李 煉,張周強

(西安工程大學 機電工程學院,陜西 西安 710600)

0 引言

近年來,人們越來越關注周圍環(huán)境和自身健康問題,工業(yè)廢氣的排放對生態(tài)造成了嚴重威脅。本文是工業(yè)廢氣光譜檢測的前端測量系統(tǒng)。光柵是光譜學物質領域中常用的光譜元件,可分為機械光柵和柔性光柵。傳統(tǒng)機械光柵間距是固定的,系統(tǒng)固定后透過光柵衍射光的波長也是固定的,而物質的吸收光譜具有一定寬度[1-2]。為實現光聲光譜檢測的普適性和準確性[3-5],本實驗選用柔性光柵作為系統(tǒng)的分光元件。通過用激光照射柔性光柵的驅動部分,改變光柵的伸長量,使光柵間距連續(xù)變化,從而可以連續(xù)改變光屏某一固定點的光的波長,該波長范圍內的光被待測物質選擇性吸收。標定變化的光柵間距可以更好地了解物質吸收光譜的范圍,并對吸收光譜進行處理,從而分析得到被測物質的信息。該檢測系統(tǒng)不僅可用于檢測工業(yè)廢氣,還可廣泛應用于食品安全等相關物質檢測領域。

光柵間距的測量方法主要分為機械接觸探針法[6-7]、光學聚焦探針法[8-9]、掃描電子顯微鏡[10-12]、掃描探針顯微鏡[13-16]、衍射法[17-20]和干涉法[21-23]。本文使用的分光元件為柔性光柵,在外界激勵下會發(fā)生彈性變形,因此接觸式測量方法會影響測量精度。光學聚焦探針法的系統(tǒng)結構復雜,在測量過程中由于環(huán)境噪聲的影響,增加了測量的不確定性。掃描顯微鏡是對物體進行表面重建,對柵距變化的光柵測量效率低下。干涉法需要分析干涉條紋圖的相位,易受環(huán)境光影響,對于形狀突變的結構測量誤差較大。衍射法可以在宏觀尺度上通過衍射圖樣測量微觀尺寸,具有很強的抗環(huán)境干擾能力?？梢詿o損實現光柵間距的高精度動態(tài)測量。

Chernoff等[15]使用分束器分離衍射光束,并構建角度測量系統(tǒng)來測量激光衍射角,從而計算光柵間距。但分束器反射光束影響測量結果,且系統(tǒng)結構復雜,測量光柵的間距固定,單次測量時間長。Du等[18]要求高精度直線轉臺和高精度光束輪廓儀測量光斑位置,價格昂貴,檢測對象為機械光柵。在Ye等[19]的研究中,物體的位移信息是通過解調反射的衍射光斑信息得到的,測量精度可以達到幾十μm。但解調復雜,光柵間距變化時需要重新解調光斑,對柔性光柵適應性差。Wu等[20]長程輪廓儀系統(tǒng)(LTP)造價昂貴,測試環(huán)境要求苛刻。Lue等[24]采用光學測角元件測量激光衍射角然后計算光柵間距,對實驗平臺和儀器精度要求高,動態(tài)檢測能力差。本文根據光柵衍射原理,利用激光器、柔性光柵、光屏、CCD相機和計算機建立了光柵間距測量和標定系統(tǒng)。激光照射柔性光柵并在光屏上呈現衍射光斑。CCD相機采集光斑,計算機對采集的圖像進行分析。然后用808 nm激光驅動柔性光柵,改變光柵周期,分析數據,完成標定。通過對誤差數據的分析,該系統(tǒng)能夠可靠地標定光柵間距。

1 測量系統(tǒng)搭建與光柵仿真分析

柔性光柵標定系統(tǒng)分為光源模塊、光柵模塊、圖像采集模塊和圖像處理模塊。來自激光源的光照射到柔性光柵上,經過柔性光柵處理后,在光屏上得到不同能級的光斑。利用CCD相機獲取光斑圖像,利用LabVIEW軟件對圖像進行分析計算,從而獲得光柵間距。利用808 nm驅動激光照射柔性光柵驅動部分,屏幕上不同能級的光斑會隨著驅動激光的照射而不斷改變在屏幕上的位置。通過LabVIEW軟件控制CCD相機進行實時采集和分析,得到光柵間距的變化規(guī)律,從而完成光柵標定。系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構

1.1 柔性光柵設計

1.1.1 光柵理論

柔性光柵在不同的外部激勵下,在光屏某一固定點處可得到不同波長的光或使固定波長的光在光屏上偏移。光柵結構如圖2所示。

圖2 光柵結構

柔性光柵的中間區(qū)域為柵線區(qū)域,兩側為驅動區(qū)域。光柵區(qū)域透明部分的寬度為a,不透明部分的寬度為b,光柵常數是d(d=光柵間距)。光透過光柵在光屏上得到明暗相間的衍射條紋,條紋間距可用光柵方程(1)得到。

d(sinθ±sinα)=kλ(k=0,±1,±2…)

