许东京， 叶明， 倪志强

（南京航空航天大学 机电学院，南京210016）

1 引 言

随着工业技术和现代科学技术的迅速发展，机械制造水平不断提高并且呈现微型化的发展趋势，微孔器件在机械、仪表、航空、电子、生物医疗和纺织工业中的应用越来越广泛。这些微孔器件中的微孔质量直接影响整机的性能，因此对具有微孔类零件提出精密或超精密加工的同时，也对其检测精度和速度提出了更高的要求。

微孔通常指直径在500μm 以下的孔［1］，微孔测量是几何测量中的一项重要内容，目前国内常用的测量方法是利用图像处理技术对微孔进行检测［2，3］，但是检测效率比较低，不能满足日益增长的工业化需求。而国外已经开始研究光学法检测微孔的方案，具有代表性的是德国联邦物理技术研究院（PTB）［4，5］与美国国家标准技术研究所（NIST）［6］。

2 微孔快速检测系统组成

基于光通量的微孔快速检测系统集光、机、电、计算机为一体，可以实现检测智能化和可视化。其测量原理是：微孔的出射光通量经过塑料传光光纤传送到光电传感器，探测器接收的光通量经过电流电压转换电路，再经过去噪、滤波、放大处理后经数据采集卡采集至上位机，最后在显示屏上显示测量结果，其检测系统的结构原理图如图1 所示。

图1 微孔检测系统原理图

系统中CCD 传感器用于测量微孔的面积，建立微孔的面积与其出射光通量之间的数学模型。将测量待测微孔的光通量与标准微孔的光通量进行比较，如果测量结果超出系统设定的阈值则认为该微孔不合格，利用计算机通过驱动器控制工作台的二维移动，驱动工件上的每列微孔依次通过光通量传感器的正下方进行检测，光源位于被测工件下方的暗室中，避免外界杂散光的干扰，以提高系统的测量精度。

3 微孔快速检测原理

3.1 光电探测器特性

光电探测器的输出往往与入射到其光敏面上的光通量成正比［7］，所以光电探测器光电流的大小可以反映出待检测量的大小，即光电流是待检测信息量Q 值的函数I＝f（Q），这是一种模拟量的信息变换。本测量系统采用光伏探测器硅光电池作为传感器，硅光电池是一个大面积的光电二极管，它可以把入射到它表面的光能转化为电能，基于光伏特效应制作的光伏探测器的伏安特性，用流过探测器的电流方程表示为：I＝IS（eqU/KT-1）－IP

I 为流过探测器的总电流；IS为反向饱和电流；q 为电子电荷；U 为探测器两端电压；K 为波尔兹曼常数；T 为器件的绝对温度；IP为光生电流。光电池处于零偏时，即U＝0，流过PN 结的电流I＝－IP，而光生电流又满足以下公式：

其中S 表示光电池的光电灵敏度（又称光电响应度）；E 表示入射光照度；A 为微孔的面积。当光照度一定时，其输出电流与受光面积成线性关系，因此当光电池作为测量元件时利用此测量原理建立微孔的出射光通量与其面积的数学模型。

3.2 传感器信号处理电路

由于微孔孔径在数十至数百微米之间，因此光电探测器接收到的信号非常微弱，同时，由于各种噪声的存在如热噪声、散粒噪声等，光电探测器输出的信号往往被深埋在噪声之中。要对这样的微弱信号进行预处理，以将大部分噪声滤除并将微弱信号放大到后续处理器所要求的电压幅，可以通过前置滤波、放大电路使得输出信噪比较高，提高测量精确度。采用的预处理电路图如图2 所示。

图2 微弱信号处理电路

将I＝S·E·A 代入上式，即可得到基于光通量法测量微孔的输出电压与其面积的关系式为：

4 微孔检测实验分析

根据微孔检测原理以及检测要求，本检测装置为多通道并行测量系统，每个通道均配置有一根光纤、一个光电探测器以及弱信号处理电路，以达到多个微孔同时测量的目的，大大地提高了检测效率。整个测量装置实物图如图3 所示：利用上位机驱动两个步进电机控制工作台空间的二维移动；传光光纤位于工件的正上方，其纤芯直径为1.5mm；工作时，光源发射的光线、待测微孔的轴线、光纤的轴线均处于同一直线；光电探测器置于封闭的凹槽中，用PCB 板将其两个输出引脚引出。探测器输出的微弱电信号经过信号处理电路、数据采集卡送给上位机，利用计算机对采集的数据进行分析、处理和显示。

