电路 董树江(共20页)

1、 西安工业大学北方信息工程学院课程设计（论文） 西安工业大学(dxu)北方信息工程学院 课程设计（论文(lnwn)） 题目：钢板(gngbn)厚度测试仪 系 别：光电信息系 专 业：测控技术与仪器 班 级： B120103 学 号： B120103 姓 名： 董树江 2012年11月15号 目 录第1章 引言(ynyn)1 HYPERLINK l _Toc264452078 1.1 研究(ynji)的背景和意义.1 HYPERLINK l _Toc264452079 1.2 国内外研究(ynji)状况1 HYPERLINK l _Toc264452082 第2章 测量原理和方法论证2 HYPE

2、RLINK l _Toc264452083 2.1 检测系统的测量原理2 HYPERLINK l _Toc264452084 2.2 方案的可行性分析3 HYPERLINK l _Toc264452085 2.3 本章小结4 HYPERLINK l _Toc264452086 第3章 系统设计4 HYPERLINK l _Toc264452091 3.1 光学系统设计4 3.2机械结构设计 5 HYPERLINK l _Toc264452092 3.3 电路系统设计6 HYPERLINK l _Toc264452095 3.4 计算机软硬件系统设计15 HYPERLINK l _Toc2644

3、52096 第4章 精度分析18 HYPERLINK l _Toc264452097 4.1 电路对测量精度的影响18 HYPERLINK l _Toc264452100 4.2 误差分析18 HYPERLINK l _Toc264452106 第5章 总结19参考文献 20 第一章 引 言1.1研究背景(bijng)和意义传统的测量方法开始(kish)于接触式测量，这种测量方法检测(jin c)效率低，劳动强度大，而且会使测量仪器的检测头发生磨损，从而造成仪器的测量精度下降。毋庸置疑，科技的发展和社会的进步还没达到一个高度。因此，在现代板材生产中，不论是轧制过程中还是最终产品的调整中，为获得

4、较高的板材命中率和最佳的轧制过程及剪切效果，板材尺寸测量系统已成为生产线上不可缺少的设备之一。第一台接触式速续测厚仪大约出现在1930年。操作者用这台侧厚仪器去侧量铜材的厚度时, 必须把它推向待侧的钢带, 用机械的方法来测量距带材边沿几寸范围内的金属材料的厚度。这种测量方法使用极其不便，而且测量精度也很低。在我们看来，一般的物体尺寸的测量，无非长、宽、高（厚），三个方面，而厚度测量是生产中最常见的测量内容之一,常用量具是游标卡尺或千分尺,这些量具在使用时都必须和工件接触,虽然接触压力不大,但对一些特殊工件,在测量时不允许量具和工件接触,否则会在工件表面上留下压印或划痕，甚至有些测量环境环境下很

5、难或无法进行接触式测量，那么，这就需要有一种新的方法来代替接触式测量. 随着科技大发展和生产力的要求，非接触式的测量方法出现了。第一台成功的非接触式自动测厚仪应用了X射线吸收技术。从此，非接触式测量方法开始了迅猛发展，其强大的功能和优点无法使传统的接触式测量望其项背，也为人类社会的发展，工业文明的进步做出了巨大的贡献。 激光测厚仪是近年来开发出的高科技实用型设备, 是用于热轧生产线上时在线式连续测量成材厚度的非接触式测量设备。它有效地改善了工作环境, 具有测量准确、精度高、实用性好、安全可靠、无辐射、非接触式测量等人工测量及其它测量方法无法比拟的优点, 并为轧制钢材厚度控制提供了准确的信息,

6、从而提高了生产效率和产品质量, 降低了劳动强度度。激光测厚仪使用两年多以来, 具不完全统计, 因板厚误差造成的废品率下降了50%以上, 创经济效益上亿元, 广泛地受到人们的肯定与赞赏。我们有理由相信，在未来的发展过程中，激光测厚仪作为非接触测量领域的一个重要分支将更能发挥其作用。 1.2国内外研究现状近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。利用CCD 技术对产品表面质量进行实时检测、动态测量，具有结构简单、非接触、精度高、测量速度快、性能稳定可靠等优点。摄像头的主要传感部件是CCD，它具有灵敏度高、畸

