衍射法测量细丝直径
应用激光衍射法测量纺织品细丝直径
应用激光衍射法测量纺织品细丝直径1. 引言1.1 激光衍射法的基本原理激光衍射法是一种利用激光光束经过细丝时发生衍射现象来测量细丝直径的方法。
其基本原理是将激光光束照射到纺织品细丝上，细丝会散射出具有特定频率和方向的光线。
这些衍射光线经过适当的光学系统，形成明暗交替的衍射斑图。
通过测量这些衍射斑的特性，如斑点之间的距离和角度，可以计算出细丝的直径。
激光衍射法利用了激光光束的高强度和单色性，使其在经过细丝后产生清晰的衍射斑图，从而能够准确测量细丝直径。
与传统的光学显微镜方法相比，激光衍射法具有更高的测量精度和测量范围，能够适用于不同类型和直径范围的纺织品细丝。
激光衍射法通过利用激光的特性和衍射现象，实现了对纺织品细丝直径的精确测量，为纺织品生产和质量控制提供了重要的技术支持。
1.2 纺织品细丝直径的重要性纺织品细丝直径是纺织品品质的重要指标之一。
纺织品细丝直径的大小直接影响着纺织品的质地、手感、透气性和耐磨性等性能。
纺织品细丝直径的精确测量对于调整纺纱工艺、改进纺织品产品质量具有重要意义。
纺织品细丝直径决定了纺织品的织物密度及表面光泽度。
纤维直径较细的纺织品更加柔软细腻，而直径较粗的纺织品则具有较强的耐磨性和结实度。
通过准确测量纤维直径，可以有针对性地调整纺纱工艺参数，生产出更符合市场需求的纺织品产品。
纺织品细丝直径对纺织品的透气性和吸湿性也有影响。
细丝直径较细的纺织品透气性好，吸湿快，适合夏季穿着；而较粗的纺织品则保暖效果更好，适合冬季穿着。
通过准确测量纤维直径，可以根据不同季节和用途要求生产出功能性更强的纺织品产品。
纺织品细丝直径的重要性不言而喻。
精确测量纤维直径将有助于提高纺织品的品质，满足消费者多样化的需求，推动纺织品行业的发展。
研究和应用激光衍射法测量纺织品细丝直径具有重要意义，值得进一步探索和推广。
2. 正文2.1 激光衍射法在纺织品细丝直径测量中的应用激光衍射法在纺织品细丝直径测量中的应用是一种非常有效的技术方法。
应用激光衍射法测量纺织品细丝直径
应用激光衍射法测量纺织品细丝直径
激光衍射法是一种常用的测量纺织品细丝直径的方法。
它利用激光光束通过细丝时发生的衍射现象，来间接测量细丝的直径。
具体实验步骤如下：
将待测细丝样品固定在一支支架上，使其与激光光束垂直交叉。
然后，打开激光器，发出一束单色、单频、平行度高的激光光束，照射在细丝上。
在细丝的另一侧，设置一个屏幕或光电二极管接收器，用来接收经过细丝的衍射光。
根据衍射光的强度分布，可以得到一组明暗相间的干涉环，也称为衍射图样。
接下来，利用显微镜或视频系统观察衍射图样，使用适当的图像分析软件，测量衍射图样中暗纹的间距或强度，进而计算出细丝的直径。
测量完成后，可以多次测量取平均值，提高测量的准确性。
激光衍射法测量纺织品细丝直径的优点是非接触性测量，对细丝的损伤很小；测量结果准确可靠。
也存在一些限制，例如细丝的直径必须小于激光波长，而且细丝必须足够均匀。
细丝直径高精度衍射测量的研究
图3 n ij=100、α=01001时光电信号波形器输出波形的影响,并提出了一种有效的数据处理方法。
在实际工作中,用数据采集卡采集作匀变速运动的编码器光电信号,算出编码器作匀变速运动的角速度及角加速度,运用等间隔数据还原法,得到真实的信号波形参数,即可求解出编码器动态细分误差。
