電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)論文

1、 課程設(shè)計(jì)（論文） 題目：細(xì)絲直徑測試儀 系 別： 光電信息 專 業(yè)： 測控技術(shù)與儀器 班 級： 學(xué) 生： 學(xué) 號： 任課教師： 吳玲玲 目錄第1章 引言 1.1 前言 1.2 國外發(fā)展現(xiàn)狀  1.3  國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀  第2章 測量原理和方案論證 2.1利用衍射法測量細(xì)銅絲直徑 2.2  利用分光法測量細(xì)銅絲直徑 2.3 線陣CCD測量直徑系統(tǒng)測細(xì)銅絲直徑 2.4  設(shè)計(jì)方案的論證與選擇采用 第3章 電路系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3.1 電路系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3.2 低通濾波器 3.3 相關(guān)雙采樣 3.4 差分放大電路

2、 第4章 精度分析 4.1分配 4.2合成 第5章 總結(jié)與體會 第1章 引言1. 前言 目前，國內(nèi)外常采用激光掃描光電線徑測量，但是這種方法受電機(jī)的溫度及振動的影響，掃描恒速度的限制，會產(chǎn)生高溫使其降低壽命。基于線陣CCD便攜式非接觸直徑測量儀器正是適應(yīng)當(dāng)前社會自動化生產(chǎn)的急需而設(shè)計(jì)的，該測徑儀是一種光、機(jī)、電一體化的產(chǎn)品。尤其適用于電纜、電線、玻璃管、軸類零件的外徑測量，對保證產(chǎn)品質(zhì)量，降低原材料消耗，降低生產(chǎn)成本，提高勞動生產(chǎn)率有著重大的經(jīng)濟(jì)效益和社會意義。 2. 國外發(fā)展現(xiàn)狀 社會的進(jìn)步重要體現(xiàn)就是科技的進(jìn)步，科技進(jìn)步主要體現(xiàn)使用勞動工具的進(jìn)步。從18世紀(jì)工業(yè)革命以來，科學(xué)技術(shù)

3、以前所未有的速度在突飛猛進(jìn)的發(fā)展，特別是近50年來，隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)和加工技術(shù)的發(fā)展，對于加工零件的檢測速度與精度有了更高的要求，向著高速度、高精度、非接觸和在線檢測方向發(fā)展。為此，工業(yè)發(fā)達(dá)國家對于檢測儀器與設(shè)備速度與精度一直作為檢測儀器的主要指標(biāo)。測徑儀特別適用于電纜、電線的在線自動檢測，對保證產(chǎn)品的質(zhì)量，降低原材料消耗，降低生產(chǎn)成本，提高勞動生產(chǎn)率有著十分重要的意義，所以各國政府都很重視對測徑儀的研究3. 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 國內(nèi)生產(chǎn)的測徑儀測量精度沒有國外的精確，河北省激光研究所光電檢測控制室生產(chǎn)的JCJ-1激光測徑儀，是專為玻璃管生產(chǎn)線上玻璃管外徑的測量、控制、分選而設(shè)計(jì)的集激光、精密機(jī)械、計(jì)

4、算機(jī)于一體的智能化精密儀器。通過激光光束高速（200次/秒）掃描被測玻璃管，計(jì)算機(jī)實(shí)時采樣處理，實(shí)現(xiàn)玻璃管直徑在線非接觸檢測、控制，測量范圍：0.5mm60mm，測量精度：±0.01mm。廣州一思通電子儀器廠生產(chǎn)的ETD-05系列激光測徑儀，測量范圍：0.2mm30mm，測量精度：±2m，ETD-05系列激光測徑儀是一種基于激光掃描測量原理而設(shè)計(jì)的高精度非接觸式的外徑測量設(shè)備，儀器采用二維測量模式，有效消除工件振動造成的測量誤差，特別適合生產(chǎn)現(xiàn)場的實(shí)時測量，適用于通信電纜、光纜、同軸電纜、漆包線、PVC管、銅管、纖維線等圓形線材的在線檢測，也可用于其它各種圓形工件的外徑測量

