超薄金属薄带厚度测量系统的研究

论文摘要

受中国物理研究院的委托，我们设计研究了一种白光差分干涉测量装置来测量超薄金属薄带的厚度。该项目在完成理论可行性论证后，要进行硬件的设计、制造和调试，另外，要进行数据处理算法的研究和软件的编写。本文的主要研究工作有理论可行性研究和数据处理算法的研究及算法可行性的论证。 以光的干涉理论为基础，对白光差分干涉测量装置的理论可行性进行了分析论证，并根据计算提出了在误差许可的范围内，在设计测量装置时应满足的要求，可以据此选择材料及指导安装。 根据白光差分干涉谱数据由低频和高频组成，并且频率变化是非线性的特点，提出了以小波理论为基础的滤波及去噪方法，提取出所需的低频项数据，从而得到金属薄带的厚度。根据算法的特点，提出了测量的条件，估算了小波滤波的层数。并对处理白光干涉谱数据的极值法进行了改进，用这种方法可以较精确的得到金属薄带的厚度。 为了解决极值法处理白光干涉谱数据求光程差存在抗噪声差的缺陷，提出了一种基于均方差最小意义下新的处理方法。该方法假定当拟合值与测量值最接近时，对应光强的均方差最小。通过数值仿真的方法验证了该方法的可靠性。该方法利用进行归一化处理后的可用测量光强数据，与拟合光强求均方差，通过逼近法获得均方差最小时对应的拟合值。实验结果表明，利用该方法处理自光干涉谱数据得到的光程差，不仅比极值法具有更高的数据精度，而且有效的提高了抗干扰能力。 本文提出的基于小波理论的处理白光差分干涉谱数据的算法在VC++6.0编程环境中实现了，其中小波滤波调用了MATLAB函数。程序经过了仿真数据及实际测量数据的验证。在论文的最后，提出了完善本系统的设想。

论文目录

• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 薄带测厚系统的现状
• 1.2.1 超声波测厚
• 1.2.2 射线测厚
• 1.2.3 激光测厚
• 1.2.4 运算型电容传感器测厚
• 1.2.5 涡流测厚
• 1.2.6 干涉测厚
• 1.3 本论文研究的内容
• 第二章 光的干涉理论
• 2.1 光的干涉发展简史
• 2.2 光的电磁理论基础
• 2.3 波的叠加原理
• 2.3.1 两个频率相同、振动方向相同的单色光波的叠加
• 2.3.2 两个不同频率的单色光波的叠加
• 2.4 光波的干涉条件
• 2.5 干涉条纹的可见度
• 2.6 光源非单色性的影响和时间相干性
• 2.6.1 光源非单色性的影响
• 2.6.2 时间相干性
• 2.6.3 迈克耳逊干涉仪
• 2.7 处理白光干涉谱数据的极值法
• 第三章 小波分析理论
• 3.1 小波理论的产生和发展
• 3.2 小波的概念
• 3.3 小波变换
• 3.3.1 连续小波变换
• 3.3.2 连续小波变换的逆变换（ICWT）
• 3.3.3 离散小波变换
• 3.3.4 二进小波变换及其逆变换
• 3.4 多分辨率分析与正交小波变换
• 3.4.1 尺度函数与尺度空间
• 3.4.2 多分辨率分析概念的引入
• 3.4.3 小波函数与小波空间
• 3.4.4 正交小波变换与多分辨率分析
• 3.5 二尺度方程
• 3.6 正交小波变换的快速算法
• 3.6.1 系数分解的快速算法
• 3.6.2 系数重建的快速算法
• 3.6.3 初始输入序列
• 第四章 超薄金属薄带厚度测量系统的设计
• 4.1 超薄金属薄带厚度测量系统的原理设计
• 4.2 白光差分干涉光强与金属薄带厚度的关系
• 4.3 测量装置应满足的条件
• 4.3.1 光线平行性条件
• 4.3.2 光程差的限制
• 4.3.3 反射面与光线垂直条件
• 4.3.4 两个反射面的反射率不同的问题
• 第五章 基于小波理论的白光差分干涉谱数据处理方法
• 5.1 白光差分干涉谱数据的特点
• 5.2 小波变换处理干涉谱数据
• 5.2.1 小波去噪原理及算法
• 5.2.2 小波滤波原理
• 5.2.3 小波变换处理白光干涉谱数据
• 5.3 极值法的改进
• 5.4 软件程序流程简介
• 5.5 测量装置参数估算
• 5.6 小波滤波层数的确定
• 第六章 提高白光干涉谱数据处理精度的方法
• 6.1 基于均方差最小意义下的白光干涉谱数据处理方法
• 6.2 实验验证
• 第七章 总结与展望
• 附录一 在VC++中编写MATLAB引擎程序的步骤及方法
• 参考文献
• 硕士期间发表的论文
• 致谢