参考文献[1]张善钟等.计量光栅技术[M].机械工业出版社,1985.184-232[2]李红军,吴凡等,计量光栅信号质量综合评价系统[J].光电工程,2002(8):35-38[3]梁普选等.新编Visual Basic程序设计教程[M].北京:电子工业出版社,2002.细丝直径高精度衍射测量的研究张凤生张立保(青岛大学机电工程学院,青岛266071)摘 要 利用线阵CCD的空间细分作用测量细丝衍射的暗纹间距S,从而实现细丝直径的高精度测量。
本文采用的加权数据处理方法不仅有效地减小了CCD的光响应非均匀性和衍射光强分布的随机波动对测量准确度的影响,而且可以有效减小因S不等于CCD像元中心距的整数倍所引起的细分误差。
文中还分析了由物镜焦距变化所引起的系统误差对测量的影响。
对一级量针的测量实验表明其测量准确度达±015%。
关键词 细丝直径;衍射测量;CCD0引言细丝直径(一般在10～500μm)的高精度测量在电子、仪器仪表、轻纺等工业领域有重要应用,如漆包线、光学纤维和化学纤维测量等。
目前,用于细丝直径非接触测量方法主要有光学成像法[1]、激光扫描法[2]和衍射测量法[3-4]。
光学成像法和激光扫描法由于受细丝衍射效应的影响,测量误差较大。
衍射测量法则是利用被测细丝的衍射效应来实现高精度测量,其测量关键在于高精度测定衍射图样的暗纹间距。
本文选用CCD[5]测量暗纹间距是因为CCD的像元尺寸很小,几何精度极高,可实现对暗纹间距的高分辨力测量。
此外,CCD 抗干扰能力很强,易于与计算机结合进行信号处理,构成应用于工业环境的实时自动测量系统。
大学物理实验丨利用单丝衍射测量细丝直径
大学物理实验报告利用单丝衍射测量细丝直径一、实验目的：1.观察单丝夫琅和费衍射现象。
2.利用简单工具，测量细丝直径。
二、实验原理：波在传输过程中其波振面受到阻碍时，会绕过障碍物进入几何阴影区，并在接收屏上出现强度分布不均匀的现象，这就是波的衍射。
机械波、电磁波等波动都会产生衍射，而光的衍射能更直观地观察到。
对光的衍射现象进行研究，有助于我们深入理解光的波动性与传播特征，还有助于我们进一步学习近代各种光学实验技术，如光谱分析、光信息处理、晶体结构分析等等。
1.夫朗和费衍射衍射通常分为两类：一类是菲涅耳衍射，其条件为光源与衍射屏、衍射屏与接收屏的距离为有限远；另一类是夫琅和费衍射，其条件为光源到衍射屏、衍射屏到接收屏的距离均为无限远，或者说入射光和衍射光都是平行光。
夫琅和费衍射计算结果的过程很简单，所以一般实验中多采用夫琅和费衍射。
如果使用激光器作为光源（如普通的激光笔），其发射的光可以近似认为是平行光；一般衍射物是0.1mm的数量级，如果衍射屏与接收屏的距离大于1m,则衍射光大致上是平行光，这样就基本上满足了夫琅和费衍射的条件。
2.单缝衍射如图1所示，根据惠更斯一菲涅尔原理，狭缝上各点可以看成是新的波源，由这些点向各方发出球面次波，这些次波在接收屏上叠加形成一组明暗相间的条纹，按惠更斯一菲涅尔口°m迎日产原理，可以导出屏上任一点P。
处的光强为（图2）：上，式中。
为狭缝宽度，入为入射光波长，e为衍射角，/。
称为主极强，它对应于P0处的光强。
从曲线上可以看出：（1）当e=0时，光强有最大值10,称为主极强，大部分能量落在主极强上。
（2）当sin e=k〃a（k=±1,±2,……）时，I e=0,出现暗条纹。
因9角很小，可以近似认为暗条纹在e=k刀a的位置上。
还可看到主极强两侧暗纹之间的角距离是A e=2〃a,而其他相邻暗纹之间的角距离均相等（均为A e=川a）。
（3）两相邻暗纹之间都有一个次极强。
3.6光学衍射法测定细丝直径
sinθ
图二
使用氦氖激光进行上述实验时，鉴于氦氖激光束具有良好的方向性，光束细锐，能量集
