1、CCD 微机测径实验CCD 光电传感器是光电成象领域里非常重要的一种新型的固体成象器件。在工业生产中得到了广泛应用，诸如冶金部门中各种管、线、带材轧制过程中的尺寸测量，光纤及纤维制造中丝径尺寸测量、控制机械产品尺寸测量、分类，产品表面评定，文字与图形识别，传真、光谱测量以及空间遥感等。CCD 微机测径为一个基本的测量系统，侧重用于测量方法的研究学习。实验目的1. 学习和掌握线阵 CCD 器件的几种实时在线、非接触高精度测量方法2. 学习和掌握测量系统参数的标定方法3. 对比和分析在不同测量方法下，环境因素对测量精度的影响实验原理(一) 平行光投影法当一束平行光透过待测目标投射到 CCD 器件上
2、时，由于目标的存在，目标的阴影将同时投射到 CCD 器件上，在 CCD 器件输出信号上形成一个凹陷，参见下图。CCD 采集盒信号无目标波形有目标波形IIt(x)t(x)目标平行光源图 平行光投影及输出信号波形如果平行光准直度很理想，阴影的尺寸就代表了待测目标尺寸，只要统计出阴影部分的 CCD 象元个数，象元个数与象元尺寸的乘积就代表了目标的尺寸。测量精度取决于平行光的准直程度和 CCD 象元尺寸的大小。对 DM99 测径实验仪使用的 5430 位象元 CCD 器件，象元之间的中心距为 7m，象元尺寸也为 7m。平行光源要作得十分理想受成本、体积等方面的限制，在实际应用中常通过计算机处理，对测量
3、值进行修正，以提高测量精度。(二) 光学成象法被测物经透镜在 CCD 上成像，像尺寸将与被测物尺寸成一定的比例。设 T 为像尺寸，K 为比例系数，则被测物的尺寸 S 可由 S=KT 来表示，K 表示每个象元所代表的物方尺寸的当量，它与光学系统的放大倍率、CCD 象元尺寸等因素有关。T 对应于像尺寸所占的象元数与象元尺寸的乘积。对于一个已选定的 CCD 器件，可以采用不同的光学成像系统来达到测量不同尺寸的目的，如用照相物镜来测较大物体尺寸(像是缩小的) ；用显微物镜来测细小物体尺寸(像是放大的)。DM99 测径实验仪使用的是一个普通的显微物镜，存在着一定的几何失真。所以测量时必须分段进行修正。(
4、三) 测量系统参数标定当系统的工作距离确定了之后，为了从目标像所占有的象元数 N 来确定目标的实际尺寸，需要事先对系统进行标定。标定的方法是：先把一个已知尺寸为 Lp 的标准模块放在被测目标位置，然后通过计数脉冲，得到该模块的像所占有的 CCD 象元数 Np，从K=Lp/Np 可以得到系统的脉冲当量值，K 值表示一个象元实际所对应的目标空间尺寸的当量。然后再把被测目标 Lx 置于该位置，测出对应的脉冲计数 Nx，由 Lx=KNx 可以算出 Lx值。这就是一次定标。通常可以把 K 值存入计算机中，在对目标进行连续测量时，可以通过软件计算出目标的实际尺寸。这种标定方法简单，但测量精度不高，因为还存
5、在着系统误差的影响。为了在实测值中去掉系统误差，可以采用二次标定法来确定系统的显示数当量值 K。实验表明，被测物体的实际尺寸 Lx 和对应象元脉冲数 Nx 之间有 Lx=KNx+b，b 就是测量值中的系统误差，通过两次标定就可以确定 K 和 b 值。其方法是，先在被测位置上放置一已知尺寸为 L1 的标准块，通过计数电路得到相应的脉冲数 N1，然后再换上另一个已知尺寸为 L2 的标准块，再得到对应的计数脉冲 N2，将 L1、 L2、N1、N2 代入 2Lx=KNx+b 可以算得：K=L2-L 1/N2-N1b=L1- KN1显然，b 值代表实际值与测量值之差，这是由系统产生的测量误差。采用二次标
6、定法所得到的 K 值和 b 值，消除了系统误差对测量精度的影响，因而普遍适用于一般工业测量系统。对于在线动态尺寸测量，还需要根据实际状态采用计算机校正方法来提高测量精度。在实际应用中，往往采用分段二次标定方法，将一个测量范围分成若干段，对每一个小段用标准块进行标定，分段越多，标定越精确。用标定值对测量值进行修正，大大提高了测量精度，同时也降低了对光学系统的要求。实验仪器DM99CCD 测径实验仪、计算机、游标卡尺、测量棒。实验内容1、采用一次标定像元当量，逐次测量 3 个物体直径，分析相对误差。2、采用二次标定像元当量，求出系统误差，逐次测量数个物体直径，分析相对误差。3、采用分段二次标定像元当量，求出各段的修正系数，逐次测量数个物体直径，作出误差分布曲线，观察多种平滑处理方式对测量显示值的影响。4、作出“幅度切割法边界提取”与“梯度法边界提取”方式时，平行光光强变化与测径示值变化关系曲线。5、观测调焦变化对测量精度的影响。(显微成象法)( 选做)
