基于COMSOL Multiphysics非接触测量玻璃厚度、折射率

摘 要：针对存在难以接触到测量表面的玻璃，提出一种利用有限元软件COMSOL Multiphysics结合MATLAB的数字图像方法和配套的实验工作台测量玻璃厚度的方法。利用该方法不仅能非接触地测量玻璃厚度，还可以测量玻璃的折射率。解决了特殊的工作场合难以测量玻璃厚度的问题。

关键词：COMSOL Multiphysics；非接触；厚度、折射率

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.06.162

0 前言

国标对不同类型的玻璃厚度检验做出了相应的规定，统筹使用外径千分尺或者具有相同精度的仪器进行测量。本文涉及到的是为确定玻璃厚度所设计的必须计量器具以及辅助设备，属于计量装置一类[1]。在实际生产中，碍于玻璃特殊的保护外形，一般测量仪器难以接触到玻璃的两个表面，测量困难。因此提出一种光学非接触测量方法，利用激光反射得到两激光亮斑，通过分析软件得到两激光亮斑的直线距离，再得出玻璃厚度和折射率。

1 基本原理

单激光反射法的理论基础是光学三角理论，利用激光反射法测量玻璃厚度的原理如图1所示。当入射光P0以一定角度T0入射到玻璃中，有部分光在玻璃的上表面发生反射，反射出来的光线为P1，根据物理学原理，反射角T1等于入射角T0，另一部分经空气――玻璃上表面折射后，在玻璃下表面折射出角度为T2的反射光线，在玻璃下表面反射出P2，再通过玻璃上表面――空气表面折射出P3，可以知道光线P1和P3平行，则可以通过平行光线的间距h得出玻璃板的厚度d。根据折射原理，计算得到玻璃厚度d与光线间距h之间的公式为：[2]。

2 实验仪器

本试验台在偏振光实验系统上加以改进，仪器光源为激光器，配有光学测角台、导轨以及支架，另外还有光电传感器和光电流放大器[3]。结构如图2所示，在导轨上一端有激光发射装置，另一端有光学测角台。玻璃竖直固定在光学测角台上，使之与光源轴线呈现一定角度，光电接收器在光学测角台一端，配有开缝较小的纸片，方格纸备用。

3 采集数据

检验无误后接通电源，激光源发出激光打在玻璃上，激光经过玻璃的反射出现两个激光光斑。在光电接收器上贴上处理好的开缝纸片，两个光斑扫过纸片，通过光电接收器得到光电流，记录玻璃前表面反射光电流最强点的时候在光学测角台上的角度，得到T0，再将方格纸贴在光电接收器正前方，用照相机记录两光斑的位置。再重复以上实验，得到两组数据。更换不同厚度的玻璃，再得到不同组数据。

4 数据处理

首先将得到的有两亮斑的图片进行裁剪，裁剪出Ρ惹逦的图块，再作灰度处理（既亮度调整，对比度调整等步骤），启动Matlab软件，利用Matlab软件来进行数字图像的二值化处理，在文件菜单里连接COMSOL Multiphysics，把基于激光亮斑构建的图片，直接导入数值计算软件，进行建模利用高斯分布拟合曲线将光强分布拟合成两个具有最高值的双峰Origin拟合曲线[4]，如图3所示，寻找曲线的两最高点的横坐标，做差后得到两峰值点之间的距离，此距离便是两亮斑的水平距离。

5 程序设计

经过以上步骤，得到必须的数据，本方法利用vb编写程序，简化计算，在本程序中需要输入两组不同的入射角，以及分别由拟合曲线得到的两组亮斑距离，最后计算出玻璃的折射率和厚度。

6 结论

基于真实的激光亮斑图片，通过剪裁、灰度处理以及二值化，再导入计算软件，可建立数值计算模型，最后进行厚度、折射率计算。将得到的数据和用游标卡尺测得的玻璃厚度相对比，所得误差与国家标准相对比，符合国家测量标准。通过本方法可以测出特殊工况下玻璃厚度，以后条件允许可以形成在线测量，做出一套合格的测量仪器。

参考文献：

[1]韩正铜，杨善国.机械精度设计与检测[J].中国矿业大学出版社.

[2]孙峰.玻璃厚度在线测量系统的研制[J].大连理工大学.

[3]于建勇，秦丽霞.物理实验教程[J].中国矿业大学出版社.

[4]王录合，赵春孝，姜振泉，钱自卫，唐鑫，煤田地质与勘探[J].

作者简介：陈寿起（1993-），安徽六安人，本科在读，研究方向为机器人技术。