5、。 第2章 測量原理和方案論證2.1  利用衍射法測量細(xì)銅絲直徑 我們選擇了最簡單的一種模型，它是常規(guī)的夫瑯和費(fèi)衍射。即把金屬絲當(dāng)成一個平面的狹縫,其工作情況如圖2-2所示。光源發(fā)出的平行光束垂直照射在單縫(金屬絲)上.根據(jù)惠更斯-菲涅耳原理,單縫上每一點(diǎn)都可以看成是向各個方向發(fā)射球面子波的新波源,子波在接收屏上疊加形成一組平行于單縫的明暗相間的條紋.和單縫平面垂直的衍射光束會聚于屏上x=0處,是中央亮條紋的中心,其光強(qiáng)為I0;與光軸成角的衍射光束會聚于x=x()處,為衍射角,由惠更斯-菲涅耳原理可得光強(qiáng)分布  圖2-1   

6、;      夫瑯和費(fèi)單縫衍射                   為式中D為縫寬,為入射光波長.當(dāng)=0時,I=I0,是中央主極大.當(dāng)sin=k/D時,其中k=±1,±2,I=0,是暗條紋.由于很小,故sin,所以近似認(rèn)為暗條紋出現(xiàn)在=k/D處.中央亮條紋的角寬度=2/D,其他任意兩條相鄰暗條紋之間夾角=/D,即暗條紋以x

7、60;=0處為中心.當(dāng)使用激光器作光源時,由于激光的準(zhǔn)直性,可將透鏡L1去掉.如果接收屏遠(yuǎn)離金屬絲(z>>D),則透鏡L2也可省略.由于tg=x/z,且tgsin,則各級暗條紋衍射角應(yīng)為  （2-2） 由此可以求得金屬絲直徑為    （2-3） 式中k是暗條紋級數(shù);z為金屬絲與測量平面間的距離;XK為第k級暗條紋距中央主極大的距離。2.2  利用分光法測量細(xì)銅絲直徑  發(fā)光管 D1 發(fā)出的紅外光經(jīng)分光鏡分成兩路 :測量光路和參考光路。測量光和參

8、考光分別照射到兩只相同型號的光電接收管  T1、 T2 上。D1 為中心頻率 880  nm 的進(jìn)口紅外發(fā)光管  T1、 T2 為高一致性、 線性度的進(jìn)口光電三極管 截止波長為 850nm 的低通濾波片可有效地消除可見光干擾  在測量光和參考光的照射下 ,T1 和  T2 的輸出電壓分別為V 1 和  V 2

9、 ,在測量光路中沒有被測細(xì)絲時 , V 1 =  V 2 ,此時  V 1、V 2 的差動電壓值  V i = 0  . 當(dāng)測量光路有被測細(xì)絲時 ,細(xì)絲在T1 的檢測窗口上產(chǎn)生一個寬度為細(xì)絲直徑  d ,高度為檢測窗口高度  h 的投射陰影 ,導(dǎo)致  V 1&

10、#160;發(fā)生變化 ,變化量V 1 與投射陰影面積  d h 成正比 由于在電路中采用了負(fù)反饋?zhàn)詣庸鈴?qiáng)調(diào)整技術(shù) ,使發(fā)光管發(fā)射的光強(qiáng)穩(wěn)定不變 ,此時  V 2 保持恒定值不變 以  V 2 作基準(zhǔn) , V 1、 V 2 的差動電壓值  V i =V 1 ,將  V

11、60;i 放大即可得到與被測細(xì)絲直徑成線性關(guān)系的電壓信號 ,達(dá)到測量細(xì)絲直徑的目的。  2.3  線陣CCD測量直徑系統(tǒng)測細(xì)銅絲直徑被測工件被均勻照明后，經(jīng)光學(xué)成像系統(tǒng)按一定倍率成像于線陣 CCD 傳感器上，基于線陣 CCD 測量直徑系統(tǒng)原理圖如圖2-5所示:   則在CCD傳感器光敏面上形成了被測工件的影像，這個影像反映了被測工件的直徑尺寸，兩者之間的關(guān)系由高斯公式表示為：    (2-4) bb  &#