被测件上有5 种型号不同的微孔，其直径约为157μm，200μm，300μm，400μm，500μm，分别记为A、B、C、D、E 等5 种型号，每种型号的微孔均检测5 个，利用CCD 图像检测的方法可以检测每个微孔所占的像素个数，而微孔的面积与像素数成正比。图像法检测微孔的像素数据如表1。

图3 微孔测量装置实物图

表2 为光源在某一光照强度下基于光通量法测量5 种型号微孔的电压数据，每种型号微孔测量5个数据，最后取平均值。

由表1、表2 中的数据可以拟合基于光通量法测量微孔的电压值和图像检测法测量微孔像素关系曲线如图4所示。

从测量的数据可以看出，利用光通量法得到的微孔电压值与其面积基本上成线性关系。利用此检测原理，可以对微孔进行快速扫描，得到的电压值与标准微孔进行比较，能够有效地判断微孔内壁是否存在污物、毛刺、微孔尺寸是否超差、微孔是否达到磨损等问题。下面以直径为500μm 的微孔作为检测对象，比较其变化前后图像变化率和电压变化率，图5、图6 为微孔变化前后的图像。

表1 图像检测法测量微孔像素/个数

表2 光通量法测量微孔的电压值/V

图4 光通量法检测与图像检测法数据拟合曲线

图5 变化前的图像

图6 变化后的图像

表3 为直径为500μm 微孔图像变化前后像素与电压的数据多次测量得到的数据。

根据工业上微孔的检测指标要求：能够检测出微孔的变化率小到5%即可达到微孔的检测要求，根据检测数据可以看出，光通量检测方法能够满足检测要求。

表3 微孔变化前后的数据

理论上，微孔变化前后的图像检测法与光通量检测法的变化率应该相等，但是由于测量误差存在等因素，其变化率并不完全一致。但是由表3 可以看出，微孔变化后其像素的变化率与电压变化率数值相近，因此可以先通过检测效率高的光通量法代替图像法进行微孔的快速检测，如果发现微孔的电压值超出了系统设定的阈值范围，则表明微孔的几何面积超出阈值范围。对该微孔进行定位，再利用CCD 对其进行图像检测，进一步判断是否为不合格的微孔，并且进行分类处理。

基于光通量的微孔检测系统，是集光、机、电、计算机等各种技术为一体的复杂系统，实现检测智能化和可视化。由于各个环节测量误差的存在，造成测量的数据与理论数据有一定的差异，误差来源主要有以下几个方面：（1）光源的不稳定性，导致光强产生波动；（2）光电探测器噪声以及不稳定性；（3）电路中电子元件的热噪声、散粒噪声等影响；（4）机械系统误差导致的光纤与工件的相对位置误差。

根据以上检测误差来源的特点，选用恒流源作为光源控制器并放置于暗室中，保证光源光照度稳定性；选用灵敏度较高的光电探测器；弱信号处理电路中选用精密的运放、噪声小的金属薄膜电阻；提高二维平台的直线度误差等措施提高微孔快速检测系统的测量精度。

5 结 语

首次提出了一种基于光通量的微孔检测理念，实现微孔几何参数高效、精确检测目标，可有效解决工业领域微孔快速检测的实际需求。解决传统基于显微图像技术进行微孔测量时，由于光学系统景深限制，测量结果不能全面反映细长微孔作用长度范围内几何形貌特征的缺点。该检测方法将为我国工业生产中迫切需要的微孔高速检测需求提供理论基础和技术支撑，具有重大的理论意义和实用价值。

［1］ 祁宁，陈庆官，顾建华.流量转换法测量微小孔径的探讨［J］.国外丝绸，2008（3）：12-15.

［2］ 郭志.喷丝板图像检测系统的研制［D］.北京：中国农业大学，2002.

［3］ 刘贵林.喷丝板光电检测系统的研究与设计［D］.长春：吉林大学，2010.

［4］ HARTMANN J，et al.A non-contact technique providing improved accuracy in area measurements of radiometric apertures［J］.Metrologia，2000，37：637-640.

［5］ HARTMANN J. Advanced comparator method for measuring ultra-small aperture areas［J］. Meas.Sci.Tech，2001（12）：1678-1682.

［6］ FEDCHAK J A，et al.Measurement of small apertures［J］.Metrologia，2006（43）：41-45.

［7］ 周秀云，等.光电检测技术及应用［M］.北京：电子工业出版社，2009.