1、西安工业大学北方信息工程学院课程设计(论文)题目：细丝直径测试仪系 别： 光电信息系 专 业： 测控技术与仪器班 级： B110102 学 生： 董博 学 号： B11010203 任课教师： 吴玲玲 2014 年 10 月目 录1 绪论 .61.1 前言 61.2 基于 CCD 测径仪的发展现状国外发展现状 .61.3 国内发展现状 .71.4 论文的主要内容 .82 测量原理和方案论证 82.1 利用衍射法测量细铜丝直径 .82.2 利用分光法测量细铜丝直径 .92.3 线阵 CCD 测量直径系统测细铜丝直径 .102.4 成像系统 132.5 设计方案的论证与选择采用 143 系统设计
2、.153.1 整体系统设计 153.2 光学系统设计 163.2.1 光源 163.2.2 光源照明 163.2.3 成像光学系统 .163.3 机械系统设计 163.3.1 机械设计的原理和要求 163.3.2 机械设计的保险装置 163.2.3 机械设计的稳定性 163.4 电路系统设计 163.4.1 低通滤波器 163.4.2 相关双采样 163.4.3 差分放大电路 163.5 数字图像处理及报警系统设计 163.5.1 系统组成 163.5.2 块方向的选取 163.5.3 单位标定 163.5.4 细丝直径的获取 173.5.5 直径的测量 174 实验结果及影响测量精度的主要因
3、素分析 184.1 光学系统对测量精度的影响分析 184.1.1 影响测量精度的因素及对策 184.2 信号处理电路对测量精度的影响分析 184.2.1 零点漂移对测量精度的影响 184.2.1 被测工件的均匀性对测量精度的影响 184.2.2 误差分析 194.3 图像处理对测量精度的影响 194.3.1 标定误差 194.3.2 示值显示误差 194.3.3 误差合成 194.3.4 仪器误差 195 结论 .20参考文献 21基于 CCD 测量细铜丝直径系统设计摘 要近年来，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
4、机械测量仪器本文设计了一套基于线阵 CCD 的非接触直径测量仪器，该装置可以对0.5mm30mm 的工件进行测量，测量精度为5m。本文论述了 CCD 光电尺寸测量装置的基本原理，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。用微分法提取被测工的边缘信息，详细论述了信号处理电路中的各个模块的实现方法，并将微分法处理电路和单片机控制系统作为重点。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。通过实验得到测量结果，对几个重要参数进行了分析，最后就影响系统测量精度的几种主要误差进行了讨论，给出消除误差的方法，以便达到更高的测量精度。关键字：线阵 CC
5、D 直径测量 远心光路 微分法 MSP430ABSTRACTIn recent years, along with new optoelectronic devices flowing out continuously 、the capacity of MCU data processing improving, and the requirements of overall production quality management, non-contact Intelligent machines will replace the traditional mechanical instru
6、ments gradually. In this paper, I designed a set of portable non-contact measurement instruments based on linear array CCD, which can measure the workpiece from0.5mm to 30mm, with measurement precision5m . In this paper, I discussed the basic principle of CCD photoelectric measurement devices, analy
7、zed the form of parts of optical system, adopt Kohler illumination and telecentric beam path design in order to ensure image quality and accuracy. Adopting differential theory extracted edge information of measured workpiece, and discussed the signal processing circuit in the realization of the vari
8、ous modules in detail, and made the differential processing circuitry and single-chip control system as emphases, at the same time I gave control program flow chart of CCD diameter measurement system and related parts procedures of it. Through experimental measurement results, I analyzed several imp
