基于COMSOL Multiphysics非接觸測量玻璃厚度、折射率

陳壽起　李鴻昌　程科

摘 要：針對存在難以接觸到測量表面的玻璃，提出一種利用有限元軟件COMSOL Multiphysics結(jié)合MATLAB的數(shù)字圖像方法和配套的實驗工作臺測量玻璃厚度的方法。利用該方法不僅能非接觸地測量玻璃厚度，還可以測量玻璃的折射率。解決了特殊的工作場合難以測量玻璃厚度的問題。

關(guān)鍵詞：COMSOL Multiphysics；非接觸；厚度、折射率

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.06.162

0 前言

國標(biāo)對不同類型的玻璃厚度檢驗做出了相應(yīng)的規(guī)定，統(tǒng)籌使用外徑千分尺或者具有相同精度的儀器進行測量。本文涉及到的是為確定玻璃厚度所設(shè)計的必須計量器具以及輔助設(shè)備，屬于計量裝置一類[1]。在實際生產(chǎn)中，礙于玻璃特殊的保護外形，一般測量儀器難以接觸到玻璃的兩個表面，測量困難。因此提出一種光學(xué)非接觸測量方法，利用激光反射得到兩激光亮斑，通過分析軟件得到兩激光亮斑的直線距離，再得出玻璃厚度和折射率。

1 基本原理

單激光反射法的理論基礎(chǔ)是光學(xué)三角理論，利用激光反射法測量玻璃厚度的原理如圖1所示。當(dāng)入射光P0以一定角度T0入射到玻璃中，有部分光在玻璃的上表面發(fā)生反射，反射出來的光線為P1，根據(jù)物理學(xué)原理，反射角T1等于入射角T0，另一部分經(jīng)空氣——玻璃上表面折射后，在玻璃下表面折射出角度為T2的反射光線，在玻璃下表面反射出P2，再通過玻璃上表面——空氣表面折射出P3，可以知道光線P1和P3平行，則可以通過平行光線的間距h得出玻璃板的厚度d。根據(jù)折射原理，計算得到玻璃厚度d與光線間距h之間的公式為：[2]。

2 實驗儀器

本試驗臺在偏振光實驗系統(tǒng)上加以改進，儀器光源為激光器，配有光學(xué)測角臺、導(dǎo)軌以及支架，另外還有光電傳感器和光電流放大器[3]。結(jié)構(gòu)如圖2所示，在導(dǎo)軌上一端有激光發(fā)射裝置，另一端有光學(xué)測角臺。玻璃豎直固定在光學(xué)測角臺上，使之與光源軸線呈現(xiàn)一定角度，光電接收器在光學(xué)測角臺一端，配有開縫較小的紙片，方格紙備用。

3 采集數(shù)據(jù)

檢驗無誤后接通電源，激光源發(fā)出激光打在玻璃上，激光經(jīng)過玻璃的反射出現(xiàn)兩個激光光斑。在光電接收器上貼上處理好的開縫紙片，兩個光斑掃過紙片，通過光電接收器得到光電流，記錄玻璃前表面反射光電流最強點的時候在光學(xué)測角臺上的角度，得到T0，再將方格紙貼在光電接收器正前方，用照相機記錄兩光斑的位置。再重復(fù)以上實驗，得到兩組數(shù)據(jù)。更換不同厚度的玻璃，再得到不同組數(shù)據(jù)。

4 數(shù)據(jù)處理

首先將得到的有兩亮斑的圖片進行裁剪，裁剪出對比清晰的圖塊，再作灰度處理（既亮度調(diào)整，對比度調(diào)整等步驟），啟動Matlab軟件，利用Matlab軟件來進行數(shù)字圖像的二值化處理，在文件菜單里連接COMSOL Multiphysics，把基于激光亮斑構(gòu)建的圖片，直接導(dǎo)入數(shù)值計算軟件，進行建模利用高斯分布擬合曲線將光強分布擬合成兩個具有最高值的雙峰Origin擬合曲線[4]，如圖3所示，尋找曲線的兩最高點的橫坐標(biāo)，做差后得到兩峰值點之間的距離，此距離便是兩亮斑的水平距離。

5 程序設(shè)計

經(jīng)過以上步驟，得到必須的數(shù)據(jù)，本方法利用vb編寫程序，簡化計算，在本程序中需要輸入兩組不同的入射角，以及分別由擬合曲線得到的兩組亮斑距離，最后計算出玻璃的折射率和厚度。

6 結(jié)論

基于真實的激光亮斑圖片，通過剪裁、灰度處理以及二值化，再導(dǎo)入計算軟件，可建立數(shù)值計算模型，最后進行厚度、折射率計算。將得到的數(shù)據(jù)和用游標(biāo)卡尺測得的玻璃厚度相對比，所得誤差與國家標(biāo)準(zhǔn)相對比，符合國家測量標(biāo)準(zhǔn)。通過本方法可以測出特殊工況下玻璃厚度，以后條件允許可以形成在線測量，做出一套合格的測量儀器。

參考文獻：

[1]韓正銅，楊善國.機械精度設(shè)計與檢測[J].中國礦業(yè)大學(xué)出版社.

[2]孫峰.玻璃厚度在線測量系統(tǒng)的研制[J].大連理工大學(xué).

[3]于建勇，秦麗霞.物理實驗教程[J].中國礦業(yè)大學(xué)出版社.

[4]王錄合，趙春孝，姜振泉，錢自衛(wèi)，唐鑫，煤田地質(zhì)與勘探[J].

作者簡介：陳壽起（1993-），安徽六安人，本科在讀，研究方向為機器人技術(shù)。