7、变小、寿命长、抗震动、抗磁场、体积小、无残影等特点。CCD 产业前七大厂商(chngshng)皆为日系厂商，占了全球98.5的市场份额，在技术发展方面(fngmin)，主要厂商应为索尼、飞利普，NEC和柯达公司。国内目前钢板测宽仪,其结构复杂,控制繁琐,需要标定，以及(yj)及时维护,实时操作性差。而本文所要研究的，是在原有的钢板在线测宽仪的基础上，提出了一种改良型的系统。系统中采用经济的线阵CCD 成像系统,应用CPLD 与单片机结合采集与处理测量数据，和边缘细化技术提高测量精度。整套系统结构简洁,成本低廉,抗干扰性能好，调试方便。 第二章 测量原理和方案论证 2.1激光三角法的基本原理激光

8、三角法的基本原理,由光源发出的一束激光照射在待测物体平面上 ,通过反射最后在检测器上成像。物体表面的位置发生改变时,其所成的像在检测器上也发生相应的位移。通过像移和实际位移之间的关系式 ,真实的物体位移可以由对像移的检测和计算得到。其中：是投影光轴与成像物镜光轴的夹角；是光电测试器受光面与成像物镜光轴的夹角，而s和s分别是物距和像距,d是传感器上的成像点的偏移 ,而为实际的物体表面的偏移。系统的相关参数为：偏置距离D为从传感器到被测表面参考点的距离;测盘范围为最大能检侧到的物体表面的偏移,即|引的最大值；测量精度,传感器的最小测量单位；分辨率一般指测量的纵向分辨率 ,为测量精度和测量范围之比；

9、横向分辨率为待测物体表面上所取测量点的最小间距。为了实现完美聚焦 ,光路设计必须满足斯凯普夫拉格条件；成像面、物面和透镜主面必须相交于同一直线 , 如下图2.1中X点所示。系统的非线性的输人输出函数为：（2.1） （2.2）其中(qzhng)：为三角测量系统的固定参数(cnsh)。当物体偏转较小时(xiosh)，(2.1)以近似为线性关系：（2.3）图2.1 激光三角法的原理框图激光三角法的另一项重要的参数为线性度,就是三角测量法输人和输出关系线性近似程度。可以证明,在三角测量中,可以通过缩小测量范围,增大接收透镜的共扼矩,增大三角测量系统的角度,缩小接收透镜的放大倍率,达到线性测量的结果。此

10、外,由(2.1)式对d求导,得到输入输出曲线的斜率,即激光三角法的放大倍率：（2.4） 2.2 方案的可行性分析根据2.1节，系统主要由以下几部分构成：1)光电转换；2)信号采集与处理的硬件实现；3)信号采集与处理的软件实现；4)信号与上位机的通信。对于信号采集部分，现有的信号采集结构按其是否与信号处理部分分离可分为以下几类：第一种是模拟输入专用信号采集系统，该类系统将采集卡放置在计算机内部，采集卡的作用是进行A/D转换并通过计算机总线将数据送入计算机内存，用软件实现处理；第二种是模拟输入采集处理一体化结构，此种结构是将采集、量化集成到一块板卡上，一般由输入输出接口、A/D转换数字化单元、高速

11、缓冲区和微处理单元构成，这种结构设计大大减轻了计算机的处理负荷，但增加了电路设计实现的难度；第三种是数字输入，是采集和处理部分分离的采集系统，这类系统的前端是数字输出的CCD相机，输出的数字化信号直接接入处理器，这种采集结构传输距离长、受外部干扰小开发简单。经过对上述几种采集结构的分析，了解到第一种耗费计算机资源，实时性不高，不适合大量数据的实时处理；第二种是基于母板的二次开发，仍然受到一定的限制；第三种处理结构是为线阵CCD相机专门设计的处理系统，用户接口考虑到与相机积分时间同步，采用LVDS格式的数据串行传输，开发相对简单(jindn)、成本低，因此，我们采用第三种数据采集结构。 激光辅助

12、(fzh)测量法，采用了线结构光。激光从激光器发出,经过(jnggu)柱面透镜后汇聚成宽度很窄的光带,称为结构光。该光平面以一定角度入射在工件上,在工件上产生反射和散射，并可已知投影光线的空间方向。这种光源有多优势。此外，这种测量方法较激光三角法和偏转差值法有结构简单的优势。所以我们采用激光辅助测量法。 2.3本章小结本章首先了介绍了尺寸检测系统的整体设计方案，接下来分别阐述各模块设计的理论依据。在此基础上引出了本课题的技术方案和可行性分析及其性能特点。 第三章 系统设计3.1光学系统设计光学系统对成像质量有着十分重要的意义，它直接影响成像系统的工作距离、视场、分辨率、灵敏度和畸变等多项性能参

