CN104457599A - 非接触式在线测量细丝直径的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非接触式在线测量细丝直径的装置，包括光具座，激光器，光栅架，摄像头，光屏，暗箱，计算机，所述的激光器、光栅架、摄像头以及光屏从左到右依次设置在所述的光具座上，光栅架上放置有细丝，光束穿过所述的细丝射向光屏，摄像头以及光屏被暗箱罩住，在所述的暗箱上留有激光束入口，摄像头对准所述的光屏用于采集光屏上的图像，摄像头与计算机相连接，将采集的图像送入计算机内。本发明的装置结构简单，使用方便，同时成本低廉，便于推广，通过本发明所采用的图像处理方法，能够实时监控细丝直径的变化，当细丝直径大于或者小于规定的范围时就会发出警报提醒工作人员，本发明能够较为精确的，非接触细丝，测量出细丝的直径。

Description

非接触式在线测量细丝直径的装置及方法

技术领域

本发明涉及测量技术领域，特别涉及一种非接触式在线测量细丝直径的装置及方法。

背景技术

在工业生产和科学实验中,经常碰到尺寸较小的细丝直径的测量问题.细丝直径测量的方法有许多,传统测量方法通常有两种:一种是静态测量,另一种是动态测量。静态测量的解决方案,往往采用传统的精密量具进行,这种方法虽然简单，但在实际应用中具有很大的局限性。在工业生产中经常需要测量某些细丝直径，比如:电缆行业对产品外径的检测；金属导线厂对铜丝直径的监测及纺纱厂对纱丝直径的控制等。这些细丝直径的测量不仅要求精度高，而且往往是不能接触被测样品。此时，动态非接触式细丝直径测量就显现出其优越性。

在细丝测量的方法上，除了直接测量外，单缝衍射法和双光束干涉法都是比较好的测量方法，本发明运用的是单缝衍射原理，着重对细丝衍射图像的处理进行研究，通过计算机对图像的处理能够得到实时的细丝的直径。

发明内容

本发明的目的是为解决上述问题，提供了一种非接触式在线测量细丝直径的装置及方法。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种非接触式在线测量细丝直径的装置，包括光具座，激光器，光栅架，摄像头，光屏，暗箱，计算机，所述的激光器、光栅架、摄像头以及光屏从左到右依次设置在所述的光具座上，其中激光器用于发射激光，光栅架上放置有细丝，所述的细丝竖直放置，并通过光栅架将其拉直，光束穿过所述的细丝射向光屏，所述的摄像头以及光屏被暗箱罩住，在所述的暗箱上留有激光束入口，摄像头对准所述的光屏用于采集光屏上的图像，摄像头与计算机相连接，将采集的图像送入计算机内。

本发明还公开了一种非接触式在线测量细丝直径的方法，包括如下步骤：

(1)、摄像头将光屏上的图像采集后送入计算机内；

(2)计算机matlab软件对细丝的衍射图像进行实时的读取；

(3)、利用Matlab读取这个图像建立相对应的m×n×3的三维数组；

(4)、将细丝衍射图像进行RGB矩阵化处理，选取颜色强度分量变化最多的一行即为衍射条纹所在行；

(5)、将衍射条纹所在行的像素的颜色分量值提取出，计算得到该像素的颜色强度M。

(6)、再将该行每一个像素的列标度和颜色强度组成一个新的二维数组，根据这个新的数组做出衍射条纹光强分布图；

(7)、取第一到第五级暗纹中心点对应的横坐标，通过逐差法处理，得到相邻暗纹中心点横坐标的差值，计算出拍摄图像中相邻暗条纹之间的距离。

(8)、通过确定摄像头的位置和焦距，确定一个比例系数h，用比例系数h来消除拍摄图像和实际呈像之间的误差。

(9)、在h值确定后，将拍摄图像中相邻暗条纹之间的距离和实际呈像中相邻暗条纹之间的距离进行转化，将转化后的距离代入公式中可以精确求解细丝直径。

作为本发明的一种改进，所述的K计算过程包括如下步骤：

(1)、取一根直径确定的细丝，假设细丝直径的真实值为S_真。

(2)、安装测量装置，固定摄像头的位置和焦距，测量真实值为S_真细丝的直径。

(3)、拍摄细丝的衍射图像，计算衍射图像中相邻暗条纹之间的距离，用衍射图像中相邻暗条纹之间的距离来计算细丝直径S_测，得到

有益效果：

本发明的装置结构简单，使用方便，同时成本低廉，便于推广，通过本发明所采用的图像处理方法，能够实时监控细丝直径的变化，当细丝直径大于或者小于规定的范围时就会发出警报提醒工作人员，本发明能够较为精确的，非接触细丝，测量出细丝的直径。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明细丝衍射原理图；

