CCD法测量细丝直径[教学应用]

1、西安工业大学光电工程学院课程设计题目：细丝直径测试仪专 业： 测控技术与仪器班 级：110108学 号：110108120学 生：郑世超任课教师：吴玲玲2014.12教育a光电仪器设计课程设计任务书一、题目：细丝直径测试仪该仪器是用于对细铜丝直径的尺寸参数进行测量的一种测试仪器。二、技术要求1 方法：非接触式测量2 铜丝直径：10.01mm3 测量精度：1%；4 测量状态：在线测量；5 超出铜丝直径公差要有报警功能。三、设计任务对该仪器进行总体设计，具体内容如下：1 设计任务分析；2 方案论证；3 系统设计（含局部单元设计）；4 精度估算。四、设计要求1.设计说明书一份(不少于5000字)；2

2、.时间：2014年12月4日2014年12月18日2014年12月18日下午答辩交论文；3.参考文献：自定 题目：细丝直径测试仪基于远心光路成像系统的线阵CCD 直径测量仪摘 要光电检测技术将光学技术与电子技术相结合实现对各种量的测量它具有如下特点高精度光电测量的精度是各种测量技术中精度最高的一种.非接触测量光照到被测物体上可以认为是没有测量力的因此也无摩擦可以实现动态测量是各种测量方法中效率最高的一种。随着新型光电器件的不断涌现、单片机数据处理能力的提高和生产全面质量管理的要求，非接触式智能化仪器将逐步取代传统上的机械测量仪器。我们设计了一套基于线阵 CCD 的非接触直径测量仪器，该装置可以

3、对0.5mm 30mm的工件进行测量，测量精度为5m。这篇文章论述了 CCD测量装置的基本原理，而且分析了光学系统各部分的形式，采用柯拉照明和远心光路成像， 以保证成像质量和测量精度。同时还给出了 CCD 测量直径系统的控制程序流程图及部分程序。再对实验得到测量结果，进行几个重要参数进行了分析，就影响系统测量精度的几种主要误差进行了讨论，有消除误差的方法，从而达到更高的测量精度。 关键字：线阵 CCD 直径测量 远心光路 非接触测量目录第一章 引言51.1研究背景和意义61.2国内外研究现状61.2.1国内发展现状61.2.2 国外发展现状7第二章 测量原理和方案论证72.1测量原理72.2方

4、案论证9第三章 信号处理电路设计103.1信号处理设计103.2 滤波器的选用113.3 信号处理的方法123.4报警系统设计15第四章 误差及精度分析164.1光学系统对测量精度影响164.1.1影响测量精度的因素及对策164.2信号处理电路对测量精度的影响164.3被测工件对测量精度的影响174.4误差分析17第五章 总结17参考文献19第一章 引言1.1研究背景和意义 光电自动检测技术随着现代科学技术以及复杂自动控制系统和信息处理与技术的提高光电检测技术作为一门研究光与物质相互作用发展起来的新兴学科已成为现代信息科学的一个极为重要的组成部分。光电自动检测作为光电信息技术的主要技术之一它是

5、以激光、红外、光纤等现代光电子器件作为基础通过对被检测物体的光辐射经光电检测器接受光辐射并转换为电信号由输入电路、放大滤波等检测电路提取有用信息再经模数转换等接口输入计算机运算处理最后显示输出所需要的检测物理量等参数。光电检测技术将光学技术与电子技术相结合实现对各种量的测量它具有如下特点高精度光电测量的精度是各种测量技术中精度最高的一种.非接触测量光照到被测物体上可以认为是没有测量力的因此也无摩擦可以实现动态测量是各种测量方法中效率最高的一种。 我们研究的基于线阵 CCD 便携式非接触直径测量仪器正是适应当前社会自动化生产的急需而设计的，该测径仪是一种光、机、电一体化的产品。对保证产 品质量，

