专利名称：微小圆孔尺寸及圆度同时测量的装置与方法
技术领域：
本发明公开ー种微小圆孔尺寸及圆度同时测量的装置与方法，按国际专利分类表(IPC)划分属于微小圆孔测量技术领域。
背景技术：
微小圆孔的尺寸(直径)和圆度是精密机械加工中非常关注的圆孔特征參数。现有微小圆孔的非接触测试装置或仪器，基于衍射法的，只能测试其尺寸，不能同时测量其圆度；基于显微投影法的，随着待测微小圆孔尺寸变�。队俺龅墓饪滓不岜湫。游⒖字型腹墓獗淙酰涑叽绾驮捕鹊臏y量精度会变低。中国文献CN 02137742. I涉及ー种微孔自动测量方法及装置，方法步骤是(XD摄像头将微孔通过显微镜放大后的图像输入计算机；用面积法对微孔图像进行滤波，找到最大象素数所对应的微孔；将微孔边界点坐标存入链表，计算得到微孔的中心点坐标，寻找0 180度方向上的孔径极大值，选取最大，最小值，得孔径平均值及圆度误差，然而， 该测量方法无法找到中心点，且所用的光源为普通光源，而微孔尺寸极小，仅靠摄像头拍摄微孔并放大图像很难精确测量出微孔尺寸。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了ー种微小圆孔尺寸及圆度同时测量的装置与方法，而且随着待测微小圆孔尺寸变小，其尺寸和圆度测量精度不会降低。为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的
ー种微小圆孔尺寸及圆度同时测量的装置，包括He-Ne激光器、被测圆孔及夹持器、带标志毛玻璃接收屏、信息采集装置、信息处理装置，
其中的He-Ne激光器、被测圆孔及夹持器、带标志毛玻璃接收屏及信息采集装置由ニ维可调装置承载并置于光学平台上，其中夹持待测微小圆孔的为精密ニ维可调整装置，通过调整保证它们的中心基本在一条直线上，被测圆孔及夹持器及带标志毛玻璃接收屏表面平行并与上述直线垂直，数据采集前通过精密调整和判断，使He-Ne激光器发出的高准直度激光通过待测微孔所产生的衍射光斑中心与玻璃接收屏标志的中心一致达到对准和准直要求。进ー步，所述的精密ニ维可调整装置为精密ニ维调整台，它是通过螺旋测微器来调整水平竖直方向，所述的信息采集装置为CCD面阵摄像机，信息处理装置为计算机及相配套软件。进ー步，所述的带标志玻璃接收屏为衍射图样的接收屏，其为正方形毛玻璃片，四周包裹并与精密ニ维调整装置相连，接收屏上标志有3. OmmX3. Omm的不透光“十”字叉，该标识位于接收屏的中心使激光通过衍射孔的衍射图样的中心与“十”字叉交点重合。进ー步，所述的被测圆孔直径的测试量程为0. 005mnT0. 5mm。ー种微小圆孔尺寸及圆度同时测量方法，包括如下步骤(1)测试エ序，反复调整He-Ne激光器、被测圆孔、带标志玻璃接收屏及信息采集装置，使所测微小圆孔衍射图样在衍射屏及信息处理机显示屏上第一暗环完整出现且对比度较好，开启He-Ne激光器，获得微小圆孔衍射的视屏图像；
(2)对衍射视屏图像进行灰度统计，找出图像灰度中值，以灰度中值为标准，对视屏图像作ニ值化处理，以(361，500)为旋转中心，在0° 180°内每隔15°旋转，求得衍射图样艾里 斑不同位置实际直径值(即第一暗环不同实际直径值)DO、D1、D2、D3、……、D10、D11 ；
(3 ) 把D 0、D I、 ……、D I 0、D I I带入衍射测量公式
d = ILAjD中，可分别求得微小圆孔在不同位置对应的直径值d0、dl、……、dl0、dll。则微小圆孔最大直径为ゴ丽=mas {d0,dl,......,tflCUill)
最小直径为ゴ_ = mm……WlOjl 1}
则微小圆孔的平均直径为ゴ哪=d+O/2