图3为RGB模式示意图；

图4为细丝衍射图像；

图5为细丝衍射图像中白色所在行的示意图；

图6为衍射条纹光强分布图；

图7为本发明的细丝直径检测算法流程图。

图中各部件为：

1光具座、2激光器、3光栅架、4细丝、5摄像头、6光屏、7暗箱。

具体实施方式

以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

如图1所示为本发明的硬件结构示意图，包括光具座1，激光器2，光栅架3，摄像头5，光屏6，暗箱7，计算机，所述的激光器2、光栅架3、摄像头5以及光屏6从左到右依次设置在所述的光具座1上。其中激光器2用于发射激光，光栅架3上放置有细丝4，所述的细丝4竖直放置，并通过光栅架3将其拉直，光束穿过所述的细丝4射向光屏6，所述的摄像头5以及光屏6被暗箱罩7住，在所述的暗箱7上留有激光束入口，摄像头5对准所述的光屏6用于采集光屏上的图像，摄像头5与计算机相连接，将采集的图像送入计算机内。

下面具体说明下本发明的原理及方法，本发明的非接触在线测量细丝直径运用的是单缝衍射的方法：

(1)单缝衍射原理

根据夫琅禾费衍射理论和巴比涅互补原理,当细光束照射在细丝上时,其衍射效应和狭缝一样。即直径为d的细丝产生的衍射图样与宽度为d的狭缝产生的衍射图样相同。如图2所示。产生暗条纹的条件是：

dsinθ＝kλ  k＝1,2,3,…   (1)

其中，λ为激光光源波长。由于

$\sin \mathrm{\θ}=\frac{x_k}{\sqrt{x_k^2+f^2}}---\left(2\right)$

则

$d=\frac{\mathrm{k\λ}}{x_k}\sqrt{x_k^2+f^2},k=\mathrm{1,2,3}...\left(3\right)$

即只需测出第k个暗条纹的位置x_k就可以计算出细丝的直径d。

本发明主要解决的是细丝衍射图像的处理的问题，通过计算机matlab软件对细丝的衍射图像进行实时的读取，处理，计算得到细丝的直径。

本发明的图像处理采用RGB模式：

国际照明委员会(CIE)规定700nm(红色Red)，546.1nm(绿色Green)，435.8nm(蓝色Blue)三个色光为三基色，又称为物理三基色(RGB)。RGB模式是基于自然界中3种基色光的混合原理，将红，绿和蓝3中基色按照从0(黑)到255(白色)的亮度值在每个色阶中分配，从而指定其色彩。当不同亮度的基色混合后，便会产生出256×256×256种颜色，约为1670万种。例如，一种明亮的红色可能R值为246，G值为20，B值为50。当3种基色的亮度值相等时，产生灰色；当3种亮度值都是255时，产生纯白色；而当所有亮度值都0时，产生纯黑色。如图3所示，可以利用三维图来展示RGB模式叠加成各种各样的色彩的情况。工业上称RGB模式为加色模式。所有的显示器，投影设备以及电视等许多设备都是依赖这种加色模式实现的。

RGB图像的处理：

对于一个由m×n个像素构成的彩色图像来说，利用Matlab读取这个图像可以建立相对应的m×n×3的三维数组。在这个数组中，前两维(m,n)表示像素位于图像中的位置，而第三维定义的是图像中每一个像素的红，绿，蓝颜色强度值。红，绿，蓝这三中颜色的强度都可以用一个0～255之间的数值表示。如某一个像素的三种颜色强度分量为(0，0，0)，则该像素显示为黑色；颜色强度分量为(255，255，255)的像素显示为白色。每一个像素的RGB强度分量都存储在数组的第三维元素中。如：像素(10，5)的RGB强度分量分别保存在数组RGB(10，5，1)，RGB(10，5，2)，RGB(10，5，3)中。将如图4所示的细丝衍射图像进行RGB矩阵化处理，选取颜色强度分量变化最多的一行即为衍射条纹所在行,即图5中白线所在的行。

数据处理—逐差法处理：

逐差法的优点在于可以充分利用实验中测量采集的数据，达到对数据取平均(即保持多次测量的优越性，减少偶然误差)的效果，而且还可以最大限度地保证不损失有效数字，减少相对误差。

将白线所在行的像素的颜色分量值提取出，根据下面公式计算得到该像素的颜色强度M。

$M=\sqrt{R^2+G^2+B^2}---\left(4\right)$

其中，R，G，B分别表示合成该像素的三基色强度分量。再将该行每一个像素的列标度和颜色强度组成一个新的二维数组，根据这个新的数组做出衍射条纹光强分布图，如图6所示。