12、160;                其中：l-物距  l-像距     f-像方焦距   -光學(xué)系統(tǒng)的放大率   d-被測工件的直徑大小     d-被測工件直徑在CCD上影像大小 知道物距、像距并測出工件影像d的大小，即可求出被測工件的尺寸。&

13、#160;CCD器件把光敏元上工件影像的光學(xué)信息轉(zhuǎn)換成與光強(qiáng)成正比的電荷量。存儲于MOS電容中，用一定頻率的時鐘脈沖對CCD進(jìn)行驅(qū)動，則電荷定向轉(zhuǎn)移到輸出端。視頻信號中每一個離散電壓信號的大小對應(yīng)著該光敏元所接收光強(qiáng)的強(qiáng)弱，而信號輸出的時序則對應(yīng)CCD光敏元位置的順序。最終，被測工件的影像大小反映在CCD輸出信號中變?yōu)檩敵鲂盘栯妷旱母叩?，即在CCD中間被影像遮擋部分的光敏元輸出電壓低，兩側(cè)未被遮擋的光敏元輸出電壓高。CCD的輸出信號如圖2-4所示           最終由CCD實(shí)現(xiàn)按

14、空間域分布的光學(xué)圖像信息向按時間域分布的電壓信號轉(zhuǎn)化，該輸出電壓信號經(jīng)過信號處理后，可得到表示d大小的脈沖信號，脈沖信號送入單片機(jī)中，測出脈沖寬度，進(jìn)而可求出被測工件的大小。即用CCD復(fù)位脈沖（對應(yīng)CCD的光敏元）可求出尺寸的大小。若：為脈沖當(dāng)量（CCD脈沖），N為CCD器件像數(shù)，N1，N2為光照部分的光敏信號輸出脈沖數(shù)，為光學(xué)系統(tǒng)的放大倍數(shù)，則被測工件直徑7912為： （2-5） 本設(shè)計(jì)中=7m；N=5000；=1，所以實(shí)際上被測工件直徑尺寸為：          

15、0;（2-6）  由于被測工件的邊緣是通光和擋光的交界點(diǎn)，理論上該處的光強(qiáng)變化率最大，該點(diǎn)就是濾波后的視頻信號電壓函數(shù) v=v(t)在過渡區(qū)內(nèi)的拐點(diǎn)，由高等數(shù)學(xué)知識知道，在拐點(diǎn)處，電壓函數(shù)的一次微分為最大值，二次微分為零?；谝陨显恚跍y量系統(tǒng)中對 CCD 輸出信號采用微分法處理，便于尋找被測工件的邊緣1011。微分法的波形圖如圖 2-7 所示：2.4  設(shè)計(jì)方案的論證與選擇采用 光學(xué)衍射法測量細(xì)銅絲直徑在理論上已經(jīng)很成熟，但實(shí)際應(yīng)用中存在一定困難，特別是在測量精度提高時，其中的關(guān)鍵困難在于：當(dāng)光經(jīng)衍射后產(chǎn)生的衍

16、射圖樣微弱，信號的信噪比比較低，還由于衍射圖樣的銳度不大，條紋位置不明顯，給測量帶來很大困難。特別是在實(shí)時動態(tài)測量過程中，造成測量結(jié)果不穩(wěn)定，重復(fù)性差。而且本次測量的細(xì)絲直徑為1mm，在這個直徑下不能形成明顯的衍射條紋，即衍射法在原理上存在不足。 分光法在測量實(shí)質(zhì)上是干涉法測量但也有不足：1、如果細(xì)絲有垂直于測量光方向的晃動 ,且晃動的幅度使投射陰影超出檢測窗口之外 ,將會改變陰影面積進(jìn)而產(chǎn)生較大的測量誤差； 2、光照在細(xì)絲上會產(chǎn)生微弱的衍射效應(yīng) ,衍射會導(dǎo)致線性度變差；3、環(huán)境光擾動會降低信噪比 ,影響測量精度；4、光電三極管對溫度有一定的敏感性 ,會隨溫度的變化而產(chǎn)生靈敏度的變化；5、分光