9、ortant parameters, discussed several major errors which influences the accuracy of system in the end, gave the method of elimination of errors, in order to achieve higher measurement accuracy. Key Words: Line ararray CCD Diameter measurement Telecentric optical path Differential theory MSP431 绪论1.1
10、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15，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
11、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，但是但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
12、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 测径仪便应运而生，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。1.2 基于 CCD 测径仪的发展现状国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，
13、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：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
14、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。1.3 国内发展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
15、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
16、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、最小值，辊子的偏差。我们研制
17、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。1.4 论文的主要内容（1）深入了解 CCD，尤其是在线阵 CCD 结构与工作原理的基础上，选择合理的线阵 CCD，设计出合理的测量直径系统。对整个光电测量装置进行系统分析，包括 CCD 所构成的测量直径系统的基本原理和输出信号处理电路。（2）在进行光电测量装置设计时，对光学系统进行了详细分析，并用 ZEMAX 软件设计柯拉照明系统中的集光镜、聚光镜和成像物镜。（3）提出线阵 CCD 测量方案：基于单片机的硬件测量法。单片机的硬件测量法是从 CCD 出来的电信号经前
18、置放大，滤波电路进行二值化处理，然后送入单片机，在经单片机处理后送入 LED 显示。（4）设计实验分别对几组直径应用上述方法进行测量，对测量结果进行比较、分析，同时对产生测量误差的主要原因给予分析2 测量原理和方案论证2.1 利用衍射法测量细铜丝直径 我们选择了最简单的一种模型，它是常规的夫琅和费衍射。即把金属丝当成一个平面的狭缝,其工作情况如图 2-2 所示。光源发出的平行光束垂直照射在单缝( 金属丝 )上.根据惠更斯 -菲涅耳原理,单缝上每一点都可以看成是向各个方向发射球面子波的新波源,子波在接收屏上叠加形成一组平行于单缝的明暗相间的条纹.和单缝平面垂直的衍射光束会聚于屏上 x=0 处,是
19、中央亮条纹的中心,其光强为 I0;与光轴成 角的衍射光束会聚于 x=x()处, 为衍射角,由惠更斯- 菲涅耳原理可得光强分布为式中 D 为缝宽, 为入射光波长.当 =0 时,I=I0,是中央主极大.当 sin=k/D时,其中 k=1,2,I=0,是暗条纹.由于 很小,故 sin,所以近似认为暗条纹出现在 =k/D 处.中央亮条纹的角宽度 =2/D,其他任意两条相邻暗条纹之间夹角 =/D,即暗条纹以 x =0 处为中心.当使用激光器作光源时,由于激光的准直性,可将透镜 L1 去掉.如果接收屏远离金属丝(zD),则透镜 L2 也可省略.由于 tg=x/z,且 tgsin,则各级暗条纹衍射角应为 （
20、2-2）由此可以求得金属丝直径为 （2-3）式中 k 是暗条纹级数;z 为金属丝与测量平面间的距离;XK 为第 k 级暗条纹距中央主极大的距离。2.2 利用分光法测量细铜丝直径发光管 D1 发出的红外光经分光镜分成两路 :测量光路和参考光路。测量光和参考光分别照射到两只相同型号的光电接收管 T1、 T2 上。D1 为中心频率 880 nm 的进口红外发光管 ; T1、 T2 为高一致性、 线性度的进口光电三极管 ;截止波长为 850nm 的低通滤波片可有效地消除可见光干扰在测量光和参考光的照射下 ,T1 和 T2 的输出电压分别为 V 1 和 V 2 ,在测量光路中没有被测细丝时 , V 1
