光学技术在实验参数测试中的应用

李姝佳，马勋勋

（东华大学机械工程学院，上海201620）

0 引 言

光学测量技术是几何量测量的一个重要手段，是集光电技术和机械测量于一体，通过计算机技术能够快速、准确地测量，具有很高的测量精度［1］。光学测量因其非接触性、测试精度高和高分辨率等优点［2］，已被广泛应用于测量和现代工业检测［3］，如常用光学方法测量角度［4-6］、定位［7］等，还用于检测机械产品的零件尺寸、孔径［8］和行为误差等。

材料的结构根据其尺寸通常分为微观（10-6～10-10m）、细观（10-3～10-6m）及宏观（10-3m 及以上）。对于微观结构的材料，需要使用高倍电子显微镜对其尺寸进行测量；对于细观结构材料，通常借助于光学显微镜来完成尺寸的测量；而宏观结构尺寸可借助一般工具通过肉眼分辨测量其尺寸。纤维、纱线以及由其集合而成的绳、带、织物等，通常属于细观结构尺寸的特殊材料。在实验测试中，常采用电镜扫描、原子力显微镜等成熟仪器完成其表面形态和截面形貌的测量［9］。

结构的动态特性可利用传感器的测试来得到，按传感器与被检测对象的关联方式可分为接触式和非接触式。接触式的优点是传感器与被检测对象视为一体，且无须现场标定；缺点为接触式传感器对被测对象的动态特性有影响。非接触式的优点为消除了接触式传感器对被测对象的影响，提高了测试精度；缺点是非接触式传感器受到被检测对象与传感器之间介质的影响。如电涡流传感器与被检测对象之间的距离有特定的要求［10］。卷绕机是化纤长丝生产过程中的关键装备。在聚酯切片熔融、喷丝成型、牵伸为长丝后，通过卷绕机将纺丝成形的纤维卷绕成为卷装。卷绕机锭轴的动态特性直接影响长丝及卷装的质量。因此，锭轴的动态测试与研究是自主研发高性能卷绕机时不可或缺的内容。符合工艺要求的卷绕系统是由锭轴、卷装和接触辊所形成的转速、质量时变，柔性支承参数频变的高速柔性复杂转子系统。

针对细观结构的截面参数以及卷绕系统锭轴的动态特性测试，本文提出了一种利用基恩士光学技术——Keyence光学测微仪进行实验参数测试方法，并分别设计了相应的试验装置，进行了测试和结果数据分析，验证了该两方案的可行性。

1 Keyence光学测微仪测量原理

Keyence 光学测微仪是集被测物体信息感知、图像信号处理、数据分析处理而实现被测物体细观结构与动态参数快速准确测量的光学测微系统。

该测试仪器主要有四大系统：① 高亮度INGAN绿色LED。光强度均匀、耐电磁场辐射、不伤眼睛；②HUD（High Uniform Diffusion）单元与准直透镜系统。通过LED光覆盖全部范围均一漫射，可发出光强度均匀的平行光；③ W 远心光学系统。W 远心镜头可确保仅平行光用于成像，即使物体与镜头之间的距离发生变化，CMOS 上图像的大小也不会改变；④ 准确定位亚像素处理。从CMOS 上成像的投影中，仅针对指定量测区域内的轮廓线进行准确定位抽取和亚像素处理，可达到高速和高精度，其结构如图1 所示。

图1 Keyence光学传感器测试原理

测量时，检测对象将被转换成图像信号，传送给专用的图像处理系统，得到检测对象的目标形态信息。根据像素分布和亮度、颜色等信息转变成数字化信号，得到检测对象的几何参数，例如测量其尺寸、角度和振动幅值等。Keyence 光学测微仪的部分相关参数如下：Keyence光学测微仪型号LS-9030，最小检测物体0.3 mm，测量精度±2 μm，重复精度±0.1 μm，测量范围0.3 ～30 mm，发射器与接收器间距离（160 ±40）mm，采样周期16 ×103次/s。

2 细观结构参数实验测试中应用

采用电镜扫描、原子力显微镜等测试方法均基于静态的结构参数测试，对于纤维集合体这类特殊的结构，测试时材料结构的分布状态对测试结果影响非常大。因此，测试这一类细观结构尺寸的外径时，需要试制一种可围绕夹持的实验样本相对转动的测试装置，如图2 所示。本文试制的测试装置使用时，被测试对象不动，传感器以被测试对象为轴心相对转动，由此获取测试对象不同截面上的直径尺寸信息。

图2 细观结构截面参数测量装置

本文以测试化纤长丝束截面形态和拉伸性能为例，基于Keyence光学技术试制了一种新的实验测试装置。为满足测试时长丝束张力可调，采用直线运动导轨对长丝束进行牵伸，如图3 所示。

图3 长丝束拉伸状态控制单元

如图2、3 所示，长丝束测试由Keyence 光学测微仪、夹持单元、牵伸状态控制单元及支撑框架组成。被测化纤长丝束由专用的夹持单元固定在测试仪上，通过直线运动导轨夹持长丝束完成丝束拉伸、静止或运动的状态，同时由Keyence 光学测微仪绕被测物体360°做旋转运动，测试被测物体截面外包络线直径，测试现场照片如图4 所示。