17、法也不適合于與計(jì)算機(jī)的連接以及后續(xù)圖像采集與處理保存。以上不足使得反光法對現(xiàn)代化自動化生產(chǎn)有一定的局限，但分光法在原理上不存在任何問題。 與同類測量系統(tǒng)比較，CCD細(xì)絲直徑測量系統(tǒng)具有測量速度快，測量精度高，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)良特點(diǎn)，是一種非接觸式的測量系統(tǒng)，屬無損傷測量，不影響加工系統(tǒng)正常運(yùn)行，非常適合于生產(chǎn)線上尺寸的測量。該設(shè)計(jì)方案集成化程度高，可與計(jì)算機(jī)相聯(lián)，可進(jìn)行測量數(shù)據(jù)的集中采集和分析，以便進(jìn)行質(zhì)量分析和統(tǒng)計(jì)，并在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)質(zhì)量問題時進(jìn)行報(bào)警提示，便于控制和自動化生產(chǎn)。 綜合上述分析及我們小組的討論研究，我們決定采用CCD細(xì)絲直徑測試儀的設(shè)計(jì)方案。 第3 章 電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1 電

18、路系統(tǒng)設(shè)計(jì) CCD的輸出信號是脈沖信號，其中既包含被測尺寸的信息，又含有大量的復(fù)位噪聲和電子系統(tǒng)的白噪聲，使得有用信號難以提取。由于CCD本身的感光單元有一定間距，加上照明光源在視場內(nèi)光強(qiáng)分布的不均勻性，CCD本身的光敏不均勻性、轉(zhuǎn)移損失以及光源在通過待測目標(biāo)邊緣時的衍射現(xiàn)象等原因，使得CCD輸出不會是理想的0/1信號，其包絡(luò)的邊緣必然帶有明顯的梯度，或者說，目標(biāo)尺寸的兩個邊緣在CCD上成像的具體位置不可能十分確定。導(dǎo)致CCD輸出信號波形在輪廓邊緣處有一漸緩的過渡區(qū)，而且這一過渡區(qū)隨著輪廓在視場中位置的變化而變化，這一變化直接影響捕捉真正代表物體邊緣的特征點(diǎn)，進(jìn)而影響測量精度。因此，除了減少外

19、界干擾外，如何從CCD的輸出信號中提取出真正代表物體邊緣的特征信息，是測量的難點(diǎn)所在。真正表示物體的邊緣點(diǎn)處，CCD輸出信號的微分最大。由于被測物體的邊緣是通光和擋光的交界點(diǎn)，理論上該處的光強(qiáng)變化率最大，該點(diǎn)就是濾波后的視頻信號電壓函數(shù)u=u(t)在過渡區(qū)內(nèi)的拐點(diǎn)，由高等數(shù)學(xué)的知識知道，在拐點(diǎn)處，電壓函數(shù)的一次微分為最大值，二次微分為零。電路便于尋找為零的點(diǎn)?；诖耍稍O(shè)計(jì)微分法處理電路提取測量信號。3.2低通濾波器 在對CCD輸出信號二值化之前要對噪音進(jìn)行抑制，主要抑制寬帶白噪聲。壓控電源低通濾波電路是由兩節(jié)RC濾波電路和同相比例放大電路組成，其中同相比例放大電 路實(shí)際上就是壓控電