6、降低原材料消耗，降低生产成本，提高劳动生产率有着重大的经济效益 和社会意义。传统的测量方法多数为接触法，其它的有电阻法、称重法。也有采用光学方法的。但是大多检测方法检测速度低，生产效率低，劳动强度大，跟不上目前自动化生产的 需要。在全面质量管理过程中，更需要先进的、智能的检测手段。CCD能够以电荷为信号, 把光学影像转化为数字信号。现代机械制造行业中,测量细丝直径仍存在一些难以解决的问题。传统的测微仪等接触测量法会使被测细丝变形而影响测量精度,工业上常用电阻法和称重法,因测量精度低,只能测量某段细丝的平均直径,很难满足现代工业的技术要求。近年来随着大规 模集成电路和激光技术的推广, CCD也得

7、到了很大的发展,由于其具有自扫描、高灵敏、低噪声、长寿命和高可靠性等优点,广泛应用于测量仪器中。我们通过CCD技术应用进行测径。CCD 在现代自动化生产中扮演者越来越重要的作用，为满足大工业化，生产线阵CCD 测径仪便应运而生，这个测径仪是一种光、机、电、算于一体的产品。 尤其对保证产品质量，降低 原材料消耗，降低生产成本，提高劳动生产率有着重大的经济效益和社会意义。1.2国内外研究现状1.2.1国内研究现状 国内由于自身的工业加工水平有限、测量原理的不完善和结构搭理欠合理， 所以，国内生产的测径仪测量精度没有国外的精确，河北省激光研究所光电检测 控制室生产的JCJ-1 激光测径仪，是专为玻璃

8、管生产线上玻璃管外径的测量、控 制、分选而设计的集激光、精密机械、计算机于一体的智能化精密仪器。通过激 光光束高速（200 次/秒）扫描被测玻璃管，计算机实时采样处理，实现玻璃管 直径在线非接触检测、控制，测量范围：0.5mm60mm，测量精度：0.01mm。 广州一思通电子仪器厂生产的 ETD-05 系列激光测径仪，测量范围：0.2mm 30mm，测量精度：2m，ETD-05 系列激光测径仪是一种基于激光扫描测量原 理而设计的高精度非接触式的外径测量设备，仪器采用二维测量模式，有效消除 工件振动造成的测量误差，特别适合生产现场的实时测量，适用于通信电缆、光 缆、同轴电缆、漆包线、PVC 管、

9、铜管、纤维线等圆形线材的在线检测，也可用 于其它各种圆形工件的外径测量。南京亿佰泰科技有限公司生产的 TLSM100 激光扫描测微仪，测量范围：0.2mm30mm，测量精度：3m，是一种高精度、 非接触的尺寸测量仪器。它通过激光束的扫描获得被测目标的尺寸，广泛用于测 量热的、软的、易碎的以及其它传统方法不易测量的物体，而且很适合生产中的 在线测量或者线材、棒材、管材、机械和电子元件以及其它生产过程的监控。 TLSM100 的自动方式适用于连续的测量；手动方式适合单次测量。它可以设置 上下偏差、峰值限制，当超限后做相应的报警；还可以计算最大值、最小值、平 均值。例如：可以测量旋转圆柱体的最大值、

10、最小值，辊子的偏差。我们研制的 基于线阵 CCD 6 测径仪测量范围：0.5mm30mm，测量精度：5m，适用于对被测工件进行静 态测量，也适用于生产现场的实时测量。1.2.2国外研究现状从 18 世纪工业革命以来，科学技术以前所未有的速度在突飞猛进的发展，特别是近 50 年来，随着现代化生产和加工技术的发展，对于加工零件的检测速度与精度有了更 高的要求，向着高速度、高精度、非接触和在线检测方向发展。为此，工业发达国家 对于检测仪器与设备速度与精度一直作为检测仪器的主要指标。CCD 测径仪特别适用 于电缆、电线的在线自动检测，对保证产品的质量，降低原材料消耗，降低生产成本， 提高劳动生产率有着

11、十分重要的意义，所以各国政府都很重视对测径仪的研究。英国 Beta AS3 系列全新的激光测径仪：LD1040-S(单向直径测量仪)、LD1040XY-S(双向直 径测量仪)，精度：0.1 m，测量范围最广，单向测径仪最大可测直径达330.3mm，双 4 向测径仪最大可测直径值达100mm，测量精度最高，最高测量精度可达0.1 m，是目 前同类产品中的最高的测量精度。日本生产的 LS-7000 系列高速、高精度 CCD 测量 仪器，如：LS-7030M（配备测量摄影机）测量范围：0.3mm30mm，测量精度：2 m，重复性精度：1.5 m。LS-7010M（配备测量摄影机）测量范围：0.04m