微小圆孔的圆度为(ゴ■-七)/2。步骤(2)中，对视屏图像作ニ值化处理，作一条连接像素值分别为(0，500)和(721，500)两点的直线，再做一条过(361，500)点且垂直前面连线的直线，分别求出它们与第一暗纹ニ值化后暗环的交点像素坐标，然后求得水平线的两个像素点中点为A (xl, 500)和B (x2，500)，垂直线ー个交点中点为C (361，yl)。运用三点确定ー个圆的理论，可求得此位置衍射图样艾里斑第一级暗纹的半径与直径的像素值，将该值再乘以每ー像素代表的实际尺寸就得到了衍射图样第一级暗环实际直径尺寸D0，以(361，500)为旋转中心，在0° 180°内甸隔
15°旋转上述两条直线并依据需要延长，按前面方法求它们与第一暗纹ニ值化后暗环交点的三个中点值，可分别求得对应位置衍射图样第一级暗环直径的像素值，将该值再乘以每ー像素代表的实际尺寸，就得到了衍射图样第一级暗环实际直径D1、D2、D3、……、D10、Dll。步骤(I)测试エ序中，在调整整个装置后，关闭He-Ne激光器得到显示屏上ー个像素所对应的实际物理尺寸，即定标工作。进ー步，通过ニ维精密调整CXD信息获取系统，目測信息处理装置显示屏上“十”字叉的形状吋，认为“一”线和“ I ”线大致相等吋，由信息处理装置上的软件读取“一”线和“ I ”线所对应的显示屏上的像素数，反复ニ维精密调整CXD信息获取系统，直至“一”线和“ I ”线所对应的显示屏上的像素数相等或只差ー个像素时，所述的帯“十”字叉的衍射屏已与CCD信息获取系统实现了对准和准直的要求。进ー步，计算机的信息处理软件编制时，会保证衍射视屏图像位于软件界面ー个大小恰当的正方形区域内，像素大小为721X721，由干“十”字叉的物理尺寸在刻划时已知为3. OmmX 3. Omm,当“一”线和“ | ”线所对应的显示屏上的像素数相等，像素数设为q，则显示屏上每一像素对应的尺寸大小为3000. 0/qy m ;当“一”线和“ I ”线所对应的显示屏上的像素数相差ー个时，设大像素数为q，那小像素数就为q_l，则显示屏上姆一像素对应的尺寸大小为(6000. 0q-3000. 0)/2q(q_l) U m，算出了ー个像素对应衍射屏所对应的实际尺寸，就完成了定标工作。
本发明装置测试基于激光夫朗和费衍射测量原理，在衍射场放置有特别标志的毛玻璃做为衍射图样接收屏，由面阵CCD采集接收屏上包含特别标志的衍射图样，经计算机上专门研制的软件完成定标和衍射图样信息获�。佣远迪治⑿≡部壮叽缂霸捕鹊耐辈饬�。依据衍射原理，衍射孔径越�。苌渫佳酱螅庥欣谔岣呒】拙断喙貐⑹�
量精度。
图I是本发明相关仪器立体示意图。图2是夫朗和费圆孔衍射图样，即在玻璃接收屏上的图样。图3是信息处理机显示屏上721X721大小区域内的将进行信息处理的衍射图样示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进ー步说明
实施例请參阅图1，ー种微小圆孔尺寸及圆度同时测量的装置，包括He-Ne激光器I、被测圆孔及夹持器2、带标志毛玻璃接收屏3、信息采集装置4、信息处理装置5，
其中的He-Ne激光器I、被测圆孔及夹持器2、带标志玻璃接收屏3及信息采集装置4由ニ维可调装置承载并置于光学平台上，其中夹持待测微小圆孔的为精密ニ维可调整装置，通过调整保证它们的光轴(或中心)基本在一条直线上，被测圆孔及夹持器及带标志玻璃接收屏表面平行并与上述直线垂直，数据采集前通过精密调整和判断，使He-Ne激光器发出的高准直度激光通过待测微孔所产生的衍射光斑中心，尽可能与毛玻璃接收屏标志的中心—致。本发明中的精密ニ维可调整装置为商用产品，它是通过螺旋测微器来调整XY方向或说水平竖直方向的位置，所述的信息采集装置为CCD面阵摄像机，信息处理装置为计算机及相配套软件。图2是夫朗和费圆孔衍射图样，即在本发明中的毛玻璃接收屏上的图样。