测控仪器设计

测控仪器课程设计——基于线阵CCD的钢管直径测量系统院（系）名称：电子信息学院专业名称：测控技术与仪器系学生姓名：李伟学生学号：200731430062指导教师：仲思东2010年12月摘要本文介绍了基于线阵CCD的钢管直径测量系统，其特征在于实现了实时在线测量，效率高，测量准确。其方法为通过照明系统使物体投影于CCD图像传感器的光敏面上，将光信号转化为电信号，并通过设定阈值，建立二值化电路，设计检测电路对像元同步脉冲进行计数，求出被测物的像在CCD上所遮挡的像元个数，从而得出钢管像的尺寸，由光学系统的放大率可得钢管直径为：为线阵CCD的像元中心距提出总体设计方案，将钢管直径测量系统分为照明系统﹑成像系统﹑CCD接收系统﹑二值化电路﹑检测电路以及计算机系统几个组成部分，并就各个部分进行具体设计。最后对仪器的误差进行了分析，根据误差的来源和性质对相应的误差进行了合成，得出仪器精度满足设计要求。一、设计任务目的要求：利用CCD图像传感器进行尺寸测量是CCD应用最广泛的领域之一。本题目旨在从仪器总体设计思想出发，应用线阵CCD作为传感器，设计一套钢管外径测量系统。该系统的测量范围为60—100mm，分辨率0.01mm，精度达到0.05mm。主要内容：分析研究基于CCD的尺寸测量的工作原理基于工作原理确定系统总体方案进行全系统的总体设计并进行精度分析完成总体设计报告二、总体方案设计2.1光电传感器CCD简介CCD（ChargedCoupledDevice，电荷耦合器件）是由一系列排得很紧密的MOS电容器组成。它的突出特点是以电荷作为信号，实现电荷的存储和电荷的转移。因此，CCD工作过程的主要问题是信号电荷的产生、存储、传输和检测。CCD属于集成光电传感器，主要应用于光电图像的传感，因此也称其为CCD光电传感器。CCD图像传感器具有灵敏度高、结构紧凑、像素位置准确、自扫描等特点，因此，许多采用光学方法测量外径的仪器，把CCD器件作为光电接收器。CCD图像传感器有一维和二维之分，通常将一维CCD图像传感器称为线阵CCD，将二维CCD图像传感器称为面阵CCD，本文使用的是线阵CCD。2.2光电传感器CCD用于一维尺寸的测量光电传感器CCD用于一维尺寸测量的技术是非常有效的非接触测量技术，被广泛应用于各种加工件的在线监测和高精度、高速度无损检测的技术领域。线阵CCD图像传感器具有高分辨率、高灵敏度、像元位置信息强、结构紧凑及其自扫描等特性。线阵CCD器件、光学成像系统、计算机数据采集与处理系统构成的一维尺寸测量仪器具有测量精度高、速度快、应用方便灵活等特点，是现有机械式、光学式、电磁式测量仪器都无法比拟的。这种测量方法往往无须配置复杂的机械运动结构。抗电磁干扰能力强，从而减少误差来源，是测量准确度更高、使用更为方便。2.4总体设计该钢管直径测量系统集光、机、电、算于一体，具体过程为，待测钢管被照亮后，经成像物镜成像在CCD光敏阵列面上。由于钢管挡住了光线，中间不透光而形成暗带，两侧为亮带。中间暗带反映了钢管直径的大小。反映在CCD上为一个谷。如图1所示。图1CCD视频信号将该视频部分进行二值化后，填入时钟脉冲，该时钟脉冲对应CCD空间分辨率，由计算机采集这个尺寸对应的脉冲数，再经过数据处理得到待测钢管的尺寸该系统。该系统结构框图为稳压稳流电源稳压稳流电源照明系统被测钢管定位系统成像系统线阵CCD光电传感器CCD驱动电路二值化电路检测电路计算机数据采集接口计算机系统2.5光学系统设计由于钢管直径测量系统的测量范围为60~100mm，可以通过设计光路使物像成比例缩小，再反映到CCD上，但这样会降低测量精度和测量分辨率，故设计双CCD的测量系统，如图（2）：图2双CCD测量系统光学系统的作用是将被测钢管成像在CCD的光敏面上。为了消除杂光的影响，可以在系统中加有带通滤波器（滤光片），只允许照明系统的光谱能量通过光学成像系统。可见光学系统由成像系统和照明系统两部分组成，光路图如图3所示：图3系统光路图成像系统由图（3）可见，光学成像系统由物镜L﹑光阑和CCD器件组成。光阑设在成像物镜L的像方焦平面处。