摘要
本论文主要是对后向线材直径测量系统进行了研究，该系统利用金属表面对光的反射定律及透镜的性质得到正比于被测线材直径的光强，并通过对光强的测量来实现对线材直径的测量。通过对误差因素的分析，提出采用两片光电池分别测量光源光强和信号光强，光电池的输出电信号经过低噪声电流-电压转换、放大和低通滤波等处理后送入除法器做除法运算，较好地消除了光源光强波动的影响。除法器的输出经过灵敏度控制电路后，用数显模块进行显示。由于光电池的积分效应，避免了对数据进行软件积分处理，也很好地克服线材表面各处反射率不同的影响。既简化了测量设备，又减小了测量误差。
利用该系统有可能做成小型测径仪，实现对金属线材直径的非接触在线动态测量。具有测量速度快，设备成本低，安装方便，受振动影响小等特点。可应用于那些振动影响大、设备安装不便、对测量精度要求不是特别高的场合。且具有进一步研究和拓展的价值。
A study on the backward diameter measurement system of wire rod has been done in the thesis. Using the photic law of refection and the property of lens, the light intensity of the reflected beam on the focal plane of a lens is proportional to the diameter. Through measuring the light intensity, we can get the diameter of wire rod. After analyzing the factor of error in the previous experiment, we use two photocells to measure the intensity of source light and signal light. To eliminate the influence of the instability of the source light radiator, divide operation is done after some processing of the photocell signals, such as: I/V converting, amplifying, and low pass filtering, etc. Under the control of the sensitivity-controlled circuit, the circuit module of digital displaying shows the result of divide operation. The influence of the fluctuating reflective ratio of the wire rod can be reduced by the integral effect of photocell, and the integral operation through software is avoided. Not only the equipment is simplified, but also the error is reduced.
By the system, we can get a mini-instrument of measuring the diameter of wire rod, which can dynamically measure the diameter of metal wire rod, non-contact and on-line. The instrument has many merits, such as: quickly measuring, low equipment cost, conveniently installing, and having slight influence of vibration, etc. So the instrument can be used in these situations: having severe influence of vibration, installing inconveniently, not very precision. And the system has the value of further research and development.
引文
[1]赵斌，颜伟彬．双光源投影法细丝直径测量[J]．光学精密工程，2003，11(2)：171－175．
[2]李为民，俞巧云，裘凌红．投影法CCD测径系统[J]．仪表技术与传感器，2001，(1)：34-35．
[3]赵斌．光学成像法测量细丝直径的误差及照明方式分析[J]．计量技术，2003，(6)：13－14．
[4]吕文阁，杜建辉，刘建群．应用机器视觉技术测量单晶铜线材的直径[J]．广东有色金属学报，2005，15(4)：48-50．
[5]王庆有．CCD技术应用[M]．天津：天津大学出版社，1992．
[6]王化祥，徐英，李瑞，等．漆包线计算机在线监测系统[J]．自动化仪表，2000，21(2)：31－32，46．
[7]李要球，王锐．数字测量技术在圆形材料直径测量中的应用[J]．煤矿机械，2006，27(3)：525-526．
[8]郑建华，朱蓉．高温熔体直径激光在线测量系统的实现[J]．工业仪表与自动化装置，2006，(2)：37-39．
[9]钱思明．动态线材直径CCD测量仪[J]．仪表技术与传感器，1995，(3)：17-18．
[10]张建荣，姜昱明．CCD成像在线测量玻璃棒直径的方法研究[J]．应用光学，2004，25(3)：53-56．
[11]马登极，朱善安，王长军．线阵CCD在高精度测径系统中的应用[J]．计算机测量与控制，2006，14(2)：175－176，185．
[12]李江昊，李炳新，于荣金．塑料光纤直径测量系统[J]．光学技术，2003，29(5)：568-570，574．
[13]王海清．激光测径仪在高速线材生产线上应用的可行性分析[J]．钢铁，1994，29(8)：64-67，53．
[14]李承志．钢管在线动态激光测径仪测量精度分析[J]．钢管，1995，(1)：50-52．
[15]马国欣．激光扫描测量直径[J]．光电工程，2004，31(2)：44-47．
[16]吕海宝，谌廷政，周卫红，等．柱边边缘扫描检出模型的研究[J]．激光杂志，1998，19(5)：14-17．
[17]张国玉，安志勇，曹维国，等．高分辨力光电尺寸检测系统研究[J]．航空计测技术，1996，16(2)：6-9．
[18]马国欣．测量高斯光分布半宽度的光电共轭方法[J]．光电工程，2003，30(3)：44-46．
[19]马国欣．无扫描物镜的激光扫描直径测量系统[J]．激光杂志，2006，27(1)：26，28．
[20]李勇．反射式激光扫描检测系统研究[J]．吉林工程技术师范学院学报，2005，21(6)：27－30．
[21]Zhang Congzhou. Research on a semiconductor laser-scanned multi-functional on-line inspection system. SPIE Vol 2899. 1996. 393-398.