中，加之一般衍射狭缝宽度 a 很小，故准直透镜 L1 可省略不用。如果将观察屏放置在距离 狭缝较远处，即 D 远大于 a ，则聚焦透镜 L2 亦可省略。
根据巴比涅原理,一个细丝的衍射光场与一个宽度相等的单缝衍射光场是互补的,即它 们光场的位相相差是 180°,从而光强分布相同,衍射条纹是明暗相同的,条纹宽度是一致的. 故可用测量单缝宽度的方法和计算公式来计算单丝的直径。 四、实验内容和方法
些点,互补屏产生完全相同的光强分布. 2 单缝夫琅和费衍射光强分布规律 在讨论单丝衍射之前先来讨论夫琅和费单缝衍射
夫琅和费单缝衍射要求光源和观察屏离缝都是无限远，如图 1 装置能实现这一要求。
L1
A
L2
S f1
a
φ
O
B
Xk
Pφ
图一
L
P
图中将单色光源置于透镜 L1 的前焦平面上，光束经 L1 后变成平行光，垂直照射于宽度为 a 的狭缝 AB 上，根据惠更斯-菲涅尔原理，狭缝上各点可以看成是新的波源，由这些点向各方 向发出球面次波，这些次波经透镜 L2 后，在其后焦平面的观察屏上，可看到一组明暗相间，
E 0 ( p) E 1( p) E 2 ( p)
由此得到两个有用的结论:
(1) 若 E 1( p) 0 ,则 E 2 ( p) E 0 ( p) .即放上其中一个屏时强度为零的那些点,在换上
基于CCD衍射法测量细丝直径
基于CCD衍射法测量细丝直径作者：王皓樊明贞来源：《科学导报·学术》2019年第32期摘要：激光干涉计量技术可以直接测量细丝直径，方便快捷，而且相当精准，在工业生产领域应用非常广泛。
本系统使用He-Ne激光器产生的激光束，垂直照射待测细丝，发生衍射现象，进而发生衍射条纹。
然后使用线阵CCD将衍射条纹转换成电信号，经A/D转换将数据送入计算机将衍射条纹的光强分布进一步进行了分析，最终达到实验目的，再根据有关衍射公式算出细丝直径。
本文主要介绍光路设计、信号处理及软件设计。
关键词：线阵CCD直径测量;衍射法;细丝直径1.前言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：一种是细丝称重法，即称出一定长度的细丝的重量后，把细丝看成为均匀细长的圆柱体，然后根据材料的密度计算出细丝的直径;另一种方法是用游标卡尺或螺旋测微器手工测量。
以上两种方法浪费较多的人力物力，而且测量的不一定准确，更无法满足现代工业制造技术对零部件的高精度，准确性的要求。
近年来，伴随着光学技术的进步与电子技术的迅速发展，在生产生活等领域中广泛使用着大量光电器件。
其中，CCD由于具有光电转换的能力，并且使用方便快捷，而且相当精准等优点，被较多的使用在非接触式直径测量领域。
相比接触式的直径测量方式，非接触直径测量具有测试速度快，精度高，对环境要求低等特点，因此在生产生活中被广泛使用。
通过对线阵CCD特性及工作原理的分析，本文对基于线阵CCD的非接触直径测量系统进行了研究，并结合本课题的特点（测量细丝直径），设计了一种基于线阵CCD非接触直径测量系统。
D衍射法测量原理与装置2.1 测量原理2.2 测量装置在以上测量原理的基础上，依照测量原理设计测量装置，进而实验测算。
本设计使用Arduino为控制中心元件，传感器为线性CCD-TSL1401CL模块，线性CCD-TSL1401CL会根据接收屏上得到同样的明暗相间的条纹而输出不同频率的方波;进而将此方波输入至Arduino，通过方波数据即可得出暗纹间距S，然后根据其他几个必要的参数根据测量原理公式，最终得到直径d。
衍射法测量细丝直径的研究
衍射法测量细丝直径的研究
