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1、精选优质文档-倾情为你奉上基于衍射法测量细丝直径的CCD系统设计摘 要近些年来，伴随着半导体技术与光电子学科技的迅速发展，在各个领域中广泛应用着大量光电器件。其中，电荷耦合器件（CCD）由于具有光电转换、像元尺寸小、几何精度高、性能稳定等优点，被大量用于非接触式直径测量领域。相对于接触式的直径测量方式，非接触直径测量具有测试速度快，精度高，对环境要求低等特点，因此使用范围较广。 本文对基于线阵CCD的非接触直径测量系统进行了较为全面的研究，并结合本课题的特点（测量细丝直径），提出了适合本课题的具体设计方案，在课题研究过程中，本文主要完成了以下几个工作：介绍了非接触直径测量的国内外发展现状及发展
2、趋势。通过对线阵CCD特性及工作原理的分析，设计了一种基于线阵CCD非接触直径测量系统。 1关键字：线阵 CCD 直径测量 衍射法目 录专心-专注-专业1 绪论1.1前言光电自动检测技术在工业自动化生产中有着极其广泛和重要的用途。然而，目前产品零件尺寸的检测大多数是人工测量的接触式和静止测量，所以检测速度低，生产效率低，劳动强度大，远远跟不上目前自动化生产的需要。尤其在全面质量管理过程中，更需要先进的、智能的检测手段。目前，国内外常采用激光扫描光电线径测量，但是这种方法受电机的温度及振动的影响，扫描恒速度的限制，会产生高温使其降低寿命。我们研制的基于线阵 CCD 便携式非接触直径测量仪器正是适
3、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。尤其适用于电缆、电线、玻璃管、轴类零件的外径测量，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。对各种细丝直径的测量常常关系到工业产品的级别，如钟表中的游丝、光导纤维、化学纤维、各种细线、电阻丝、集成电路引线以及种类仪器、标尺的刻线等。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，如光学显微镜法、干涉法、扫描法、投影放大法、比较法等。然而，大多检测方法检测速度低，生产效率低，劳动强度大，远远跟不上目前自动化生产的需要。尤其在全面质量管理过程中，更需要
4、先进的、智能的检测手段。目前，国内外常采用激光扫描光电线径测量，但是激光衍射细丝测量法比较适合于静态的高精度测量 ,当用于动态测量时会由于被测丝的晃动导致衍射条纹快速移动而失准 ,也难以快速得到测量结果 ,同时还具有结构复杂、格昂贵等缺点 ,不太适于现场快速测量细丝直径。基于CCD技术的快速发展及后续处理算法的日益真实有效故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测量仪便应运而生，该测径仪是一种光、机、电、算于一体的产品。尤其适用于电缆、电线、玻璃管、轴类零件的外径测量，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
5、。21.2基于CCD测径仪的国内外发展现状社会的进步重要体现就是科技的进步，科技进步主要体现使用劳动工具的进步。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：
6、LD1040-S(单向直径测量仪)、LD1040XY-S(双向直径测量仪)，精度：0.1m，测量范围最广，单向测径仪最大可测直径达330.3mm，双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0.1m，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：2m，重复性精度：1.5m。LS-7010M（配备测量摄影机）测量范围：0.04mm6mm，测量精度：0.5m。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
7、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：0.2mm30mm，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
8、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、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
9、、最小值、平均值。例如：可以测量旋转圆柱体的最大值、最小值，辊子的偏差。我们研制的基于线阵 CCD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。32 测量原理和方案论证在工业生产和科学实验中,经常碰到尺寸较小的细丝直径的测量问题.细丝直径测量的方法有许多,传统测量方法通常有两种:一种是细丝称重法,即称出一定长度的细丝的重量后,把细丝看成为均匀细长的圆柱体,然后根据材料的密度计算出细丝的直径;另一种方法是用游标卡尺或螺旋测微器手工测量。设计性实验的选题应体现实验内容的设计性和实验方法的多元性。有以下几种方法:磁场方向接线柱22.1驻