21、= V 2 ,此时 V 1、V 2 的差动电压值 V i = 0 . 当测量光路有被测细丝时 ,细丝在 T1 的检测窗口上产生一个宽度为细丝直径 d ,高度为检测窗口高度 h 的投射阴影 ,导致 V 1 发生变化 ,变化量 V 1 与投射阴影面积 d h 成正比 ;由于在电路中采用了负反馈自动光强调整技术 ,使发光管发射的光强稳定不变 ,此时 V 2 保持恒定值不变 ;以 V 2 作基准 , V 1、 V 2 的差动电压值 V i =V 1 ,将 V i 放大即可得到与被测细丝直径成线性关系的电压信号 ,达到测量细丝直径的目的。2.3 线阵 CCD 测量直径系统测细铜丝直径被测工件被均匀照明后
22、，经光学成像系统按一定倍率成像于线阵 CCD 传感器上，基于线阵 CCD 测量直径系统原理图如图 2-5 所示:则在 CCD 传感器光敏面上形成了被测工件的影像，这个影像反映了被测工件的直径尺寸，两者之间的关系由高斯公式表示为： (2-4)其中：l-物距 l-像距 f- 像方焦距 -光学系统的放大率 d-被测工件的直径大小 d-被测工件直径在 CCD 上影像大小 知道物距、像距并测出工件影像 d的大小，即可求出被测工件的尺寸。CCD 器件把光敏元上工件影像的光学信息转换成与光强成正比的电荷量。存储于 MOS 电容中，用一定频率的时钟脉冲对 CCD 进行驱动，则电荷定向转移到输出端。视频信号中每
23、一个离散电压信号的大小对应着该光敏元所接收光强的强弱，而信号输出的时序则对应 CCD 光敏元位置的顺序。最终，被测工件的影像大小反映在 CCD 输出信号中变为输出信号电压的高低，即在 CCD 中间被影像遮挡部分的光敏元输出电压低，两侧未被遮挡的光敏元输出电压高。CCD 的输出信号如图 2-6 所示 最终由 CCD 实现按空间域分布的光学图像信息向按时间域分布的电压信号转化，该输出电压信号经过信号处理后，可得到表示 d大小的脉冲信号，脉冲信号送入单片机中，测出脉冲宽度，进而可求出被测工件的大小。即用 CCD 复位脉冲（对应 CCD 的光敏元）可求出尺寸的大小。若： 为脉冲当量（CCD 脉冲） ，
24、N 为 CCD 器件像数，N1，N2 为光照部分的光敏信号输出脉冲数， 为光学系统的放大倍数，则被测工件直径7912 为：（2-5）本设计中 =7m；N=5000；=1，所以实际上被测工件直径尺寸为：（2-6）由于被测工件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 v=v(t)在过渡区内的拐点，由高等数学知识知道，在拐点处，电压函数的一次微分为最大值，二次微分为零。基于以上原理，在测量系统中对 CCD 输出信号采用微分法处理，便于寻找被测工件的边缘10 11。微分法的波形图如图 2-7 所示：2.4 成像系统成像系统采用物方远心光路10。在光电检测
25、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。按照此种方法进行物体线性尺寸测量时，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 2.8 所示。图 2.8 中 B1B2 为被测物体；B1 B2表
26、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 2.9 所示：2.5 设计方案的论证与选择采用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，信号的信噪比比较低，还由于衍射图样的锐度不大，条纹位置不明
27、显，给测量带来很大困难。特别是在实时动态测量过程中，造成测量结果不稳定，重复性差。而且本次测量的细丝直径为 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。分光法在测量实质上是干涉法测量但也有不足：1、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 ,将会改变阴影面积进而产生较大的测量误差； 2、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；3、环境光扰动会降低信噪比 ,影响测量精度；4、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；5、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
28、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。与同类测量系统比较，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。综合上述分析及我们小组的讨论研究，我们决定采用 CCD 细丝直径测试仪的设计方案。3 系统设计3.1 整体系统设计测量完整框图如图 31 所示。He-Ne 激光器发出的激光经反射镜 M