20、源，同相比例放大電路的電壓增益就是低通濾波器的通帶電壓增益，即A0=AVF=1+Rb/Ra 由圖可得電路的傳遞函數(shù)為：又因AVF=1+Rb/Ra(AVF為集成運(yùn)放壓控電源增益)，則有：為二階低通濾波電路傳遞函數(shù)的典型表達(dá)式。其中wn2=1/R1R2C1C2為特征角頻率， 而Q為等效品質(zhì)因數(shù)。為了求出二階有源低通濾波器的頻率響應(yīng)，可令s=jw，由此 可求得幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)分別為：3.3相關(guān)雙采樣 實(shí)現(xiàn)相關(guān)雙采樣電路基本電路如圖3-5所示，在t1t2期間對復(fù)位電平進(jìn)行第一次采樣，C2電容保持的電壓為KTC噪聲、復(fù)位失調(diào)電壓與復(fù)位電平的疊加。而第二次采樣在t3t4之間

21、，C3電容保持的電壓為KTC噪聲、復(fù)位失調(diào)電壓和有用視頻信號的疊加。兩次采樣間隔為Tg。輸出信號為兩次采樣值進(jìn)行相減后所得的信號電壓。 圖3-1相關(guān)雙采樣3.4差分放大電路 VS為有用視頻信號輸出，CS為輸出復(fù)位電平信號。因此，在外部電路采用差分比例運(yùn)算電路時，把這兩個信號加到差分比例運(yùn)算電路的兩個輸入端即可很好地消除噪聲，并可得到有用信號。下面對差分比例運(yùn)算電路進(jìn)行一下分析：首先，我們設(shè)VS輸出的CCD信號（含噪聲）電壓為Ui1，CS端輸出信號電壓為Ui2。這里，我們知道Ui1=Ui2+UCCD（其中UCCD為不含噪聲的CCD輸出信號），實(shí)際上，我們可以把Ui和Ui這一對輸入信號看成是一對共

22、模信號和一對差模信號組成。若將兩個輸入信號分別寫成下列兩個分離之和：則可以看出兩個輸入信號中第一個分量的數(shù)值和相位均相同，符合共模信號的定義第二個分量的數(shù)值相同而相位相反，符合差模信號的定義。因此這樣一對任意信號就可以表示為一對共模信號和一對差模信號之和。即 其中：Uic1為差分比例運(yùn)算電路的共模輸入電壓。Uid1為差分比例運(yùn)算電路的差模輸入電壓。因此差分電路的差模輸入電壓為： 第4章 精度分析4.1 分配（1）光源發(fā)散角引起的誤差   高質(zhì)量高密度GaN綠色LED光源有一定的發(fā)散角，被測工件沿光軸方向移動會造成測量誤差，這種誤差很小，一般小于0.45m

23、。 （2）成像鏡頭引起的誤差   成像鏡頭采用制版物鏡是對稱型結(jié)構(gòu)，是校正慧差、畸變和倍率差三種垂軸像差最理想的結(jié)構(gòu)形式。這三種垂軸像差因結(jié)構(gòu)對稱而自動消除。因此，對其只要校正球差即可， 球差在制版物鏡影響較小，成像物鏡引起的誤差小于 0.5m。 （3）被測工件傾斜引起的系統(tǒng)測量誤差   為了保證測量的準(zhǔn)確性，要保證被測工件與CCD線陣方向垂直，否則會引入傾斜誤差。若被測工件與CCD線陣方向垂直的夾角為0.5。，測量直徑d<30mm時，引入傾斜誤差為 mt=30x1000x(1-cos0.5)=1.2m。 （4）被測工件不均勻性引起的誤差   本次實(shí)驗(yàn)中測量的軸類標(biāo)準(zhǔn)件，此誤差可以忽略。系統(tǒng)誤差 隨機(jī)由上述四中誤差組成。4.2 合成根據(jù)誤差合成理論知儀器總誤差為：第5章 總結(jié)與體會 通過本次光電儀器設(shè)計(jì)，了解了光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，光學(xué)系統(tǒng)鏡頭的準(zhǔn)確調(diào)節(jié)，鏡頭裝調(diào)和校驗(yàn)。我們在設(shè)計(jì)中遇到了各種問題，通過團(tuán)隊(duì)之間的合作協(xié)調(diào)，對設(shè)計(jì)實(shí)