根据衍射原理可知，相邻的暗条纹中心点相距为λ/d。对照图6，第一个谷值点是第一级暗纹的中心点，第二谷点是第二级暗纹中心点，我们取第一，二，三，四，五谷点对应的横坐标，通过逐差法处理，得到相邻谷点横坐标的差值。如果相邻谷值点的横坐标差值为5，即相邻谷值点相差5个像素。图4的像素值为96dpi(dpi是指每英寸像素点的个数)。这样就可以计算出光强分布图出相邻谷值点之间的距离，即拍摄图像中相邻暗条纹之间的距离。

我们知道拍摄的图像与实际呈像之间是存在误差的，拍摄的图像可能把实际的呈像放大或者缩小，所以不可以单纯的用拍摄图像中相邻谷值点之间的距离(拍摄图像中相邻暗条纹之间的距离)代替实际呈像中的相邻暗条纹之间的距离。我们用比例系数k来消除拍摄图像和实际呈像之间的误差。

在实验装置中，我们一旦确定了摄像头的位置和焦距，就可以确定一个比例系数h，在测量的过程中，只要摄像头的位置和焦距不变，比例系数h就不会发生变化。

比例系数k的计算过程如下：

①取一根直径确定的细丝，假设细丝直径的真实值为S_真。

②安装测量装置，固定摄像头的位置和焦距，测量真实值为S_真细丝的直径。

③拍摄细丝的衍射图像，计算衍射图像中相邻暗条纹之间的距离，用衍射图像中相邻暗条纹之间的距离来计算细丝直径S_测。得到

在h值确定后，我们就可以将拍摄图像中相邻暗条纹之间的距离和实际呈像中相邻暗条纹之间的距离进行转化，将转化后的距离代入公式(3)中可以精确求解细丝直径。细丝直径检测算法如7所示。

通过本发明所采用的图像处理方法，能够实时监控细丝直径的变化，当细丝直径大于或者小于我们规定的范围是，就会发出警报提醒工作人员。

本发明能够较为精确的，非接触细丝，测量出细丝的直径，表一是各种方法测量细丝直径结果比较：

从表中可以看出，三种方法测量出的细丝直径，本发明的测量的结果最精确，相对误差最小。同时，细丝直径越小，硅光电池方法和千分尺方法的相对误差将会越大，本发明相对硅光电池方法，千分尺方法更加精确。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

Claims (3)

1.一种非接触式在线测量细丝直径的装置，其特征在于：包括光具座，激光器，光栅架，摄像头，光屏，暗箱，计算机，所述的激光器、光栅架、摄像头以及光屏从左到右依次设置在所述的光具座上，其中激光器用于发射激光，光栅架上放置有细丝，所述的细丝竖直放置，并通过光栅架将其拉直，光束穿过所述的细丝射向光屏，所述的摄像头以及光屏被暗箱罩住，在所述的暗箱上留有激光束入口，摄像头对准所述的光屏用于采集光屏上的图像，摄像头与计算机相连接，将采集的图像送入计算机内。

2.一种非接触式在线测量细丝直径的方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)、摄像头将光屏上的图像采集后送入计算机内；

(2)计算机matlab软件对细丝的衍射图像进行实时的读取；

(3)、利用Matlab读取这个图像建立相对应的m×n×3的三维数组；

(4)、将细丝衍射图像进行RGB矩阵化处理，选取颜色强度分量变化最多的一行即为衍射条纹所在行；

(5)、将衍射条纹所在行的像素的颜色分量值提取出，计算得到该像素的颜色强度M；

(6)、再将该行每一个像素的列标度和颜色强度组成一个新的二维数组，根据这个新的数组做出衍射条纹光强分布图；

(7)、取第一到第五级暗纹中心点对应的横坐标，通过逐差法处理，得到相邻暗纹中心点横坐标的差值，计算出拍摄图像中相邻暗条纹之间的距离。

(8)、通过确定摄像头的位置和焦距，确定一个比例系数h，用比例系数h来消除拍摄图像和实际呈像之间的误差。

(9)、在h值确定后，将拍摄图像中相邻暗条纹之间的距离和实际呈像中相邻暗条纹之间的距离进行转化，将转化后的距离代入公式其中k＝1,2,3,…中可以精确求解细丝直径。

3.根据权利要求2所述的一种非接触式在线测量细丝直径的方法，其特征在于：所述的K计算过程包括如下步骤：

(1)、取一根直径确定的细丝，假设细丝直径的真实值为S_真；

(2)、安装测量装置，固定摄像头的位置和焦距，测量真实值为S_真细丝的直径；

(3)、拍摄细丝的衍射图像，计算衍射图像中相邻暗条纹之间的距离，用衍射图像中相邻暗条纹之间的距离来计算细丝直径S_测，得到