一系列有关光衍射的重要实验，为光的波动理论奠定了基础。菲涅耳提出了次波相干迭加的观点，用统一的原理（惠更斯一菲涅耳原理）分析解释光的衍射现象；利用单缝衍射原理可以对细丝直径进行非接触的精确测量。 ［学习重点］ 1．通过对夫琅和费单缝衍射的相对光强分布曲线的绘制，加深对光的波动理论和惠更斯——菲涅耳原理的理解。 2．掌握使用硅光电池测量相对光强分布的方法。 3．掌握利用衍射原理对细丝进行非接触测量的方法。 ［实验原理］ 1． 单缝衍射 粗略地讲，当波遇到障碍物时，它将偏离直线传播，这种现象叫做波的衍射。衍射系统由光源、衍射屏和接收屏幕组成。通常按它们相互间距离的大小，将衍射分为两类：一类是光源和接收屏幕（或两者之一）距离衍射屏有限远，这类衍射叫做菲涅耳衍射；另一类是光源和接收屏幕都距衍射屏无穷远，这类衍射叫做夫琅和费衍射。本实验研究单缝夫琅和费衍射的情形。 如图41-1（a ），将单色线 光源S 置于透镜L 1的前焦面 上，则由S 发出的光通过L 1 后形成平行光束垂直照射到 单缝AB 上。根据惠更斯一菲 涅耳原理，单缝上每一点都可 以看成是向各个方向发射球面 子波的新波源，子波在透镜L 2 的后焦面（接收屏）上叠加形 成一组平行于单缝的明暗相间 的条纹。如图41-1（b ）所示。和单缝平面垂直的衍射光束会聚于屏上的P 0处，是中央亮纹的中心，其光强为I 0；与光 轴SP 0成θ 角的衍射光束会聚于P θ 处，θ 为衍射角，由惠更斯一菲涅耳原理可得其光强分布为 （41-1） 其中，b 为单缝的宽度，λ为入射单色光波长。 由41-1式可以得到： 1．当θ = 0时，u = 0 ，P θ 处的光强度 I θ =I 0 是衍射图像中光强的最大值，叫主最大。主最大的强度不仅决定于光源的强度，还和缝宽b 的平方成正比； 图41-1 （a ）单缝衍射 （b ）衍射图样 λθπsin ,sin 2 2 b u u u I I = =θ
光电测量系统设计报告 Company number：【0089WT-8898YT-W8CCB-BUUT-202108】
光电测量系统设计报告 一、干涉的基本原理 干涉现象是波动独有的特征，如果光真的是一种波，就必然会观察到光的干涉现象．1801年，英国物理学家托马斯·杨(1773—1829)在实验室里成功地观察到了光的干涉．两列或几列光波在空间相遇时相互叠加，在某些区域始终加强，在另一些区域则始终削弱，形成稳定的强弱分布的现象。 由一般光源获得一组相干光波的办法是，借助于一定的光学装置（干涉装置）将一个光源发出的光波（源波）分为若干个波。由于这些波来自同一源波，所以，当源波的初位相改变时，各成员波的初位相都随之作相同的改变，从而它们之间的位相差保持不变。同时，各成员波的偏振方向亦与源波一致，因而在考察点它们的偏振方向也大体相同。一般的干涉装置又可使各成员波的振幅不太悬殊。于是，当光源发出单一频率的光时，上述四个条件皆能满足，从而出现干涉现象。当光源发出许多频率成分时，每一单频成分（对应于一定的颜色）会产生相应的一组条纹，这些条纹交叠起来就呈现彩色条纹。 1、劈尖的等厚干涉测细丝直径 设入射光波为λ，则第m级暗纹处空气劈尖的厚度 由上式可知，m=0时，d=0，即在两玻璃片交线处，为零级暗条纹。如果在细丝处呈现m=N级条纹，则待测细丝直径 2、利用干涉条纹检验光学表面面形 检查光学平面的方法通常是将光学样板（平面平晶）放在被测平面之上，在样板的标准平面与待测平面之间形成一个空气薄膜。当单色光垂直照射时，通过观测空气膜上的等厚干涉条纹即可判断被测光学表面的面形。 （1）待测表面是平面 （2）待测表面呈微凸球面或微凹球面 当手指向下按时，空气膜变薄，各级干涉条纹要发生移动，以满足式（2）， 3 式中λ为入射光的波长，δ是空气层厚度，空气折射率n ≈ 1。 当程差Δ为半波长的奇数倍时为暗环，若第m个暗环处的空气层厚度为m，则有：R，即，可得： 式中是第m个暗环的半径。由式（2）和式（3）可得： 可见，我们若测得第m个暗环的半径便可由已知λ求R，或者由已知R求λ了。但是，由于玻璃接触处受压，引起局部的弹性形变，使透镜凸面与平面玻璃不可能很理想的只以一个点相接触，所以圆心位置很难确定，环的半径也就不易测准。同时因玻璃表面的不洁净所引入的附加程差，使实验中看到的干涉级数并不代表真正的干涉级数m。为此，我们将式（4）作一变换，将式中半径换成直径，则有： 对第m+n个暗环有 将（5）和（6）两式相减，再展开整理后有 可见，如果我们测得第m个暗环及第（m+n）个暗环的直径、，就可由式（7）计算透镜的曲率半径R。 经过上述的公式变换，避开了难测的量和m，从而提高了测量的精度，这是物理实验中常采用的方法。