衍射法是一种精密测量物体尺寸的方法，也可用于测量细丝直径。
该方法的原理是利用高能光线通过细丝时发生的衍射现象，来计算出细丝的直径。
实验时，需要将细丝置于光源和光屏之间，通过调整光源和光屏的位置，找到最佳的衍射条件。
然后测量出两个相邻衍射条纹之间的距离，用此距离和已知参数计算出细丝直径。
衍射法测量细丝直径的优点是精度高、非破坏性，对细丝的材料和形状没有限制。
但是也存在一些限制，比如光线的干扰和偏差会影响测量结果，需要进行光线矫正和精确测量。
总之，衍射法是一种可靠的测量细丝直径的方法，具有广泛的应用前景和研究价值。
3.6光学衍射法测定细丝直径
些点,互补屏产生完全相同的光强分布. 2 单缝夫琅和费衍射光强分布规律 在讨论单丝衍射之前先来讨论夫琅和费单缝衍射
夫琅和费单缝衍射要求光源和观察屏离缝都是无限远，如图 1 装置能实现这一要求。
L1
A
L2
S f1
a
φ
O
B
Xk
Pφ
图一
L
P
图中将单色光源置于透镜 L1 的前焦平面上，光束经 L1 后变成平行光，垂直照射于宽度为 a 的狭缝 AB 上，根据惠更斯-菲涅尔原理，狭缝上各点可以看成是新的波源，由这些点向各方 向发出球面次波，这些次波经透镜 L2 后，在其后焦平面的观察屏上，可看到一组明暗相间，
3.6 光学衍射法测定细丝直径
测量诸如金属细丝直径这样的细度，可以使用游标卡尺、螺旋测微计等较精密的机械工 具，也可以使用读数显微镜、工具显微镜、阿贝比长仪等精密光学仪器，还可以利用光的干 涉或衍射原理，借助光学仪器，对微小细度进行测量。利用光的干涉与衍射原理对微小细度 进行测量，其方法简单，直观性强，测量结果精度高，在高精度测量中更显示出其独特的作 用。 一、实验目的 1. 学会用衍射法测量微小尺寸. 2. 加深对光的衍射理论的理解. 二、实验仪器 He-Ne 激光器、读数显微镜、可调狭缝、待测金属细丝、光屏、透镜、卷尺、探头、光电流 放大器。 三、实验原理 1 根据巴比涅原理:两个互补屏在衍射场中某点单独产生的复振幅之和等于光波自由传播时 该点的复振幅.（本实验中即细丝直径与单缝宽度一样时，成为一对互补屏，产生相同的光 强分布） 即
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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。
设细丝的宽度AB=a ，细丝到接收屏之间的距离是L ，衍射角为Ф的光线会聚到屏上P 点，并设P 点到中央明纹中心的距离X K 。
由图9-1可知，从A 、B 出射
的光线到P 点的光程差为： Φ=sin a BC （9-1）
式中，Ф为光轴与衍射光线之间的夹角，叫衍射角。
如果子波在P 点引起的光振动完全相互抵消，光程差是半波长的偶数倍，在P 点处将出现暗纹。
所以，暗纹形成的条件是：
2
2sin λ
K
a =Φ K=±1，±2…… （9-2）
在两个第一级（K=±1）暗纹之间的区域（-λ＜Φsin a ＜λ）为中央明纹。
由（9-2）式可以看出，当光波长的波长一定时，细丝直径a 愈小，衍射角Ф愈大，在屏上相邻条纹的间隔也愈大，衍射效果愈显著。
反之，a 愈大，各级条纹衍射角Ф愈小，条纹向中央明纹靠拢。
a 无限大，衍射现象消失。
3. 细丝衍射的光强分布
根据惠更斯—菲涅耳原理可以推出，当入射光波长为λ，细丝直径为a 时，
单缝夫琅和费衍射的光强分布为： λ
πΦ
=sin a u
（9-3）
式中I O 为中央明纹中心处的光强度，u 为细丝边缘光线与中心光线的相位差。