图3是信息处理机显示屏上721X721大小区域内的将进行信息处理的衍射图样示意图，相互垂直的两条直线与圆孔衍射图样第一暗环相交，按照专利申请书的描述，可以求得第一暗环(艾里斑)不同位置的直径，进而求得衍射圆孔(測试圆孔)的不同位置直径，最終求得圆孔的平均直径和圆度。本发明的衍射图样的接收屏为正方形毛玻璃片(大小可根据测试范围及装置结构由衍射公式进行计算)，四周包裹与精密ニ维可调整装置相连，特别标志为3. OmmX 3. Omm的不透光“十”字叉，其刻划精度和垂直度要求较高，位置位于毛玻璃片的中心。测试装置调整时尽可能让He-Ne激光通过“十”字叉交点，调整测试圆孔位置，让激光通过衍射孔的衍 射图样的中心也大致与“十”字叉交点重合。利用带不透光“十”字叉毛玻璃作为衍射图像接收屏，通过显示屏所显示信息采集装置所获取图像中“十”字叉的形状和大�。瓤梢员Ｖぱ苌渫枷裥畔⒒袢」讨卸宰己妥贾钡囊螅治低扯ū晏峁┝朔椒�。本发明系统调整满足对准和准直的要求和定标测量的具体过程是这样的通过ニ维精密调整CCD信息获取系统，目測信息处理装置显示屏上“十”字叉的形状吋，认为“一”线和“ I ”线大致相等吋，由信息处理装置上的软件读取“一”线和“ I ”线所对应的显示屏上的像素数。反复ニ维精密调整CXD信息获取系统，直至“一”线和“ I ”线所对应的显示屏上的像素数相等或只差ー个像素时，此时可认为帯“十”字叉的衍射屏已与CCD信息获取系统实现了对准和准直的要求。信息处理软件编制时，会保证衍射视屏图像位于软件界面ー个大小恰当的正方形区域内(像素大小为721X721)，由干“十”字叉的物理尺寸在刻划时已知为3. OmmX 3. Omm,当“一”线和“ | ”线所对应的显示屏上的像素数相等，姑且像素数设为q，则显示屏上每一像素对应的尺寸大小为3000. 0/qym ;当“一”线和“ | ”线所对应的显示屏上的像素数相差ー个时，姑且设大像素数为q，那小像素数就为q_l，则显示屏上姆一像素对应的物理尺寸大小为(6000. 0q-3000. 0)/2q(q_l) U m。算出了ー个像素对应衍射屏所对应的实际尺寸，完成了定标工作，就可測量所测微小圆孔衍射图样艾里斑第一暗环的尺寸了，最終可测出微小圆孔的尺寸和圆度。由于衍射測量系统具有10(T300的放大倍数，信息采集光学系统具有具有5 10倍左右的放大作用，因此这套自动测量尺寸和圆度系统的精度是比较高的。具体测量步骤归纳如下
⑴测试装置工作，反复调整整个测试装置，通过辅助手段和目视判断实现测试所需的对准和准直的要求，让所测微小圆孔衍射图样在衍射屏上及信息处理机显示屏上的大小适中(第一暗环完整出现)，对比度较好。关掉He-Ne激光器，由“十”字叉在显示器屏幕上的大�。扇砑鱿允酒辽弦桓鱿袼厮杂Φ奈锢沓叽�。开启He-Ne激光器，获得微小圆孔衍射的视屏图像。⑵对衍射视屏图像进行灰度统计，找出图像灰度中值，以灰度中值为标准，对视屏图像作ニ值化处理。做一条连接像素值分别为(0，500)和(721，500)两点的直线，再做一条过(361，500)点且垂直前面连线的直线，分别求出它们与第一暗纹ニ值化后暗环的交点像素坐标(应有8个点，只求6个点就够了)。然后求得水平线的两个像素点中点为A(xl，500)和B (x2，500)，垂直线ー个交点中点为C (361，yl)。运用三点确定ー个圆的理论，可求得此位置衍射斑第一级暗纹的半径与直径的像素值，将该值再乘以每ー像素代表的实际尺寸就得到了衍射斑第一级暗环实际直径尺寸D0。以(361，500)为旋转中心，在0° 180°内每隔15°旋转上述两条直线并依据需要延长，按前面方法求它们与第一暗纹ニ值化后暗环交点的三个中点值，可分别求得对应位置衍射斑第一级暗纹直径的像素值，将该值再乘以每ー像素代表的实际尺寸，就得到了衍射斑第一级暗环实际直径D1、D2、D3、……、D10、D11(对应旋转165° )。(为了提高测量精度，还可按灰度中值+5、灰度中值-5为标准，对视屏图像作ニ值化处理。再上述方法获得衍射斑第一级暗纹的实际直径，最后取对应位置三个位置实际直径值的平均值作为该位置的衍射斑第一级暗纹的实际直径。)