重庆工商大学大学物理实验 （光学）设计性实验报告 实验题目：用干涉法测细丝直径 指导老师：龙涛、唐裕霞 实验设计：林志发、刘洋青、谢成 学院：计算机科学与信息工程学院 专业：应用物理学 班级：13金融物理学
本次设计性实验分工 姓名学号分工 林志发 2013136139 实验设计和数据分析 刘洋青 2013136119 实验设计和预习报告 谢成 2013136122 实验设计和现场分析 用干涉法测细丝直径 一、实验名称 用干涉法测细丝直径 二、实验目的 1、学会根据现有实验条件，合理设计实验方法； 2、通过实验加深对等厚干涉原理及干涉概念的理解； 3、学会读书显微镜的正确使用； 三、实验仪器： 钠光灯，数显微镜，载玻片，盖玻片，细丝（铜丝，铁丝，头发丝） 四、实验原理： 当两片很平的玻璃叠合在一起，并在其一端垫入细丝时，两玻璃片之间就形成一空气薄层（空气劈）。在单色光束垂直照射下，经劈尖上、下表面反射后两束反射光是相干的，干涉条纹将是间隔相等且平行于二玻璃交线的明暗交替的条纹。
图1 图2 相邻两暗纹（或明纹）对应的空气厚度 则细丝直径D为 为干涉条纹总条纹 L为劈尖的长度用游标卡尺测，S为相邻两暗条纹的间距，用读书显
微镜测量（5次测量） λ为钠光波长，λ = mm 103.5896-? 已知入射光波长λ，测出0N 和,就可计算出细丝（或薄片）的直径。 实验内容： （1）将细丝（或薄片）夹在劈尖两玻璃板的一端，另一端直接接触，形成空气劈尖。然后置于移测显微镜的载物平台上。 （2）开启钠光灯，调节半反射镜使钠黄光充满整个视场。此时显微镜中的视场由暗变亮。调节显微镜目镜焦距及叉丝方位和劈尖放置的方位。调显微镜物镜焦距看清干涉条纹，并使显微镜同移动方向与干涉条纹相垂直。 （3）用显微镜测读出叉丝越过条暗条纹时的距离L,可得到单位长 度的条纹数0N 。再测出两块玻璃接触处到细丝处的长度L.重复测量五次，根据式)2/(0λL N D =计算细丝直径D 平均值和不确定度。 实验操作方法： 在做实验前，必须知道载玻片，盖玻片，细丝的正确放置方法，如图所示： L D
创作编号： GB8878185555334563BT9125XW 创作者： 凤呜大王* 一、实验目的 1. 观察细丝夫琅和费衍射现象。 2. 掌握细丝衍射相对光强的测量方法，并求出细丝直径。 二、实验原理 1. 夫琅和费衍射 衍射是波动光学的重要特征之一。衍射通常分为两类：一类是满足衍射屏离光源或接收屏的距离为有限远的衍射，称为菲涅耳衍射；另一类是满足衍射屏与光源和接收屏的距离都是无限远的衍射，也就是照射到衍射屏上的入射光和离开衍射屏的衍射光都是平行光的衍射，称为夫琅和费衍射。菲涅耳衍射解决具体问题时，计算较为复杂。而夫琅和费衍射的特点是，只用简单的计算就可以得出准确的结果。在实验中，夫琅和费衍射用两个会聚透镜就可以实现。本实验用激光器作光源，由于激光器发散角小，可以认为是近似平行光照射在单缝上；其次，细丝直径为0.1mm ，细丝距接收屏如果大于1米，缝宽相对于缝到接收屏的距离足够小，大致满足衍射光是平行光的要求，也基本满足了夫琅和费衍射的条件： 2 20sin u u I I = I O 为中央明纹中心处的光强度，u=πasin θ/λ，a 是单缝宽度，φ衍射角 λ为入射波长 2. 菲涅耳假设和光强度 物理学家菲涅耳假设：波在传播的过程中，从同一波阵面上的各点发出的次波是相干波，经传播而在空间某点相遇时，产生相干叠加，这就是著名的惠更斯—菲涅耳原理。如图9-1所示，单缝AB 所在处的波阵面上各点发出的子波，在空间某点P 所引起光振动振幅的大小与面元面积成正比，与面元到空间某点的距离成反比，并且随细丝平面法线与衍射光的夹角（衍射角）增大而减小，计算细丝所在处波阵面上各点发出的子波在P 点引起
