[發(fā)明專利]一種測量透明球形空腔容器厚度的方法

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• 申請日: 2015-06-26
• 公開（公告）號: CN104964650A
• 公開（公告）日: 2015-10-07
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王曉雷;李宏勛;朱博文
• 申請（專利權(quán)）人: 南開大學(xué)
• 主分類號: G01B11/06
• 分類號: G01B11/06
• 代理公司: 天津佳盟知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 12002
• 代理人: 劉書元

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光學(xué)測量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種利用光場干涉對透明球形空腔容器厚度實現(xiàn)非接觸式無損測量的方法。

背景技術(shù)

目前，生活及工業(yè)中主要的測厚方法有直接測量法、霍爾效應(yīng)測厚法、超聲波測厚法、相位法等。

直接測量法就是利用直尺、游標卡尺、測量顯微鏡、螺旋測微器等直接對物體的厚度進行測量。一般適用于厚度在幾十微米量級以上且表面平整的非封閉型物體。

霍爾效應(yīng)測厚儀主要利用鋼珠和探頭進行厚度測量，將鋼珠置于物體一側(cè)，用探頭在物體另一側(cè)進行測量。當鋼珠距離探頭距離最近時，即鋼柱置于尖端中央時，磁場強度最大，通過霍爾效應(yīng)傳感器對探頭尖端到鋼珠的距離進行測量。該能夠?qū)崟r顯示物體厚度的變化。

超聲波測厚一般分為兩種情況：第一種情況是利用超聲波脈沖測厚。主要原理是通過測量超聲波脈沖在介質(zhì)兩表面反射的時間差，即通過測量超聲波脈沖在介質(zhì)中往返一次的時間，進而求得介質(zhì)厚度；第二種情況是超聲波諧振式測厚。超聲波通過介質(zhì)時，將在介質(zhì)的兩個表面發(fā)生反射并產(chǎn)生相位差。由于相位差的存在會導(dǎo)致回波干涉現(xiàn)象，因此通過分析超聲波回波干涉信號，就能夠得到介質(zhì)的厚度。

相位法測厚就是利用物體兩個表面反射光波的相位差對厚度進行測量。當一束光垂直于物體表面入射時，假設(shè)物體在測量位置前后兩表面平行，那么兩?表面反射光波的相位差就是光束經(jīng)過物體內(nèi)部往返一次的光程差。對光束的頻率進行調(diào)制，并通過一臺測相儀對其相位差進行測量，就可以求得物體的厚度。

但是，直接測量法測量局限性比較大，并且不夠精確。霍爾效應(yīng)測厚儀不適用于封閉型的球形空腔容器。超聲波測厚需要添加額外裝置和輔助型液體等。相位法涉及到調(diào)頻技術(shù)，不容易實現(xiàn)。

與上述幾種方法相比，本方法既能實現(xiàn)透明球形空腔容器厚度的非接觸式無損測量，又不需要其他輔助裝置，具有結(jié)構(gòu)簡單、便于操作的優(yōu)點。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為了彌補現(xiàn)有測厚技術(shù)的不足，提供一種基于干涉原理的透明球形空腔容器厚度的測量方法。本發(fā)明是根據(jù)光波的干涉原理，利用透明球形空腔容器內(nèi)、外表面反射光的相干疊加產(chǎn)生干涉圖案，并通過理論計算得出反射光的條紋圖案和透明球形空腔容器厚度之間的關(guān)系式，從而確定透明球形空腔容器厚度。為了達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種測量透明球形空腔容器厚度的方法，包括由氦氖激光器、擴束系統(tǒng)、半透半反鏡、小孔光闌、載物臺、接收屏、測量導(dǎo)軌組成的測量系統(tǒng)，以及透明球形空腔容器樣品，該測量方法的具體步驟包括：

第1、打開激光器后，對光束進行調(diào)平保證其與抗震臺表面平行，并通過擴束系統(tǒng)對光束進行擴束；

第2、使光束通過半透半反鏡，調(diào)節(jié)半透半反鏡使激光束垂直入射到透明球形空腔容器樣品；

第3、保持接收屏與入射光線垂直，使透明球形空腔容器內(nèi)、外表面的反射光經(jīng)半透半反鏡后在接收屏處形成干涉條紋圖樣，同時保持入射光束與接收屏上記錄條紋位置等高；

第4、調(diào)節(jié)測量導(dǎo)軌，記錄干涉環(huán)形條紋半徑，并根據(jù)反射光的條紋圖案和透明球形空腔容器厚度之間的關(guān)系式求得透明球形空腔容器厚度。

以上所述的測量系統(tǒng)中，氦氖激光器作為光源；擴束系統(tǒng)由兩個透鏡組成，將光束擴束以便增大干涉區(qū)域；半透半反鏡用于實現(xiàn)光路的轉(zhuǎn)折，同時便于接收垂直入射光束的反射光；小孔光闌用于濾除強度較弱的邊緣光束和雜散光；透明球形空腔容器樣品置于載物臺上，其內(nèi)、外表面的反射光產(chǎn)生干涉；接收屏用于接收干涉圖樣；導(dǎo)軌用于測量環(huán)形條紋的半徑。

以上第四步中反射光的條紋圖案和透明球形空腔容器厚度之間的關(guān)系式為?其中h為透明球形空腔容器厚度，N為所得兩條圓形條紋所對應(yīng)的入射角和它們之間間隔的條紋數(shù)目，n為玻璃容器介質(zhì)層的折射率，i為入射角。

以上所述的接收屏與入射光方向垂直。

本發(fā)明的有益效果是：

直接測量法、霍爾效應(yīng)測厚法均不能應(yīng)用于全封閉型或接近全密封型透明球形空腔容器；超聲波測厚需要輔助液體；相位法的實現(xiàn)比較困難。

與上述方法相比，光學(xué)干涉測量技術(shù)有著很大優(yōu)勢。一方面，該方法不僅可以實現(xiàn)透明球形空腔容器厚度的無損測量，測量精度高，結(jié)構(gòu)簡單，容易操作，彌補了以上方法在測厚方面的不足。另一方面，以此為基礎(chǔ)，很容易測出容器的厚度分布，從而增強了本方法的功能拓展性。

附圖說明

圖1為入射光線經(jīng)內(nèi)、外表面反射的示意圖。

圖2為光線相交于無窮遠時光線分布的示意圖。

圖3為光線相交于容器外表面時光線分布的示意圖。