10、波测量导电金属细丝直径4接线柱1劈尖B磁钢 劈尖A砝码图 1驻波测量导电金属细丝直径实验装置图1 所示的实验装置中,接线柱 1 和 2上的导线与金属细丝连接,构成通电回路。金 属细丝一端固定,另一端接在破码盘上用以产生张力。中间由 A、B 两个壁尖支柱,金属细丝下方放置磁钢,通有电流的金属弦线在磁场中会受到安培力的作用,弦线上接通正弦 交变电流时,它在磁场中所受与磁场方向和电流方向均为垂直的安培力,也随之发生正弦变化,移动劈尖改变弦长,当弦长是半波长的整倍数时,弦线上便会形成驻波。此时,金属细丝A、B 两端之间的距离L等于半波长的整数倍: 即 L =n2 式中n为金属细丝上驻波的波段数,即半波
11、数。由波动理论可知,金属细丝中横波的传播速度为:v=T式中 T 为金属细丝的张力,是金属细丝的线密度。波速、频率与波长的关系:= f,得: =n2T4f2L2由金属细丝线密度和体密度的关系可以求出金属细丝的直径为:d=2 2.2衍射法测量细丝直径5衍射法测量细丝直径平行光束照射细丝时,其衍射效应和狭缝一样,在接收屏上得到同样的明暗相间的条纹。SXf 激光器 细丝 观察屏 L图 2为细丝的衍射图图2 为细丝的衍射图,当Ld2时为夫琅和费衍射,观察屏上光强分布为:I=I0sin2(dsin/(dsin/)2当 dsin K =k ,k =1,2时出现暗纹,设第 k 级暗纹离光轴的距离为xK由xK
12、99&con99&con101); if()/如果符合要求不报警 G_LED=0; R_LED=1; SPK=1; else /如果不符合要求则声光报警 G_LED=1; R_LED=0; SPK=0; break;/跳出继续进行ADC0808的采集 4 精度分析4.1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。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
13、+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。4.2光学系统对测量精度的影响分析4.2.1衍射 光线在细丝上会产生衍射效应，衍射会导致线性度变差。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。4.2.2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。4.3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
14、状况。4.4零点漂移对测量精度的影响什么是零点漂移现象：输入为零输出不为零的情况。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是主要原因，故也称零漂为温漂.客服温漂的方法：引入直流负反馈，温度补偿，典型电路：查分放大电路。4.5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
15、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。4.5.1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，取平均值，并进行相应的精度计算。4.5.2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。5 总结通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关光电仪器设计方面的知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍
16、的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。实践出真知，通过亲自动手制作，使我们掌握的知识不再是纸上谈兵。过而能改，善莫大焉。在课程设计过程中，我们不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获取。本身就是在践行“过而能改，善莫大焉”的知行观。这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在老师的指导和同学的帮助下，终于游逆而解。在今后社会的发展和学习实践过程中，一定要不懈努力，不能遇到问题就想到要退缩，一定要不厌其烦的发现问题所在，然后一一进行解决，只有这样，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上披荆斩棘，而不是知难而退，那样永远不可能收获成功，收获喜悦，
17、也永远不可能得到社会及他人对你的认可！参考文献 1 和志忠. 基于线阵CCD的非接触直径测量系统研究D. 河北工业大学, 2014. 2 樊富友. 基于线阵CCD的便携式非接触直径测量系统设计D. 长春理工大学, 2008. 3 王丽娟. CCD-型电线电缆动态测径仪J. 电气应用, 1988(5). 4 姜华. 一种测量金属细丝直径的新方法 J . 青海大学学报(自然科学版) , 2006 5 孙定源、周桂贤、郑德锋. 衍射法测量细丝直径的研究 J . 辽宁大学学报(自然科学版) , 2003 6 高伟、吴卫民、孙晓红等. 细丝直径的双光束干涉法 J . 量子电子学报, 1999 7 李 焘. 基于线阵CCD的钢丝直径测量系统研究D. 华中科技大学, 2012.