⑶把D0、D1、……、D10、D11带入衍射测量公式=中，可分别求得微
小圆孔在不同位置对应的直径值d0、dl、……、dl0、dll。则微小圆孔最大直径为
d 画=max
最小直径为ゴ= mm {^0,^1,......,^10,^11}
则微小圆孔的平均直径为ゴm =微小圆孔的圆度为(<^-4^)/2
本发明通过研制带特别标志毛玻璃衍射图样接收屏和与之配套使用的专用信息处理软件，使得微小圆孔的尺寸和圆度參数可在一套测试装置上同时测试获得，这既减少了测试时间，又降低了测试成本，从而提高生产效益。装置测试量程(微小圆孔直径)为0. 005mnT0. 5mm。为了保证测量精度，整个装置1、2、3、4部分由ニ维可调装置承载并置于光学平台上，其中夹持待测微小圆孔的为精密ニ维可调整装置，通过调整保证它们的光轴(或中心)基本在一条直线上，2、3表面平行并与这条直线垂直；数据采集前通过精密调整和判断，使He-Ne激光器发出的高准直度激光通过待测微孔所产生的衍射光斑中心，尽可能与毛玻璃接收屏标志的中心一致。以上所记载，仅为利用本创作技术内容的实施例，任何熟悉本项技艺者运用本创 作所做的修饰、变化，皆属本创作主张的专利范围，而不限于实施例所掲示者。
权利要求
1.ー种微小圆孔尺寸及圆度同时测量的装置，其特征在于包括He-Ne激光器、被测圆孔及夹持器、带标志玻璃接收屏、信息采集装置、信息处理装置， 其中的He-Ne激光器、被测圆孔及夹持器、带标志玻璃接收屏及信息采集装置由ニ维可调装置承载并置于光学平台上，其中夹持待测微小圆孔的为精密ニ维可调整装置，通过调整保证它们的中心基本在一条直线上，被测圆孔及夹持器及带标志玻璃接收屏表面平行并与上述直线垂直，数据采集前通过精密调整和判断，使He-Ne激光器发出的高准直度激光通过待测微孔所产生的衍射光斑中心与玻璃接收屏标志的中心一致达到对准和准直要求。
2.根据权利要求I微小圆孔尺寸及圆度同时测量的装置，其特征在于所述的所述的精密ニ维可调整装置为精密ニ维调整台，它是通过螺旋测微器来调整水平竖直方向，所述的信息采集装置为CCD面阵摄像机，信息处理装置为计算机及相配套软件。
3.根据权利要求I微小圆孔尺寸及圆度同时测量的装置，其特征在于所述的带标志玻璃接收屏为衍射图样的接收屏，其为正方形毛玻璃片，四周包裹并与精密ニ维调整装置相连，接收屏上标志有3. OmmX3. Omm的不透光“十”字叉，该标识位于接收屏的中心使激光通过衍射孔的衍射图样的中心与“十”字叉交点重合。
4.根据权利要求I微小圆孔尺寸及圆度同时测量的装置，其特征在于所述的被测圆孔直径的测试量程为0. 005mnT0. 5mm。
5.ー种微小圆孔尺寸及圆度同时测量方法，包括如下步骤 (1)测试エ序，反复调整He-Ne激光器、被测圆孔、带标志玻璃接收屏及信息采集装置，使所测微小圆孔衍射图样在衍射屏及信息处理机显示屏上第一暗环完整出现且对比度较好，开启He-Ne激光器，获得微小圆孔衍射的视屏图像； (2)计算机的信息处理软件对衍射视屏图像进行灰度统计，找出图像灰度中值，以灰度中值为标准，对视屏图像作ニ值化处理，以(361，500)为旋转中心，在0° 180°内每隔15。旋转，求得衍射斑第一级暗纹实际直径D0、D1、D2、D3、……、D10、D11; (3 ) 把D 0、D I、 ……、D I 0、D I I带入衍射测量公式d = ILljD中，可分别求得微小圆孔在不同位置对应的直径值d0、dl、……、dlO、dll, 则微小圆孔最大直径为^^……メ10,ぬ1} 最小直径为ゴMirl......メ 则微小圆孔的平均直径为^^ = -^Min)/2 微小圆孔的圆度为:(K)n。