12、m6mm， 测量精度：0.5 m。第二章 测量原理和方案论证2.1测量原理本次设计测量原理采用物方远心光路，如图2-1。在光电检测中，常常在生产线上对工件进行动态测量或在实验室中进行静态测量，如测量钢丝直径、玻璃管直径或轴类零件等，为了提高测量精度，常采用远心光路和柯拉图2-1 物方远心光路投影测量原理照明一起配合使用。对物体 (工件) 大小的测量，一般是将物体按一定倍率要求，经光学系统成像在 CCD 的接收面上，然后对 CCD 输出信号进行测量。则细铜丝直径 D=fLd式中：D为所测细铜丝直径，d为CCD面上阴影尺寸，f为物镜6的焦距，L为光电接收器8与物镜6间的距离按照此种方法进行物体线性

13、尺寸测量时，光电器件与物镜之间的距离应保持 不变，其测量精度在很大程度上取决于像平面与光电器件接收面的重合程度。由 于在测量过程中，工件常常会沿光轴方向有所移动，使像平面与光电接收面不可 能真正重合，因而产生了测量误差如图 2-2 所示。图2-2 成像原理图 2-2 中， B1B2 为被测物体； B1B2表示被测物体像的大小；M1M2 为光电器件接收面，由于 B1B2与 M1M2 二者不重合，使像点 B1B2在 M1M2 上形成弥散班，在 CCD 器件接收面上，实际测量像的大小为 M1M2，显然它与实际的像长 B1B2是不同的。这 就使测量产生了很大的测量误差。为了消除这种误差，可以通过控制主

14、光线的方向来达到，我们在设计成像物镜时选择了远心光路，如图 2-3 所示：图2-3 物方远心光路2.2方案论证方案一、光学衍射法光学衍射法测量细铜丝直径在理论上已经很成熟。但实际应用中存在一定困难特别是在测量精度提高时。其中的关键困难在于当光经衍射后产生的衍射图样微弱信号的信噪比比较还由于衍图样的不条纹位置不明显给测带来很大困难。特别在实时动态测过程中造成测结果不稳定重复性差。而且本次的细丝直径为1mm在这个直径下不能形成明显的衍射条纹即衍射法在原理上存在不足。方案二、分光法 分光法在测量实质上是干涉法测量但也有不足、如果细丝有垂直于测量光方向的晃动 ,且晃动的幅度使投射阴影超出检测窗口之外

15、,将会改变阴影面积进而产生较大的测量误差，光照在细丝上会产生微弱的衍射效应 ,衍射会导致线性度变差、环境光扰动会降低信噪比 ,影响测精度、光电三极管对温度有一定的敏感性 ,会随温度的变化而产生灵敏度的变化、分光法也不适合于与计算机的连接以及后续图像采集与处理保存。以上不足使得反光法对现代化自动化生产有一定的局限但分光法在原理上不存在任何问题。方案三、线阵CCD法CCD细丝直径测量系统具有测量速度快测量精度高抗干扰能力强等优良特点是一种非接触式的测量系统属无损伤测量不影响加工系统正常运行非常适合于生产线上尺寸的测量。该设计方案集成化程度高可与计算机相联可进行测量数据的集中采集和分析以便进行质量分

16、析和统计并在生产过程中出现质量问题时进行报警提示便于控制和自动化生产。采用线阵CCD细丝直径测量系统具有以下优点： 1、测量精度高，测量速度快，抗干扰能力强等。 2、时非接触式的测量系统，不影响加工系统正常运行，属无损伤测量，非常适合于生产线上尺寸的测量。 3、设计方案集成化程度高，可与计算机相联，进行测量数据的集中采集和分析，以便进行质量分析和统计，并在生产过程中出现质量问题时进行报警提示，便于控制和自动化生产。第三章 信号处理电路设计CCD成像测量技术是测量方法中的一个较新的分支, 其特点是利用CCD (电荷耦合器件) 对被测物体进行光学成像, 然后采用图像处理技术完成非接触测量。利用CC