29、1、扩束系统 M2 后形成均匀的测量光，测量光经空间滤波器消除杂散光后入射被测量细丝，经光学系统在探测 (CCD) 上形成衍射条纹。CCD 将衍射图样转换为电信号经信号调整电路处理后进入计算机，处理采集到的信号，求得衍射图样中暗点的分布尺寸。为保证测量精度，消除细丝抖动带来的误差， CCD 的驱动电路要保证 CCD 的积分时间足够短。3.2 光学系统设计3.2.1 光源3.2.2 光源照明3.2.3 成像光学系统3.3 机械系统设计3.3.1 机械设计的原理和要求3.3.2 机械设计的保险装置3.2.3 机械设计的稳定性3.4 电路系统设计3.4.1 低通滤波器3.4.2 相关双采样3.4.3
30、 差分放大电路3.5 数字图像处理及报警系统设计3.5.1 系统组成3.5.2 块方向的选取3.5.3 单位标定3.5.4 细丝直径的获取3.5.5 直径的测量4 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4.1.1 影响测量精度的因素及对策1.衍射光照在细丝上会产生衍射效应 ,衍射会导致线性度变差。试验证明: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 ,此时应采用值运算拟合法来提高精度。2.环境光扰动环境光扰动会降低信噪比,影响测量精度。在使用了滤波片后已滤除了大部分干扰光 ,再加上遮光罩可使环境
31、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。4.2.1 零点漂移对测量精度的影响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，温度补偿。典型电路：差分放大电路4.2.1 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 输出脉冲数不等
32、，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，然后求取平均值的方法来消除这种误差。粗大误差也影响测量精度，但它是有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。4.2.2 误差分析在实验过程中，我们分别对直径 =1.0mm 的标准件进行了三组测量，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。4.3 图像处理对测量精度的影响4.3.1 标定误差图像处理在使用前都会与有一个相对的度量单位对所测量的对象进行标定（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
33、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。4.3.2 示值显示误差当计算机在对细丝影像进行示值时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，反之不计数。该误差为随机误差。4.3.3 误差合成根据误差处理理论：系统总误差为4.3.4 仪器误差根据误差合成理论知仪器总误差为：5 总结本课题的研究是以线阵 CCD-光电传感器 TCD1501D 及光学镜头为基础构建的光学测量系统，对 CCD 的输出信号采用微分法提取被测工件的边缘信息，由单片机对数据进行处理完成测量工作。本文从光学系统设计入手展开研究：包括测量直径系统的构建、线阵 CCD 测量
34、器件的选择、光学镜头的设计及实验研究，同时对系统组成的硬件电路、程序设计做了相应的介绍。综上所述，本课题的研究主要做了以下方面的工作：设计了基于线阵 CCD 的直径测量系统。包括线阵 CCD 的选型，光源的选取，光学镜头的设计，介绍线阵 CCD 光学测量原理。在进行光电测量装置设计时，对光学系统进行了详细分析，并用 ZEMAX 软件设计了柯拉照明系统中的集光镜、聚光镜和成像物镜。本论文从实验上实现了使用 CCD 技术进行非接触测量，特别是对输出信号不采用传统意义上的阈值处理法，而采用微分法对工件的边缘信号进行提取，用 MSP430F149 单片机进行数据处理并编制相应的程序。用 CCD 测径系
35、统对几组直径做实验研究，分析了测量系统的误差。由测量结果可知，测量精度在5m 之内。如果从以下几个方面进行改进，可以得到更高的测量精度。光学系统的设计、光学系统的准确调节、镜头装调和校验。测量时，若 CCD 感光面与像面不重合，CCD 将接收到模糊的图像信息，造成测量误差，以后可以采用增加瞄准部分来解决。CCD 传感器的像元尺寸的几何位置精度高，可靠性高，寿命长，适合较恶劣的自然环境，CCD 技术被应用在几乎所有的成像相关的领域，随着科学技术的发展以及 CCD 技术的研究和应用，CCD 技术将得到普及和推广。鉴于我小组成员的知识结构及经验有限，论文基于线阵 CCD 便携式直径测量系统设计还存在
36、许多不完善的地方，有待于在今后的研究中进一步完善。也希望学校在这方面对学生多给予实践上的帮助，脱离了实践的设计往往是个空中楼阁，想要真正把这些问题做到还得大家的共同努力。通过这次设计，让我学会了整体设计的思路和各种理论和方法的实践，提高了我的动手和操作能力。参考文献1 Harry prunk.The latest development in measuring equipment for online quality control at the cable extrusionJ.Wire Journal International,2000,7:104 111.2 张国玉，安志勇，李成志等
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