13、数。 3.2机械结构设计行走机构主要由步进电机、滚珠丝杠副、滑动导轨组成，采用的是丝杠转动螺母移动的方法。步进电机的转轴通过联轴器和丝杠直接连接，丝杠跟随电机一起转动，从而把电机的转动转化为螺母的移动。螺母上固定有螺母座，而螺母座又与安装在导轨滑块上的工作台底板连接，最终把电机的转动转化为工作台在导轨上的平动，实现传感器的位置移动。 3.3电路系统设计 CCD的输出信号是脉冲信号，其中既包含被测尺寸的信息，又含有大量的复位噪声和电子系统的白噪声，使得有用信号难以提取。由于CCD本身的感光单元有一定间距，加上照明光源在视场内光强分布的不均匀性，CCD本身的光敏不均匀性、转移损失以及光源在通过待测

14、目标边缘时的衍射现象等原因，使得CCD输出不会是理想的0/1信号，导致CCD输出信号波形在轮廓边缘处有一渐缓的过渡区，而且这一过渡区随着轮廓在视场中位置(wi zhi)的变化而变化，这一变化直接影响捕捉真正代表物体边缘的特征点，进而影响测量精度。因此，如何从CCD的输出信号中提取出真正代表物体边缘的特征信息，是测量的难点所在。由于被测物体的边缘是通光和挡光的交界点，理论上该处的光强变化率最大，该点就是滤波后的视频信号电压函数u=u(t)在过渡区内的拐点，由高等数学的知识知道，在拐点处，电压函数的一次微分为最大值，二次微分为零。电路便于寻找为零的点。基于此，可设计微分法处理电路提取测量信号。图3

15、.3.1未放工件(gngjin)输出信号 图 3.3.2 放工件输出(shch)信号 观察CCD的输出波形，发现原始信号上附加有许多细小的“毛刺”，为了准确地从中提取出有用的信号成分，必须尽可能地抑制或消除各种噪声干扰。归纳起来主要有以下几种方法：1）低通滤波法(LFS)2）双斜率积分法(DSI)3）嵌位切除法(CCS)4）相关双取样(CDS) CCD的输出信号(xnho)幅值为2V3V，可以直接进行信号处理，不需要放大环节。信号处理原理图如图3.3.3所示：图 3.3.3 信号提取(tq)电路示意图3.3.1低通滤波器图3.3.4二阶有源低通滤波器的实用(shyng)图在对CCD输出信号二值

16、化之前要对噪音进行抑制，主要抑制宽带白噪声。压控电源低通滤波电路是由两节RC滤波电路和同相比例放大电路组成，其中同相比例放大电路实际上就是压控电源，同相比例放大电路的电压增益就是低通滤波器的通带电压增益，即A0=AVF=1+Rb/Ra由图可得电路的传递函数为：（3-1）又因AVF=1+Rb/Ra(AVF为集成运放(yn fn)压控电源增益)，则有：（3-2）为二阶低通滤波电路(dinl)传递函数的典型表达式。其中wn2=1/R1R2C1C2为特征(tzhng)角频率，而Q为等效品质因数。为了求出二阶有源低通滤波器的频率响应，可令s=jw，由此可求得幅频响应和相频响应分别为：（3-3）3.3.2

17、相关双采样 CCD图像传感器的输出信号是图像采样的离散模拟信号，无论是线阵还是面阵，其中夹杂着各种噪声和干扰成分，极大地影响了CCD的成像质量。CCD信号处理的目的就是在不损失图像细节前提下尽可能消除噪声的干扰，保证在其工作动态范围内，提高信噪比，取得高质量的图像，以便准确地提取出各像元中的信号成分。由于CCD器本身具有积分效应，从而使得外部的噪声被大大的消除，CCD输出的视频信号包含大量的噪声，主要有光子散弹噪声、暗电流噪声、输出放大器产生的复位噪声。而器件本身的噪声主要分为3类:散粒噪声,暗电流噪声和平移噪声。消除的方法很多，主要采用的有低通滤波、相关采样、微分取样法、反射延迟法等，由于相

18、关双采样电路具有抑制噪声效果(xiogu)好，引入噪声小，工作频率高，电路简单和易于集成化等优点，适合高性能CCD信号处理。相关双采样法图 3.3.5 相关(xinggun)双采样 实现(shxin)相关双采样电路基本电路如图3.3.5所示，在t1t2期间对复位电平进行第一次采样，C2电容保持的电压为KTC噪声、复位失调电压与复位电平的叠加。而第二次采样在t3t4之间，C3电容保持的电压为KTC噪声、复位失调电压和有用视频信号的叠加。两次采样间隔为Tg。输出信号为两次采样值进行相减后所得的信号电压。CCD输出结构图如图3.3.6所示：图3.3.6 CCD 输出结构图在每一个像元周期开始、信号(