光阑为系统的孔径光阑，形成了物方远心光路，以控制轴外物点主光线的方向，使AB在CCD光敏面的像点位置不变。影响该系统成像特性的主要是物镜L。设钢管的物方线视场为2y﹑线阵CCD器件像敏单元的宽度为﹑像敏单元数为﹑物像之间共轭距为L，则成像系统的光学参数可由以下公式求出：（1）系统放大率系统放大率计算：式中，，为钢管在CCD像敏面上所成像的尺寸。（2）物镜的相对孔径物镜的相对孔径是由物镜的分辨率和CCD器件所需光照度的大小决定的。物镜的分辨率与CCD器件的有关。它们之间的关系为：由物镜的分辨率可确定物镜的数值孔径为：由式和分别求出物方孔径角U和像方孔径角值。式中，和分别表示物方﹑像方介质折射率。（3）确定物镜的焦距解联立方程组：可求出物镜的焦距和成像系统的外形尺寸和值。（4）视场角：式中，为CCD像敏面到物镜像方焦点的距离，。（5）孔径光阑的直径（6）物镜通光口径根据以上有关计算，本系统选用的物镜，系统放大率。照明系统钢管能否得到均匀照明对测量结果影响很大。由于成像系统采用了物方远心光路，因此照明系统采用柯拉照明方式与之相匹配。在图（3）所示光路中，由灯丝﹑集光镜﹑聚光镜和光阑组成柯拉照明系统。他们满足如下成像关系：灯丝经集光镜成像于聚光镜的物方焦平面处，再经聚光镜成像于无穷远且与成像系统的入射光瞳重合。被灯丝照亮的集光镜（或光阑）经聚光镜成像于物平面AB处。设被照明的物体直径为2y，物镜的物方孔径角为U，灯丝长度为，则根据成像关系，照明系统的外形尺寸可根据图（3）计算得出。聚光镜的口径为使钢管位置变化时，仍使AB得到均匀的照明：则聚光镜的口径要足够大，由图（3）可知式（1）：式（1）式中，为物面到聚光镜的距离。式（1）说明）聚光镜的口径与成像物镜L的数值孔径﹑被照明物方线视场2y及有关，从而可以选择聚光镜。（2）光阑的口径根据系统应满足拉赫不变量的要求及物镜L的物方孔径角U，有式（2）：式（2）式中为聚光镜的拉赫不变量；为物镜的拉赫不变量；，并由图（3）可知，代入式（2）可得式（3）：式（3）（3）光阑的位置和大小紧靠集光镜的光阑与物面AB是聚光镜的一对共轭面。由式可得式（4）：式（4）式中，即为光阑到聚光镜的距离。光阑的口径大小，可由放大率公式求得，即所以（4）聚光镜的计算聚光镜的作用是将灯丝成一放大实像于光阑处。因此可由方程组：3式联立求解出集光镜的焦距和外形尺寸﹑。集光镜口径的确定应满足系统赫拉不变量的要求，即，由此集光镜的孔径角如式（5）式（5）故集光镜的口径如式（6）：式（6）由以上公式可以算出该系统的参数，于是聚光镜选为的物镜，光源为12V﹑100W的白炽钨丝灯，灯丝尺寸为4mm*3mm。2.6线阵CCD的选择一般来说，测量范围和测量精度是选择CCD的主要依据。根据设计要求，钢管直径测量系统的测量范围为60~100mm，测量分辨率为0.01mm，测量精度为0.05mm。令两CCD的固定间距，对于单个CCD而言，CCD的测量范围必须满足5~25mm，则单个CCD的测量范围应大于25mm，测量精度为0.05mm，相对测量精度应高于0.2%，即应选择超过1000像元的线阵CCD即可满足测量系统精度要求。当考虑到为方便调节系统应该具有更大的视场，在扩大视场的情况下也应保证测量精度的要求。为此，本文选用具有2160个有效像元的线阵CCD器件，使相对测量精度高于0.05%，根据市场现状选用TCD1206SUP型线阵CCD为光电探测器件。该器件每个光敏元的尺寸为0.014mm*0.014mm，像元中心距为0.014mm，像敏区总长度为30.24mm，满足测量系统对测量精度的要求。在1MHZ的驱动脉冲下，TCD1206SUP驱动器输出信号的暗电平可控制在1.0V左右，而高电平可接近10V，相差较大。当光学系统调整比较好时，图像边缘的信号较陡，测量误差很小。2.7电路设计1二值化电路设计线阵CCD输出的视频信号中已经包含CCD面被钢管遮挡的阴影长度，但是，必须首先将这些信息二值化，才能将这些信息以数字方式提取出来。因此，二值化电路是视频信号变换中的关键电路。二值化设计要从以下几个方面考虑。