为了验证所设计测试长丝束截面包络线试验装置的正确性，本文对（3 ±0.002）mm 的标准钨钢塞规进行了试验测试，测试结果如图5 所示。

图4 实验测试现场

图5 试制的测试装置对钨钢塞规的验证性测试

由图5 测试结果可知，测试得到的钨钢塞规动态截面直径为3.002 ～3.006 mm，计算所得测试钨钢塞规的包络线如图6 所示。说明试制的细观结构截面参数测试装置的用于测试细小截面的物体（例如化纤长丝束、产业用纱线等）时有较高的测量精度。

图6 钨钢塞规包络线测试并计算截面面积（S ＝ 4.7190 7 mm2）

保证了所试制试验装置正确性的前提下进行长丝束截面包络线参数测试。试验用样本为涤纶长丝POY，其参数为220 dtex/72。实验测试时长丝束牵伸长度为0.01%，实验环境温度为20 ℃，相对湿度为65%，图7 所示分别为单束和2 束丝线的截面外包络线尺寸的测试结果。

根据该实验测试得到的不同横截面上的直径，选择稳定周期的一组数据，如图7 中的周期T，最后通过MATLAB处理图7 中稳定周期数据并通过积分完成截面面积的计算，进而可为拉伸模量等的计算提供准确参数，单束和2 束丝线的包络线和截面面积计算结果如图8 所示。

图7 横截面外包络线尺寸测试结果

图8 化纤长丝束实际截面形状与面积

由图8 可知，测试得到的长丝截面不规则的形状，相比长丝假设为圆截面或椭圆截面的理想化方法［11］，基于Keyence光学技术提供了一种精确度高的测试细观结构体截面的方法，而且能测试动态、静态及拉伸等不同情况下的材料截面形貌及形状参数。就长丝束而言，测试得到的结果为长丝束的质量及后续织物的质量评估提供了实际的参考，同时也为织物的织设计提供了精确的参数依据。

3 振动系统实验参数测试中应用

根据工艺需要，卷装既要求卷绕密度大，以增加容量，又要求外观形状符合规定且丝线铺放均匀不塌边，同时便于在后续工序中长丝可顺利退绕。该系统中的动力学问题是卷绕机动态设计与技术中的关键问题。卷绕机具有以下特点：

（1）锭轴与接触辊转速高。目前涤纶长丝生产工艺，卷绕线速度高达6 000 m/min，为保持卷绕线速度恒定，随着卷装直径的增大，锭轴转速由18 000 r/min逐渐下降至3 000 r/min，完成一个周期的长丝卷绕；

（2）锭轴转速随着卷装半径增大逐渐减小，形成变转速、变质量的时变系统；

（3）卷绕到一定丝层厚度时接触辊开始于卷装表面接触并有一定的接触压力，“锭轴-卷装-接触辊”是结构耦合的复杂转子系统。

为了方便满卷后的退卷工艺，锭轴结构为外伸悬挂式的。锭轴的动态特性直接影响卷绕卷装的质量，振动大会造成长丝缠绕轨迹不稳定，且会使长丝的张力波动大导致卷绕卷装的质量不高。故本文提出了一种利用Keyence光学测量技术测试锭轴动态特性的方法，如图9 所示。

图9 卷绕机锭轴动态测试

本文测试对象为金纬某型号涤纶长丝卷绕机，为了研究锭轴在稳定转速6 820 r/min 时竖直方向的位移振动特性，试制了适用Keyence 光学测微仪安装固定的支撑架，测试锭轴端头底部的位移振动幅值，测试时间为80 s，因Keyence 光学测微仪存储测量点数限制，故本文在70 s 后开始保存测试数据，测试记录数据如图10 所示。

图10 锭轴端部在竖直方向的位移振动特性

由图10 可知，卷绕机锭轴在6 820 r/min 空转时锭轴的位移振动幅值0.125 mm，动态特性比较稳定。由于Keyence光学测微仪控制系统的数据存储点数有限，若测试时间较长，需要通过LMS SCADAS Mobile一起配合使用进行长时间的数据采集，即Keyence 光学测微仪作为一种非接触式位移传感器使用。

本文通过Keyence光学测微仪解决了卷绕机锭轴高速转动时端部位移振动幅测试难的问题。本实验可为锭轴柔性转子数学建模分析提供可靠的实验分析与验证数据，也为其他旋转机械的试验研究提供一种新的测试方法。

4 结 语

本文基于Keyence光学测微仪提出了两类实验参数测试——细观结构材料的截面参数测试、高速旋转（转子）系统的振动参数测试的参考方案，设计的实验装置具有定标简单、安装便捷、操作简单等优点。本文以长丝束截面参数测量和卷绕机锭轴的振动特性测试为例，基于Keyence 光学测微仪试制了对应实验测试装置，对丝线束截面包络线尺寸和卷绕机锭轴的振动位移幅值进行了试验测试，快速、准确地得到了所需长丝束截面参数和锭轴的动态特性，验证了Keyence 光学测微仪在实验测试时的准确性、高效性。为其他类似结构的试验研究提供一种测试系统设计的参考。