17、D对光纤直径进行测量采用的就是这种技术，本设计采用CCD平行光投影法，即通过照明光路用平行光将被测工件投影在CCD光敏元件上成像，从而通过像的尺寸获得细铜丝的尺寸。CCD以脉冲的形式输出视频信号，每一个离散电压信号的大小对应着该光敏元接收光强的强弱，而信号的时序则对应CCD光敏元位置的顺序。CCD用自身电子扫描方式完成信息从空间域到时间域的变换。但是经过CCD输出与被测直径相对应的离散电信号，但此信号幅值较低，质量也较差，必须对其进行滤波、放大、整形、二值化等处理后才能输出给微机进行计算分析。所以本次作业将重点对CCD输出信号的后续工作如滤波电路、二值化电路和微机接口等模块进行分析设计。3.1

18、、信号处理部分设计CCD输出的视频信号不能直接进行汁数处理及用于尺寸计算。首先由于信号微弱，且存在高频干扰，所以需要进行滤波放大。另外，光源发光强度不稳定，光路系统的调节也不可能尽善尽美，光带边缘存在一定色散，输出信号在光照和阴影边界处存在着由明到暗的过渡。为了得到与工件尺寸相关的阴影部分尺寸，需要对CCD输出视频信号进行二值化处理，将其转化成矩形波，然后用脉冲填充，计数器汁数，再通过微机接口与微机相连，结合控制程序进行数据采集和信息处理。因而整个信号处理阶段的流程框图可以用下图表示：经过测量系统后，CCD成像系统输出的时序视频信号应当如下图所示：可以知道CCD输出信号是时钟频率为1MHz的小

19、脉冲信号，幅值很小且叠加在一直流电平上，还有噪声存在，阴影区和和光照区分界模糊，此信号不能直接进行计数。首先应通过电容隔直，变成只有交流的信号。3.2 、滤波器选用接下来对信号进行滤波和放大处理，由于我们需要滤掉小脉冲信号，为高频成分，所以选用一低通滤波器来实现。而该信号幅值非常小，所以采用有源滤波器来对信号进行放大处理，因为有源滤波器除了具有滤波功能外，还能够实现信号的放大和缓冲作用；有源滤波器里面有采样系统，根据采样结果，施加以大小相同，方向相反的谐波电流，予以抵消，所以，其滤波能力和效果在一定范围内是可变的，适用于信号处理；而且有源滤波器具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波，具有高

20、度可控性和快速响应的特点。滤波过程中，需要对通带以外的频率成分实现较快的衰减，二阶滤波器能够实现40db/十倍频的衰减速度，响应较快。综合上述描述，滤波器可以选用二阶有源低通滤波器。根据题意，电路需要实现的功能有：电压从500mv到3-5V的增益，频率成分1MHz的滤除。所以滤波器的主要设计参数可以设定如下：截止频率2KHz；而滤波器的品质因数不可过小，常见的压控型有源滤波器的Q与增益A有关系：Q=1/3-A，所以增益不超过3，若要达到题目要求的10倍增益，可以在滤波器的后方级联一个放大电路，比如取Q=0.707，得到滤波器的放大增益为1.5，级联的方法电路放大倍数A1=6即可满足要求。二阶低

21、通滤波器传递函数：其中：A0为滤波器增益，为特征频率，Q为品质因数。二阶有源低通滤波基础电路级联一个反相放大电路3.3、信号处理方法经过滤波放大后的信号波形可以用下图近似表示： 3.3.1、二值化处理（不采用A/D转换）由于需要测量测量光纤直径，就需要知道CCD成像的阴影轮廓位置，而实际七在成像面的投影像轮廓的亮度分布不是突变的，而是有一个由暗到明的过渡过程。过渡过程所占的脉冲个数越少，也就越有利于暗明界线的正确判断。用远心光路照明时，可以认为像的真正轮廓大约在最大亮度的50处，用二值化方法来判断影像的实际位置和尺寸。这里可以采用比较法，比较法采用电压比较器，是实现二值化处理最简单的方法。将C