根据上面的光强公式，可得细丝衍射的特征如下： (1) 中央明纹，在Ф=0处，u=0 ，
1sin 2
2=u
u ，I=I O ，对应最大光强，称为
中央主极大，中央明纹宽度由k=1±的两个暗条纹的衍射角所确定，即中央亮条
纹的角宽度为a
λ
2=∆Φ。
(2) 暗纹，当u=±k π，k=1，2，3……即：πλπk a ±=Φ/sin 或λk a ±=Φsin 时有：Ｉ＝０。
且任何两相邻暗条纹间的衍射角的差值a
λ
±=∆Φ，即暗条纹是
以P 0点为中心等间隔左右对称分布的。
图9-1 细丝衍射示意图
(3) 次级明纹，在两相邻暗纹间存在次级明纹。
它们的宽度是中央亮条纹宽度的一半。
这些亮条纹的光强最大值称为次极大。
其角位置依次是
a λ
43
.
1±=Φ，a λ
46
.2±=Φ，a
λ
47
.3±=Φ，…… （9-4）
把上述的值代入光强公式（9-3）中，可求得各级次明纹中心的强度为
0047.0I I =，0016.0I I =，0008.0I I =，…… （9-5）
从上面特征可以看出，各级明纹的光强随着级次K 的增大而迅速减小，而暗纹的光强亦
分布其间，细丝衍射图样的相对光强分布如图9-2所示。
当
时出现暗纹，设第k 级暗纹离光轴的距离为，
则有：
式中：S 为衍射暗条纹间距，L 为
细丝到观察屏的距离，λ为波长。
三、实验仪器
仪器名称 型号 主要参数 用途
750接口
CI7650
阻抗1 M Ω。
最
大的有效输入电压连接计算机和光传感器，使
光传感器测得的数据输入计算
图9-2 细丝衍射相对光强分布曲线
范围±10 V 机
计算机和
DataStudio
CI6874 ——处理光传感器测得的数据
光传感器CI650-4
A
测量光强，波长为650nm
小型激光器OS8514 发出激光
转动传感器CI-6538
测量角速度、角加速度和角
位移，也可测量速度、加速度和
位移
小孔屏
四、实验步骤
1、连接好装置，打开灯源；启动计算机和DataStudio软件并调节好相应参数
2、调节好装置，使激光通过装置发生衍射，并在光传感器上得到衍射图纹。
3、调节转动传感器，测量不懂级明纹的光强，在计算机上得到相应数据
三、数据记录及数据处理
L=86cm
光强，通道A 对位置，通道1和2，运行#4
位置，通道1和2 (m) 光强，通道A (%最大值)
0.029 25.782 0.031 69.045 这是一种人造纤维的衍射数据
0.030 22.950 0.031 73.928
0.030 22.462 0.031 73.733
0.030 25.880 0.031 73.733
0.030 32.130 0.031 75.881
0.030 35.548 0.032 71.194
0.030 43.361 0.032 62.697
0.031 49.220 0.032 56.642
0.031 58.303 0.032 51.662
0.031 66.213 0.032 45.314
0.032 41.115
0.032 41.798
0.032 43.068
0.032 43.068
光强，通道A 对位置，通道1和2，运行#1
位置，通道1和2 (m) 光强，通道A (%最大值)
0.041 12.696 0.043 19.141 0.044 50.295 0.046 49.220 0.041 11.914 0.043 19.532 0.044 49.318 0.046 51.076 0.041 11.817 0.043 20.118 0.044 48.341 0.046 56.349。