[22]叶刚．采用非接触式方法测量大圆柱体直径[J]．SPIE，1998 Vol 1319．
[23]徐熙平．反射式激光扫描在线检测系统研究[D]．吉林：长春光学精密机械学院硕士论文．1999．
[24]W TANG, Y ZHOU, J ZHANG. Improvement on theoretical model for thin-wire and slot measurement by optical diffraction [J]. Meas. Sci. Technol, 1999, 10(11): N119-N123.
[25]Monty GLASS. Diffraction of a Gaussian beam around a strip mask [J]. Applied Optics, 1998, 37(13): 2550-2562.
[26]ZHU Ji-gui, YE Sheng-hua, TAO Guo-zhi. Precision measurement of the diameter of thin thread by using diffraction method [J]. Opto-Electronic Engineering, 1996, 23(3): 59-63.
[27]Jorge Ivan GARCIA-SUCERQUIA, Roman CASTANEDA, Francisco F. MEDINA, et al. Distinguishing between Fraunhofer and Fresnel diffraction by the Young's experiment [J]. Optics communications, 2001,200(1-6): 15-22.
[28]Monty GLASS. Fresnel diffraction from curved fiber snippets with application to fiber diameter measurement [J]. Applied Optics, 1996, 35(10): 1605-1616.
[29]A. BELAFHAL, L. DALIL-ESSAKALI, M. FAHAD. Fraunhofer diffraction by conical tracks [J]. Optics Communications, 2000, 175(1-3): 51-55.
[30]EUSEBIO Bernabeo, IBRAHIM Serroukh, LUIS Miguel Sanchez-Brea. Geometrical model for wire optical diffraction selected by experimental statistical analysis [J]. Opt Eng, 1999, 38(8): 1319-21325.
[31]郐新凯，郑亚茹．利用光学衍射方法测量金属丝的直径[J]．辽宁师范大学学报，2003，26(1)：32-34．
[32]韩力，卢杰，李莉．动态激光衍射法测量细丝直径[J]．物理实验，2006，26(4)：39-40，43．
[33]林棋榕，谢树森，周川钊，等．激光—CCD实时、无接触、动态线径[J]．光学精密工程，1997，5(2)：109-115．
[34]崔建文，张军，唐文彦，等．光学衍射法细圆柱体直径测量的不确定度[J]．光电工程，2005，32(7)：55-58．
[35]张凤生．高精度激光衍射测径系统[J]．仪器仪表学报，2001，22(3)：149-150，164．
[36]王少清，娄本浊，胡士会．夫琅和费衍射法测量细丝直径的研究[J]．济南大学学报，2005，19(2)：178-180．
[37]赵英，续斌．面阵CCD亚像元边缘检测的数值计算[J]．计量技术，1999，(11)：5-6．
[38]傅雯，卞新高．应用小波变换的细丝直径测量方法研究[J]．仪表技术与传感器，1999，(1)：37-39．
[39]张全法，齐红基，黄立华，等．动态线材直径测量新方法[J]．仪器与仪表，2001，(1)：17-20．
[40]张全法，杨海彬，何金田，等．基于Windows95的线阵CCD数据采集程序的开发．郑州大学学报，2000，(1)：61－64．
[41]缪家鼎，徐文娟，牟同升．光电技术[M]．杭州：浙江大学出版社，2005．
[42]刘恩科．光电池及其应用[M]．北京：科学出版社，1989．
[43]李汉军，杨士亮，杨恩智．光电池原理及其应用[J]．现代物理知识，1999，11(3)：26-27．
[44]杨锋力，李群明，黄明辉，等．磁悬浮球系统中光电传感器的研究与设计[J]． 光电与控制，2005，12(4)：65-67，70．
[45]邵长胜，闰大新．光电池在随动系统中的应用[J]．黑龙江自动化技术与应用，1997，16(1)：66-67，7．
[46]刘忠厚，赵朝忠．光电池新的等效电路[J]．半导体光电，1994，15(1)：94-100．
[47]丁扣宝，霍明旭．基于电流型边界条件的硅光电池模拟的新方法[J]．传感技术学报，2004，(3)：505-507．
[48]陈西园，庄兴稼．硅光电池的短路电流的温度特性[J]．抚顺石油学院学报，1995，15(1)：64-66．
[49]耿海翔，唐臻宇．光电池特性测量仪的研制[J]．成都大学学报(自然科学版)，2005，24(2)：118-121．
[50]高晋占．微弱信号检测[M]．北京：清华大学出版社，2004．
[51]刘俊，张斌珍．微弱信号检测技术[M]．北京：电子工业出版社，2005．
[52]Fish P J. Electronic Noise and Low Noise Design. London: Macmillan Press Ltd, 1993.