(1)

公式(1)中:θ是衍射角;α是入射角;k是衍射級;λ是入射波長。在已知衍射級k、入射波長λ、入射角α(光柵垂直于激光所成的銳角)、光柵到光屏的距離L以及k級衍射光斑到零級光斑的距離H的情況下,就可以得到光柵周期。激光衍射示意如圖3所示。

圖3 激光衍射

1.1.2 光柵驅動仿真

圖4 光柵仿真

在預拉伸50%的情況下,對光柵驅動區(qū)域兩側施加熱源,光柵區(qū)域的長度收縮。光柵區(qū)域在長度方向上的變形為3.5%,大于理論要求的2.6%,滿足一氧化碳特征光譜所需的變化范圍

1.1.3 柔性光柵制備

柔性光柵分為柵線區(qū)和驅動區(qū)。將聚二甲基硅氧烷(PDMS)與固化劑按一定比例混合,使用離心機去除氣泡,然后涂抹到掩膜板柵線區(qū)域,復制柵線得到光柵柵線區(qū)域。將石墨烯/聚二甲基硅氧烷(GNP/PDMS)與固化劑按一定比例混合,涂覆在平行于柵線15 mm范圍內的柵線區(qū)外側,形成光柵驅動區(qū)域。制備流程如圖5所示。

對于我國中央銀行體制的改革，為了提高中央銀行業(yè)務的內在效率，減少不必要的監(jiān)管與服務成本，應堅持金融調控，金融服務與金融監(jiān)管的統(tǒng)一。為了中央銀行貨幣政策的執(zhí)行，中央銀行的金融監(jiān)管職能要進一步強化，加強對金融業(yè)務的監(jiān)管以及法規(guī)的實行，確保金融市場的穩(wěn)定。商業(yè)銀行應嚴格貫徹落實央行制定的金融監(jiān)管規(guī)定，遵守職業(yè)道德，維護金融秩序。在出臺貨幣政策時，我國央行并沒有獨立的發(fā)言權，中國人民銀行應該更加的開放、靈活。在風險管理方面，建立新型的監(jiān)管模式，為央行的監(jiān)管塑造良好的環(huán)境?？偠灾?，我國需要提高中央銀行的獨立性，避免地方政府的干預，加強金融監(jiān)管的力度。

圖5 柔性光柵制備流程

光柵結構示意和成品如圖6所示。

圖6 柔性光柵

2 柵距測量理論

本文設計了一個二維圓形陣列板作為標定板,相鄰圓心間距為40 mm,單個圓的半徑為10 mm。圖像處理流程如圖7所示。

圖7 圖像處理流程

(1)圖像采集:圖7(a)為CCD相機通過Grap模式獲取的實驗原始圖像。

(2)灰度化處理:Grap模式保存的圖像是‘.png’格式的彩色圖像,為了提高后續(xù)處理速度對圖像進行灰度處理,如圖7(b)所示。

(3)二值化:利用閾值分割法將標定樣本上的圓形標志點從背景中分離出來。如圖8所示為原始圖像的灰度線性直方圖,根據該直方圖確定二值化的閾值范圍,二值化處理后的圖像如圖7(c)所示。

圖8 灰度直方圖

(4)濾波處理:采取低通中值濾波,將3×3結構元素內的像素灰度從小到大排序,從序列中選取中間值作為中心像素的新值,這樣多次腐蝕就可以濾除圖像中的小顆粒雜質。

(5)畸變處理:相機垂直于標定板安裝,獲取標定板圖案。實際過程中照相機不能完全垂直于校準板,會引入透視畸變。相機鏡頭特性會導致系統(tǒng)產生徑向畸變。圖7(d)是畸變處理后的標定板校準圖。

(6)質心計算:標記濾波圖像粒子,提取粒子的輪廓,轉換成蒙版,將蒙版的各像素看成質量相同的質點,得到質心坐標。

(2)

(7)校準信息設置:假定相鄰像素值之間的實際距離為N,根據式(3)可得出標定樣板相鄰圓心之間假定值L,設M為標定板相鄰兩圓心的實際值。由a=N/M校準相鄰像素之間的實際值P。

(3)

(8)光柵周期測量:打開激光光源,激光通過柔性光柵在光幕上得到0級光斑和1級光斑。按上訴方法得到0級和1級光斑的質心間距。通過公式(4)計算光柵周期,即得到光柵間距。

(4)