19、xnho)电荷到达之前，复位脉冲到来使复位开关接通在存储电容上CS复位一个(y )复位电平，由于复位开关热噪声的影响，常使CS上的复平偏离这一理想(lxing)位置，这段偏离量就是复位噪声。当信号电荷到来时，复位开关截信号电荷注入到已被复位的CS上使CS上电位降低V，这样输出缓冲放大器源极也变化。这一过程主要完成把CCD光电的信号电荷量转换成以电压形式输出的视频信复位脉冲到来一次，CCD就输出一个像元信号，所以在一个像元周期内复位开关产复位噪声也将保留到下一个像元周期开始，复位噪声在复位电平和视频电平期间在。复位电平与视频电平之间差值V的大小与CCD光电信号电荷的大小成正比，是说CCD输出的有

20、用信号是V，采用相关双采样技术就是通过对复位电平与视频分别进行采样，将两个采样信号通过一个差动电路得到V，这一过程就把与复位和视频电平都相关的复位噪声滤除了。相关双采样电路输出信号及采样时序如图3.3.7所示。图 3.3.7 相关双采样输出信号及采样时序在实验中，我们采用TL1591型采样/保持放大器来完成相关双采样功能，TL1591具有15MHz采样速率，30ns采集时间和25MHz工作带宽等优良性能。3.3.3差分放大电路VS为有用视频信号输出，CS为输出复位电平信号。因此，在外部电路采用差分比例运算电路时，把这两个信号加到差分比例运算电路的两个输入端即可很好地消除噪声，并可得到有用信号。

21、下面对差分比例运算电路进行一下分析：首先，我们设VS输出的CCD信号（含噪声）电压为Ui1，CS端输出信号电压为Ui2。这里，我们知道Ui1=Ui2+UCCD（其中UCCD为不含噪声的CCD输出信号），实际上，我们可以把Ui和Ui这一对输入信号看成是一对共模信号和一对差模信号组成。若将两个输入信号分别写成下列两个分离之和：（3-4）则可以看出两个输入信号中第一个分量的数值和相位均相同，符合(fh)共模信号的定义第二个分量的数值相同而相位相反，符合差模信号的定义。因此这样一对任意信号就可以表示为一对共模信号和一对差模信号之和。即（3-5）其中(qzhng)：Uic1为差分比例运算电路的共模输入(

22、shr)电压。Uid1为差分比例运算电路的差模输入电压。因此差分电路的差模输入电压为： （3-6）差分比例运算电路如图3.3.8所示：图 3.3.8 差分比例运算(yn sun)电路差分比例运算(yn sun)电路中若RF=Ri，则Uo=UCCD所以(suy)我们将Vs端接在差分比例运算电路的正相输入端，Cs接在差分比例运算电路的反相输入端，以保证CCD输出信号为正向信号。3.3.4微分电路图3.3.9 基本微分电路及微分电路的阶跃响应如图3.3.9所示：微分电路的输出电压与输入电压成微分关系。对于基本微分电路，其输入ui与输出uo之间满足关系： （3-7）表明，输出幅度随输入频率的增加而线性

23、增加，因此该电路对高频噪声特别敏感，以致(yzh)噪声可能完全淹没微分信号。其次，考虑基本微分电路的RC环节对反馈信号具有滞后作用，它和集成运放内部电路的滞后作用合在一起，在RC参数选择不当会引起自激振荡。实用的微分电路如图3.3.10所示，加一小(y xio)电阻R6与微分(wi fn)电容C6串联，提高电路抗干扰的能力。R7与C7并联，起相位补偿作用。R8与C8起阻抗匹配作用。该电路输入ui与输出uo之间满足关系： （3-8）为了减小误差，提高运算精度，同时电路能够稳定的工作，要求 R6选小点，R7选大点，并且满足1/R6C6=1/R7C7关系为最佳。实际中选R6=50、C6=10nF、R

24、7=50K、C7=10pF、R8=50、C8=10nF。图3.3.10实用微分电路3.3.5绝对值电路图3.3.11绝对值处理(chl)电路如图3.3.11所示绝对值电路，又称全波整流电路。该电路的输出电压(diny)等于输入电压的绝对值，即uo=|ui|，故称为绝对值电路。绝对值电路处理电路的工作原理：当输入电压为负时，线性检波电路不工作。此时，输入电压通过(tnggu)电阻R5，加到反相放大器的反相输入端。取电阻R5=R8，则电路的放大倍数等于-1。因而在输出端产生正的输出电压。由于输入电压是正电压，所以线性检波器工作，此时a点的输出电压为-ui。一方面，正的输入电压ui在b点为+ui。另