[53]Howard R M. Principle of Random Signal Analysis and Low Noise Design: The Power Spectral Density and its Application. New York: John Wiley & Sons Inc., 2002.
[54]Van der Ziel. Noise in Solid State Devices. Advances in Electronics and Electron Physics, 1978, 46.
[55]Ott H W. Noise Reduction Techniques in Electronic Systems. Wiley, 1988.
[56]Connor F R. Noise. London: Edward Arnold Ltd, 1982.
[57]Friis H T. Noise Figure of Radio Receiver. Proceedings of the IRE. 1944, 32: 419-422.
[58]Van der Ziel. Thermal Noise in Field Effect Transistors. Proceedings of the IRE. 1962, 50(8): 1808-1812.
[59]Van der Ziel. Gate Noise in Field Effect Transistors at Moderately High Frequencies. Proceedings of the IEEE. 1963, 51(3): 461-467.
[60]王绍纯．自动检测技术[M]．北京：冶金工业出版社，1985．
[61]门振宇，陈平．补偿法测光电流[J]．大学物理，1997，16(6)：25-27．
[62]王世恩．电流补偿实验[J]．物理实验，1989，9(2)：57-60．
[63]陈晓春，武秀荣．用电流补偿法研究光电池的光照特性[J]．物理实验，1996，18(2)：31-32．
[64]李永安．光电池光特性的电子测量[J]．物理实验，2005，25(6)：9-11．
[65]Qao Qing, Xin Chunyu, Qin Shicai, et al. Adjoint Op-Amp and its Applications[A]. The First Portu-gal-China Workshop on Solid-State Circuits[C]. Shanghai, 2000. 2-3.
[66]秦世才，高清运．现代模拟集成电子学[M]．北京：科学出版社，2003．
[67]高稚允，高岳．光电检测技术[M]．北京：国防工业出版社，1995．
[68]李永安．用集成运放测量光电池的光特性[J]．物理实验，1999，20(1)：36-37．
[69]钟嫄，罗宗南．光探测器在光源测量中的选用[J]．电子器件，2003，26(1)：95-98．
[70]吴兴源，吴飞．低噪声晶体管放大器的设计[J]．西南师范大学学报(自然科学版)，1994，19(2)：139-146．
[71]M cmullem C W. Communication Theory Principles. New York: Macmillan, 1968, 36-40.
[72]Hancock J C. Introduction to the principles of Communication Theory. New York: McGraw-Hill, 1961, 51-62.
[73]张永军．超低噪声前置放大器设计中的几个问题[J]．石油仪器，1997，11(3)：20-22，60-61．
[74]诸邦田．电子线路抗干扰技术手册[M]．北京：北京科学技术出版社，1988．
[75]北大路刚著：刘中慧译．抑制电子电路噪声的方法[M]．北京：人民邮电出版社，1980．
[76]袁真，李海．低噪声运放前置放大器的实用设计[J]．仪表技术，2000，(6)：20-22．
[77]郑宏军，黎昕，曹银杰，等．微弱电流信号检测原理与应用实例[J]．电视技术，2002，(9)：94-95，97．
[78]管建明．微弱电流信号的前置放大和分析[J]．电测与仪表，1994．(3)：38-39，33．
[79]李晓坤．精密光电检测电路设计方案[J]．电子产品世界，2003，(12)：37-39．
[80]Janos P. Makai, Jozsef J. Makai, Janos Balazs: noise characteristics of bootstrapped photovoltaic and photoconductive detectors, SPIE 3794.
[81]刘卫东，刘延冰，刘建国．检测微弱光信号的PIN光电检测电路的设计[J]．电测与仪表，1999，36(4)：28-30，27．
[82]刘彬，张秋婵．光电检测前置放大电路的设计[J]．燕山大学学报，2003，27(3)：194-196．
[83]Photodiode Monitoring with Op Amps, BB Application Bulletin in USA. January, 1998.
[84]Sut Y, Whalen J. Statistics for Demodulation RFT in Operational Amplifiers. IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility. August 23, 1983.
[85]光电二极管前置放大器设计[J]．世界电子元器件，2000，(12)：37-40．
[86]童诗白，华成英．模拟电子技术基础[M]．北京：高等教育出版社，2000．
[87]何金田，成连庆，李伟峰．传感器技术(上册)[M]．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2004．