视频信号分为4个区间，T0是32个像元空输出，以1MHz的时钟驱动CCD，T0时间为32us，T2是CCD视频信号输出时间，为2.048ms，要在T3的范围内将信息提取出来，要求T3<T2，T1>T0。故取T3=2ms，T1=50us。在确定好以上时间后，进行二值化逻辑电路的设计，框图如下。图4视频时间区域划分图5二值化电路2检测电路设计图6为钢管直径测量系统检测电路原理图。图7为检测电路的工作波形图。图中的计数器由行同步脉冲复位，像元同步脉冲SP为计数脉冲的输入脉冲信号，计数器任意时刻所计得的值表征了那一时刻线阵CCD输出的像元位置数。脉冲的上升沿为第一个有效像素单元刚刚到来的时刻，它的下降沿是本行转移结束，因此可以用作为同步脉冲。当线阵CCD输出的视频信号被浮动阈值二值化处理电路二值化后，输出的信号如图7中的A所示，将其经反相器反相后为图7中的所示。将计为B，再用B的上升沿去触发D端和清零端都接于的D触发器。该触发器的Q输出端的输出波形如图所示。接到边沿锁存器的锁存端，的数据输入端接在计数器的数据输出端上，则锁存器将锁存值。这是对于CCD1，对于CCD2也可得到。则钢管外径的值为：图6钢管直径测量系统检测电路原理图图7检测电路的工作波形图2.8计算机数据处理与显示本系统利用单片机作为数据处理单元，将锁存器的数据输出端并接在单片机数据总线上。当为低电平时，通过地址总线发出读数命令，通过地址译码器选中锁存器，将和值读入计算机中。计算机对数据处理后，计算出相应结果，通过数码管显示。三精度分析在测量中，误差的主要来源有光束不平行的准直误差，CCD的非均匀性误差，透镜像差及环境噪声误差等，下面就这几方面给与讨论。光功率不稳定的误差由电源输出的电流的变化将引起白炽灯发光功率的变化，由于采用了高精度稳定光源电源，它可以为光源提供高稳定的稳压稳流电源，所以在本系统中由于电源不稳定所引起的测量误差可以忽略不计。2.成像透镜相差引起的误差光学系统的畸变引起的误差，本系统测量时，认为在一对共轭的物像平面上，放大倍率只有近轴区才有这一性质。视场较大时，像的放大倍率就要随视场而异，即产生畸变，实验测试时成像物镜具有畸变，畸变的存在将直接影响系统的测量精度。在本测径系统中，成像透镜的像差引起的误差小于10um，属于系统误差，可以通过软件进行校正。3.光源不平行的准直误差当光源准直为良好的平行光时，被测物沿轴向摆动对测量结果没有影响，但当光源有一定的发散角或会聚角时，被测物沿光轴方向的移动会造成测量误差，这种误差很小，一般小于0.49um。4.计数误差由于成像光路的放大倍数为1倍，计数频率为CCD输出数据速率的1倍，CCD的像元尺寸为14um×14um，计数器的一个计数周期对应14um的尺寸，因而单次测量的计数误差小于14um。5.待测物倾斜的误差为了保证测量的准确性，要保证被测物与CCD线阵方向垂直，否则会引入一个倾斜误差。若被测物与CCD线阵方向垂直方向夹角，待测量d<5mm时引入倾斜误差为，属于系统误差。6.环境因素造成的误差杂散光、环境温度变化、空气扰动、灰尘、电磁干扰等环境条件对测量结果的影响是比较复杂的。环境因素影响可能表现为小的随机误差，也可能表现为粗大误差，这些因素难以预料，我们要采取措施加以抑制。在测径系统实施的时候可以采用一些方法减小环境的影响，如采用孔径光阑和密封的方式可以消除杂散光和空气扰动的影响。CCD作为一种半导体器件，温度的变化将改变CCD的输出电压的浮动。本试验所用的TCDl206UD受温度变化的影响很小，几乎不变。CCD的拼接误差要将两CCd的像元单元阵列拼接在同一条直线上是很不容易的，需要四维的调整机构，即使在工具显微镜下也只能在一定范围内完成，必然存在拼接误差。由于两CCD分开有一定的距离，此时的拼接误差为20。为系统误差，可通过软件消除。综上所述，仪器的误差为：偶然误差总和极限值：系统误差总和极限值：系统的总不确定度为：四总结1.本文采用CCD对钢管直径进行测量，属于非接触测量，实现了从数据采集到处理直到显示的完全自动化，大大减少了测量人员的工作量，避免了人为原因而引起的误差。2.由精度分析可