细丝直径的测量 摘要：根据等厚干涉原理，利用劈尖干涉，成功测量除了头发丝的直径。发丝的直径，我们对它的估值约为0.06mm，对于这么小的细丝的直径，我们用卡尺或千分尺测量，最小分度顶多也就0.01mm，这样一来，测量的值误差较大，利用劈尖等厚干涉法，根据两相邻干涉暗纹厚度差l/2，l的大小为0.0005893mm。显然测量的结果误差较小。 关键词：干涉劈尖细丝直径 引言：根据薄膜干涉原理，用两个很平的玻璃板间产生一个很小的角度，就构成一个楔形空气薄膜，用已知波长的单色光入射产生的干涉条纹，可以测量头发丝的直径。 1.实验原理 当两片很平的玻璃叠合在一起，并在其一端垫入细丝时，两玻璃片之间就形成一空气薄层（空气劈）。在单色光束垂直照射下，经劈上、下表面反射后两束反射光是相干的，干涉条纹将是间隔相等且平行于二玻璃交线的明暗交替的条纹。
相邻两暗纹（或明纹）对应的空气厚度 则细丝直径D为 为干涉条纹总条纹 L为劈尖的长度用游标卡尺测 S为相邻两暗条纹的间距，用读书显微镜测量（5次测量） Λ为钠光波长，λ N和L,就可计算出细丝（或薄片）的直径D。 已知入射光波长λ，测出 2.实验方法： 实验仪器：钠光灯读数显微镜劈尖装置
1、将细丝（或薄片）夹在劈尖两玻璃板的一端，另一端直接接触，形成空气劈尖。然后置于移测显微镜的载物平台上。 2、开启钠光灯，调节半反射镜使钠黄光充满整个视场。此时显微镜中的视场由暗变亮。 调节显微镜目镜焦距及叉丝方位和劈尖放置的方位。调显微镜物镜焦距看清干涉条纹，并使显微镜同移动方向与干涉条纹相垂直。 3、用显微镜测读出叉丝越过条暗条纹时的距离l,可得到单位长度的条纹数0N 。再测出两块玻璃接触处到细丝处的长度L.重复测量五次，根据式)2/(0λL N D =计算细丝直径D 平均值和不确定度。 3 实验数据处理： 实验测量数据 单位（mm ） 5 j i S S - S1 10.505 S6 11.330 0.165 S2 10.674 S7 11.509 0.167 S3 10.837 S8 11.682 0.169 S4 11.006 S9 11.842 0.167 S5 11.176 S10 12.018 0.168
课程设计报告 题目：光电传感器的转速测量系统设计姓名： 学号： 专业班级： 指导老师：
目录 1引言 (1) 2系统组成及工作原理 (1) 2.1转速测量原理 (1) 2.2转速测量的一般方法 (3) 2.3转速测量系统组成框图 (3) 3系统硬件电路的设计 (3) 3.1脉冲产生电路设计 (3) 3.2光电转换及信号调理电路设计 (4) 3.2.1光电传感器简介 (4) 3.2.2光电转换及信号调理电路设计 (5) 3.3测量系统主机部分设计 (7) 3.3.1单片机 (7) 3.3.2键盘显示模块设计 (9) 3.3.3串行通信模块设计 (11) 3.3.4电源模块设计 (12) 4系统软件设计 (13) 4.1程序模块设计 (13) 4.2数据处理过程 (15) 4.3浮点数学运算程序 (16) 5制作调试 (16) 6结果分析 (18) 7参考文献 (18)
1、引言 随着社会经济的快速发展，转速测量成为了社会生产和日常生活中重要的测量和控制对象。测速是工农业生产中经常遇到的问题，人们经常需要精确测量每秒钟转轴的转速，学会对电机转速的测量和显示具有重要的意义。近年来，由于世界范围内对转速测量合理利用的日益重视，促使转速测量技术的迅速发展，各种新型的测量仪表相继问世并越来越多地得到应用。由于技术保密，厂家不会提供详细电路图和源代码，用户很难自行进行二次开发和改进。针对这种现状，使用光电传感器结合STC公司的STC 89C51型单片机设计的一种转速测量与控制系统。STC 89C51单片机采用了CMOS工艺和高密度非易失性存储器技术，而且其输入/输出引脚和指令系统都与MCS-51兼容，是开发该系统的适合芯片。 2 、系统组成及工作原理 2.1 转速测量原理 在此采用频率测量法，其测量原理为，在固定的测量时间内，计取转速传感器产生的脉冲个数，从而算出实际转速。设固定的测量时间为Tc（min），计数器计取的脉冲个数m，假定脉冲发生器每转输出p个脉冲，对应被测转速为N（r/min），则f=pN/60Hz；另在测量时间Tc内，计取转速传感器输出的脉冲个数m应为 m=Tcf ，所以，当测得m值时，就可算出实际转速值[1]： N=60m/pTc (r/min) （1） 2.2 转速测量的一般方法 一般转速测量系统有以下几个部分构成，转速测量框图如图2-1所示。 图2-1 转速测量框图 1．转速信号拾取 转速信号拾取是整个系统的前端通道，目的是将外界的非电参量，通过一定方式转换