[发明专利]一种测量透明球形空腔容器厚度的方法

说明书

技术领域

本发明属于光学测量技术领域，涉及一种利用光场干涉对透明球形空腔容器厚度实现非接触式无损测量的方法。

背景技术

目前，生活及工业中主要的测厚方法有直接测量法、霍尔效应测厚法、超声波测厚法、相位法等。

直接测量法就是利用直尺、游标卡尺、测量显微镜、螺旋测微器等直接对物体的厚度进行测量。一般适用于厚度在几十微米量级以上且表面平整的非封闭型物体。

霍尔效应测厚仪主要利用钢珠和探头进行厚度测量，将钢珠置于物体一侧，用探头在物体另一侧进行测量。当钢珠距离探头距离最近时，即钢柱置于尖端中央时，磁场强度最大，通过霍尔效应传感器对探头尖端到钢珠的距离进行测量。该能够实时显示物体厚度的变化。

超声波测厚一般分为两种情况：第一种情况是利用超声波脉冲测厚。主要原理是通过测量超声波脉冲在介质两表面反射的时间差，即通过测量超声波脉冲在介质中往返一次的时间，进而求得介质厚度；第二种情况是超声波谐振式测厚。超声波通过介质时，将在介质的两个表面发生反射并产生相位差。由于相位差的存在会导致回波干涉现象，因此通过分析超声波回波干涉信号，就能够得到介质的厚度。

相位法测厚就是利用物体两个表面反射光波的相位差对厚度进行测量。当一束光垂直于物体表面入射时，假设物体在测量位置前后两表面平行，那么两 表面反射光波的相位差就是光束经过物体内部往返一次的光程差。对光束的频率进行调制，并通过一台测相仪对其相位差进行测量，就可以求得物体的厚度。

但是，直接测量法测量局限性比较大，并且不够精确。霍尔效应测厚仪不适用于封闭型的球形空腔容器。超声波测厚需要添加额外装置和辅助型液体等。相位法涉及到调频技术，不容易实现。

与上述几种方法相比，本方法既能实现透明球形空腔容器厚度的非接触式无损测量，又不需要其他辅助装置，具有结构简单、便于操作的优点。

发明内容

本发明的目的是为了弥补现有测厚技术的不足，提供一种基于干涉原理的透明球形空腔容器厚度的测量方法。本发明是根据光波的干涉原理，利用透明球形空腔容器内、外表面反射光的相干叠加产生干涉图案，并通过理论计算得出反射光的条纹图案和透明球形空腔容器厚度之间的关系式，从而确定透明球形空腔容器厚度。为了达到上述目的，本发明的技术方案是：

一种测量透明球形空腔容器厚度的方法，包括由氦氖激光器、扩束系统、半透半反镜、小孔光阑、载物台、接收屏、测量导轨组成的测量系统，以及透明球形空腔容器样品，该测量方法的具体步骤包括：

第1、打开激光器后，对光束进行调平保证其与抗震台表面平行，并通过扩束系统对光束进行扩束；

第2、使光束通过半透半反镜，调节半透半反镜使激光束垂直入射到透明球形空腔容器样品；

第3、保持接收屏与入射光线垂直，使透明球形空腔容器内、外表面的反射光经半透半反镜后在接收屏处形成干涉条纹图样，同时保持入射光束与接收屏上记录条纹位置等高；

第4、调节测量导轨，记录干涉环形条纹半径，并根据反射光的条纹图案和透明球形空腔容器厚度之间的关系式求得透明球形空腔容器厚度。

以上所述的测量系统中，氦氖激光器作为光源；扩束系统由两个透镜组成，将光束扩束以便增大干涉区域；半透半反镜用于实现光路的转折，同时便于接收垂直入射光束的反射光；小孔光阑用于滤除强度较弱的边缘光束和杂散光；透明球形空腔容器样品置于载物台上，其内、外表面的反射光产生干涉；接收屏用于接收干涉图样；导轨用于测量环形条纹的半径。

以上第四步中反射光的条纹图案和透明球形空腔容器厚度之间的关系式为 其中h为透明球形空腔容器厚度，N为所得两条圆形条纹所对应的入射角和它们之间间隔的条纹数目，n为玻璃容器介质层的折射率，i为入射角。

以上所述的接收屏与入射光方向垂直。

本发明的有益效果是：

直接测量法、霍尔效应测厚法均不能应用于全封闭型或接近全密封型透明球形空腔容器；超声波测厚需要辅助液体；相位法的实现比较困难。

与上述方法相比，光学干涉测量技术有着很大优势。一方面，该方法不仅可以实现透明球形空腔容器厚度的无损测量，测量精度高，结构简单，容易操作，弥补了以上方法在测厚方面的不足。另一方面，以此为基础，很容易测出容器的厚度分布，从而增强了本方法的功能拓展性。

附图说明

图1为入射光线经内、外表面反射的示意图。

图2为光线相交于无穷远时光线分布的示意图。

图3为光线相交于容器外表面时光线分布的示意图。