3 標定實驗分析

3.1 光柵間距測量

在防震平臺上搭建光柵間距測量系統(tǒng),包括激光源、柔性光柵、光屏、CCD相機、補光光源和計算機,如圖9所示。

圖9 實驗平臺

CCD相機采集標定板圖樣發(fā)送給計算機。計算機對標定樣圖進行鏡頭畸變(橫向畸變、切向畸變)和透視畸變處理。將標定板圓點圓心間隔數據給到程序,建立像素坐標與現實世界坐標關系。保持激光源、柔性光柵、鏡頭和光屏位置不變。將光屏上的標定樣板更換成白板。關閉補充光源,打開實驗激光器。激光通過柔性光柵在光屏上顯示衍射光斑,此時柔性光柵處于自由伸長狀態(tài)。收集的衍射圖如圖10(a)所示。

圖10 衍射光斑

對衍射圖像處理得到0極光斑質心和1極光斑質心如圖10(b)所示。建立像素坐標的原點,通過像素坐標與真實世界坐標關系,確定0極點質心坐標X0:36.47 mm和Y0:10.95 mm。1級點質心坐標X1:36.76 mm,Y1:74.90 mm。光柵到光屏距離測量為250 mm,光源為650 nm的激光光源。根據公式(4)計算得到自由狀態(tài)下的柔性光柵常數d=2.623 μm。

3.2 誤差分析

本實驗使用的柔性光柵常數范圍在2～3μm,光柵與衍射板的距離為250 mm,使用的激光為650 nm紅色激光,0級點光斑與1級點光斑間隔范圍在60～80 mm。在光屏位置安裝誤差分析板,誤差分析板如圖11(b)所示?？梢酝ㄟ^測量分析板的間隔來獲得測量誤差。

圖11 誤差分析板

各點位置及間隔如圖11(a)所示。圖中虛線為距離注釋線。分別測量標準間隔為60 mm、70 mm、80 mm圓斑距離,共測量3張圖片,每種間隔可得到18組數據,處理得到誤差點線如圖12所示。

圖12 誤差分析

對標定板上60 mm標準間隔點的測量分析知,圓點間距測量誤差小于0.58 mm,將圓點間距代替衍射光斑距離H代入公式(4),光柵間距誤差在0.032μm 以內。對70 mm標準間距圓點測量,圓點間距測量誤差小于0.62 mm,光柵間距誤差在0.025μm 以內。對80 mm標準間距圓點測量,圓點間距測量誤差小于0.76 mm,光柵間距誤差在0.023μm 以內。

通過上訴對誤差分析板的分析可知,搭建的光柵間距測量系統(tǒng)柵距測距誤差小于0.032μm,測量精度在8‰以內。

3.3 光驅動柔性光柵柵距標定

在柵距測量系統(tǒng)中使用2個808 nm激光驅動光柵,每隔5 s采樣一次衍射圖像,直到衍射圖像趨于穩(wěn)定狀態(tài)。對采集的圖像進行處理和分析,得到不同時刻下柔性光柵柵距值,建立時間-柵距關系,如圖13所示。

圖13 時間-柵距

方程擬合優(yōu)度R2=0.996。從圖中可以看出,在90 s的加熱過程中,光柵常數的變化達到0.179 μm,大于一氧化碳特征光譜變化范圍0.103 μm。

3.4 光驅動穩(wěn)定性分析

利用紅外溫度傳感器及其控制面板檢測光柵驅動區(qū)域的溫度,如圖14所示。檢測系統(tǒng)如圖14(a)所示,檢測區(qū)域如圖14(b)所示。

圖14 溫度檢測

在808 nm激光驅動下各檢測點升溫曲線如圖15所示。

圖15 光驅動光柵溫度變化

分別對檢測點1、2、3和4重復3次測量溫度變化,從圖15可知,升溫變化重復性好,穩(wěn)定溫度恒定。

4 結語

本文研究了基于機器視覺的柔性光柵柵距標定方法,通過激光驅動光柵實現柵距連續(xù)變化,為光譜物質檢測提供支持。根據衍射原理,獲得包含光柵柵距信息的衍射光斑,通過LabVIEW對圖像進行處理得到柵距。通過對誤差分析板測量分析,得到柵距測量誤差小于0.032 μm,精度范圍可控制在8‰以內。該系統(tǒng)對環(huán)境要求低,測量穩(wěn)定性好,精度高。采用808 nm激光驅動光柵,通過測量的溫度分析,光驅動穩(wěn)定,且光驅動光柵柵距變化范圍超過被測物質特征光譜所需變化范圍,通過時間-柵距關系標定柔性光柵,提高了物質檢測的實時性。根據檢測物質光譜帶的不同,可換用不同柵距范圍的柔性光柵進行物質成分和含量的檢驗,應用前景好、適應性廣。