22、CD经滤波放大处理的视频信号送往该比较器的同相端，用一个电平作为阈值送到该比较器的反相端，对CCD视频信号进行切割。这样在比较器的输出端就可以得到信号二值化处理的结果，即视频信号高于阈值的部分均输出高电平，而低于阈值部分均输出低电平，形成了具有一定宽度的二值化电平的脉冲信号，将时域上的脉冲信号转化为空间域就可得到所要测量的光纤直径。比较法最重要的参数是设计比较器的阈值。由于在测量过程当中，所使用的光源难免会有供电电压波动、光学窗口污染、灰尘等因素的变化导致光强的变化，使得CCD输出的视频信号发生抖动，为了避免这些因素对测量带来的影响，可以采用浮动电平来确定阈值，即实时地取CCD输出方波的峰值和

23、谷值，然后取其峰、谷值的1/2作为切割比较电平，也就是切割电平随着峰谷值变化而上下浮动以保证取的是方波的l/2处。二值化流程示意图如下：经过上述二值化处理之后，我们需要进一步得到二值化信号所覆盖的CCD像元数目。由于每个CCD像元的尺寸为7.4X7.4um2，直接得到尺寸的话误差是两个光敏单元的间距14.8um。为了得到更高的测量精度，可以使用频率更高的时钟脉冲对二值化的信号宽度进行填充计数。由于原始CCD视频读出信号OS的频率为：f=1MHz，每一个脉冲代表7.4um，现在采用10MHz的时钟脉冲进行填充计数，那么每个脉冲代表的尺寸为0.74um，可以减小测量误差。得到测量的光纤尺寸： （n

24、为视频信号内10MHz脉冲数）3.3.2使用A/D转换测量使用A/D转换进行测量，是指在进行CCD输出视频信号进行放大处理之后，将模拟信号通过告诉A/D装置进行模数转换。测量时采用最大转换速率能达到20Ms/s的A/D转换芯片（比如TI公司的TLC5510A），CCD的时钟频率为1MHz，这样的A/D转换芯片完全能满足处理速度需求。由于CCD的复位脉冲RS每到来一次，CCD将输出一个光敏单元信号，利用CPLD在驱动CCD的同时引出一个CLK信号与复位脉冲RS同步，这样就可以保证A/D转换和光敏单元信号的输出在时间上同步。每次模数转换完成都将由CPLD产生中断信号，以提示处理器（比如ARM的ST

25、M或者AVR等）提取数据。测量系统原理框图如下：当全部像敏单元信号转化结束之后，A/D器件停止工作，处理器得到一个中断信号，获得A/D转换后的数据，通过数据总线输入到缓存器（比如SARM，三星公司的K1S2816BCM芯片，8MX16bit）中缓存。数据处理时，处理器从SARM中读取数据。首先滤掉波形中的毛刺，剔除实际应用中不可能出现的数值。然后对数据进行计算，由于采用8位A/D转换芯片时，每个像敏单元的模拟信号都被表示为一个0-225之间的十进制数值，然后将每个数值与设定好的阈值进行比较（比如采用剔除毛刺后的最大最小值平均值作为阈值），当高于阈值电压则高位寄存器内的值加1，反之低位寄存器内的

26、值加1。将所有得到的数值比较完毕之后，得到低位寄存器的数值，即得到CCD被光纤遮挡而未能感光的像敏单元数m，将m乘以CCD像敏单元尺寸7.4um，再乘以光路的放大倍数即得到光纤尺寸。3.4报警电路设计 为了对细丝直径进行实时监控，故设计此电路系统，当单片机检测到细丝的直径的直径设定值的上下限时，要进行声光报警提示。 1. 声光报警器件的选择 因为本设计应用于工业现场，工业现场噪声、光线都比较杂乱，所以声光报警器件发出的声、光强度都要比较大。本设计选用BC-809声光报警器。 BC-809声光报警器介绍： BC-809声光报警器是一种闪光灯和喇叭同时示警的设备。闪光灯采用脉冲氙气灯管制成，声音使