6.根据权利要求5微小圆孔尺寸及圆度同时测量方法，其特征在于步骤(2)中，对视屏图像作ニ值化处理，作一条连接像素值分别为(0，500)和(721，500)两点的直线，再做一条过(361，500)点且垂直前面连线的直线，分别求出它们与第一暗纹ニ值化后暗环的交点像素坐标，然后求得水平线的两个像素点中点为A (xl，500)和B (x2，500)，垂直线ー个交点中点为C (361，yl)，运用三点确定ー个圆的理论，可求得此位置衍射斑第一级暗纹的半径与直径的像素值，将该值再乘以每ー像素代表的实际尺寸就得到了衍射斑第一级暗纹实际直径尺寸D0，以(361，500)为旋转中心，在0° 180°内每隔15°旋转上述两条直线并依据需要延长，按前面方法求它们与第一暗纹ニ值化后暗环交点的三个中点值，可分别求得对应位置衍射斑第一级暗纹直径的像素值，将该值再乘以每ー像素代表的实际尺寸，就得到了衍射斑第一级暗纹实际直径Dl、D2、D3、……、DIO、DlI。
7.根据权利要求5微小圆孔尺寸及圆度同时测量方法，其特征在于步骤(I)测试エ序中，在调整整个装置后， 关闭He-Ne激光器得到显示屏上一个像素所对应的实际物理尺寸，即定标工作。
8.根据权利要求5微小圆孔尺寸及圆度同时测量方法 ，其特征在于所述的信息采集装置为CCD信息获取系统，通过ニ维精密调整CCD信息获取系统，目測信息处理装置显示屏上“十”字叉的形状吋，认为“一”线和“ I ”线大致相等吋，由信息处理装置上的软件读取“一”线和“ I ”线所对应的显示屏上的像素数，反复ニ维精密调整CXD信息获取系统，直至“一”线和“ I ”线所对应的显示屏上的像素数相等或只差ー个像素时，所述的帯“十”字叉的衍射屏已与CCD信息获取系统实现了对准和准直的要求。
9.根据权利要求5微小圆孔尺寸及圆度同时测量方法，其特征在于计算机的信息处理软件编制时，保证衍射视屏图像位于软件界面ー个大小恰当的正方形区域内，像素大小为721X721，由于“十”字叉的物理尺寸在刻划时已知为3. OmmX 3. 0謹，当“一”线和“ | ”线所对应的显示屏上的像素数相等，像素数设为q，则显示屏上每一像素对应的尺寸大小为.3000. 0/qum ;当“一”线和“ | ”线所对应的显示屏上的像素数相差ー个时，设大像素数为q，那小像素数就为q_l，则显示屏上每一像素对应的尺寸大小为(6000. 0q-3000. 0) /2q(q-l)U m，算出了ー个像素对应衍射屏所对应的实际尺寸，从而完成定标工作。
全文摘要
本发明公开一种微小圆孔尺寸及圆度同时测量的装置与方法，包括He-Ne激光器、被测圆孔及夹持器、带标志毛玻璃接收屏、信息采集装置、信息处理装置，本发明装置测试基于激光夫朗和费衍射测量原理，在衍射场放置有特别标志的毛玻璃做为衍射图样接收屏，由面阵CCD采集接收屏上包含特别标志的衍射图样，经计算机上专门研制的软件完成定标和衍射图样信息获�。佣远迪治⑿≡部壮叽缂霸捕鹊耐辈饬浚爸貌馐粤砍�(微小圆孔直径)为0.005mm~0.5mm。
文档编号G01B11/08GK102645171SQ20121014764
公开日2012年8月22日 申请日期2012年5月14日 优先权日2012年5月14日
发明者徐代升, 朱文章, 林洪沂, 甘亮勤 申请人:厦门理工学院
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