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基于双光栅的细丝直径测量系统研究

杨松涛  
【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。


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