27、用压电扬声器产生，具有高亮度闪光、响亮音频报警功能。 主要技术参数： 工作电压：AC24VAC240V；电源频率：50Hz60Hz；功率：30W； 本部分的设计思路是：单片机发出控制信号后，通过三极管驱动继电器，通过继电器的二次触点与声光报警器相连，驱动声光报警器进行声光报警。2.声光报警电路 三极管基极输入电流：继电器的吸合电流/放大倍数=基极电流； I = 40mA/100 = 0.4 m A；为使继电器工作稳定，实际基极电流应为计算值的2倍以上。 基极电阻计算：（5V-0.7V）/基极电流 = 电阻值； R = 4.3V/0.8mA = 5.375K； 这里本设计基极电阻取值5 K。声光

28、报警电路在实际应用中，三极管若直接驱动继电器，当三极管由导通变为截止时，继电器的绕组会感应生成一个较大的自感电压，它与电源电压叠加后加到控制继电器线圈的三极管的发射极和集电极两极上，使发射结（e-c）有可能被击 穿，为了消除这个感应电动势的有害影响，在继电器线圈的两端反向并联抑制二极管，以吸收该电动势。自感电压与电源电压之和对二极管来说却是正向偏压，使二极管导通形成环流，感应的高低压就会通过回路释放掉，保证了三极管的安全。第四章误 误差及精度分析实验结果及影响测量精度的主要因素分析：4.1光学系统对测量精度的影响分析4.4.1影响测量精度的因素及对策1、衍射光线在细丝上会产生衍射效应，衍射会导

29、致线性度变差。实验证明：在20um以上，线性度是比较好的；在20um以下线性度较差，但Vi与d的正相关关系没有改变，此时应采用值运算以合法来提高精度。2、环境光扰动环境光扰动会降低信噪比，影响测量精度，在使用了滤波片已滤出了大部分干扰光，再加上遮光罩可使环境光扰动忽略不计。4.2信号处理电路对测量精度的影响分析由于外界环境及电路自身元器件的不稳定性，会使得测量结果偏离理想状况。零点漂移对测量精度的影响1、什么事零点漂移现象：输入为零 输出不为零的情况。2、产生原因：温度变化，直流电源波动，器件老化，其中晶体管的特性对温度敏感是主要原因，故也称零漂为温漂。3、客服温漂的方法：引入直流负反馈，温度

30、补偿，典型电路：查分放大电路。4.3被测工件的均匀性对测量精度的影响在生产过程中，轴类零件，电缆或电线的外径有时不很均匀。被测工件经过光照在CCD成像，线径不等时则被照部分CCD输出脉冲数与均匀被测工件被照部分的CCD输出脉冲不等，反应到测量结果上就会产生测量误差，在设计中，我们采用对被测工件的多次测量，然后求平均值的方法来消除这种误差，粗大误差也影响测量精度，但它是由外界条件的突然变化引起的，当外界条件改变时引起CCD输出信号的不稳定，只要保证外界条件持续稳定，则粗大误差就很少发生。4.4误差分析在实验过程中，我们分别对直径D=1.0mm的标准件进行了三次测量，每一组采取多次重复测量，取平均

31、值，并进行相应的精度计算。4.4.1标定误差图像处理在使用前都会与有一个相对的测量单位对所测量的对象进行标定（在此处对CCD象元尺寸进行标定）。在细丝直径检测算法中，采用的是屏幕后续检测单位标定法。标定中难免会有误差引入，但该误差属于系统误差。4.4当计算机在对细丝影像进行示值会对象元的占空比按1：2的比例取值。即象元的三分之二占满记一个单位长度，反之则不计数。该误差为随机误差。第五章 总结这次设计的机械部分是是基于线阵CCD的细丝测径在线测量系统的设计，检测带钢厚度是细丝生产中的一个重要的质量指标。基于线阵 CCD 便携式非接触直径测量仪器正是适应当前社会自动化生产的急需而设计的。对保证产品质量，降低原材料消耗，降低生产成本，提高劳动生产率有着重大的经济效益和社会意义。为保证细丝生产的质量控制，需要在细丝生产过程中对细丝进行在线监测，以利于提高产品的性能指标。而细丝测径利用线阵CC