25、一方面，线性检波器的输出电压-ui，通过电阻加到b点上。但是,电阻R4阻值比电阻R8小1/2。所以被供给两倍的反相电流，使反相放大器产生正的输出电压。这样就完成了全波整流。但是,上述绝对值放大电路工作原理的剖析，是在电阻R4与R8之比必须为1/2的情况下做出的。实际使用时，取R1=R2=R4=10K，R5=R7=20K，R3=R6=5K3.3.6过零触发电路 过零触发电路，可将正弦波变换成无相位误差的方波。另外，还可产生触发脉冲。图3.3.12 过零触发(chf)电路 如图3.3.12所示，输出(shch)电压uo值由稳压二极管的齐钠电压所决定(judng)。如果采用05Z5.6A型稳压二极管

26、，该二极管的齐钠电压约为6.3V，如果采用02BN2.7型稳压二极管，该二极管的齐钠电压约为3.5V，所选稳压二极管型号不同，输出电压不同。 3.4计算机软硬件系统设计 第四章 精度分析 4.1电路对测量精度的影响 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，下面主要介绍零点漂移现象及其产生的原因 1、什么是零点漂移现象：uI0，uO0的现象。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(mngn)是主要原因，故也称零漂为温漂。3.克服温漂的方法：引入直流负反馈，温度(wnd)补偿。典型电路：差分放大电路 4.2误差(wch)分析产生误差的

27、原因较多，有些是可以采取一定方法避免或减小的，有些则是在设计中固有的或是客观环境中存在的，是不可避免的。总体来说可以分为实验条件产生误差，系统硬件产生误差以及软件算法引起误差等。(1)实验条件引起误差主要是由于在实验室无法创造与工业现场完全相同的条件。实验室无法模拟轧钢现场温度、灰尘、电机震动等各种复杂因素，实验环境要理想许多；电炉加热温度不能完全达到工业现场钢板温度；实验测量相机高度及镜头选择与轧钢现场选择不同。同时人工测量的是冷却后钢板宽度作为标度，但CCD采集的是炽热钢板宽度，由于热胀冷缩，这也会引起试验误差。(2)系统硬件引发误差理想状况下CCD应该固定在与测量钢板垂直的正上方，但在实

28、验时CCD相机位置固定时容易发生晃动，使成像大小发生变化，从而影响本系统的测量精度。CCD像元尺寸也是影响测量精度的一个因素，主要表现在边缘检测时，像元尺寸越小，检测精度越高。另外实验时两块挡板平行才能模拟钢板，但人为因素造成摆放挡板不能绝对平行，这一点可以通过测量挡板间多点间距求平均值作为实际测量值来修正。(3)软件算法引起的误差虽然在系统设计时考虑到采用硬件电路对信号进行处理会引入更多误差，但是每一种软件算法都有其自身的局限性。本系统使用单片机作为微处理器，单片机计算速度比较慢，片上资源有限，这些都制约了我们软件算法设计时，只能选择实现简单，耗时少的滤波及二值化算法，这些算法固有的局限性都

29、会使最终计算结果产生误差。 设计过程(guchng)中的误差分配指定一个合理的误差量（根据仪器设计精度）分配给上述电器产生的随机误差项，特别是分配给光源，以便(ybin)获得光源的选择参数和稳定性参数，同时可以适当地分配给CCD传感器，电路，数据采集等环节。（1）光源不稳定引起(ynq)的误差（2）CCD感光单元灵敏度不均匀误差（3）单片机硬件计数存在误差（4）环境造成的影响 由分析可以得到如下系统误差：1）光源发散角引起的误差ll，2）成像镜头引起的误差es，3）被测工件倾斜引起的系统测量误差mt，4）被测工件不均匀性引起的误差mm。（1）光源发散角引起的误差（2）成像镜头引起的误差（3）被测工件倾斜引起的系统测量误差（4）被测工件不均匀性引起的误差 仪器的总误差来源为： 第五章 总结 在这次课程设计的过程中，我们每个人的着重点不一样，从查阅资料到选材料再到做成要求的格式，然后不断修改使其看起来更有逻辑性和条理性，我们每个人都遇到了大大小小的困难，但这更促进了我们之间的交流，也深深体会到了这次课程设计的意义。钢板尺寸在线检测系统研究对于在轧钢现场实现自动化检测钢板尺寸有着重要的意义。本文在研究国内外检测系统现状的基础上，设计了基于线阵CCD与单片机的实时测量系统。本系统重点利用STC89LE52RC、BASLER Ll0lk型2048像元的线阵CC