一種新型非接觸式線徑測量系統(tǒng)

1、第25卷第4期增刊儀器儀表學(xué)報(bào)2004年8月一種新型非接觸式線徑測量系統(tǒng)李慧鵬王軍張軍唐文彥(哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱150001)摘要提出了一種基于CCD影像測量法的新型非接觸式線徑測量系統(tǒng)。詳細(xì)論述了系統(tǒng)的工作原理和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在邊緣提取中,所采用的三次樣條插值法計(jì)算簡單、精度高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該系統(tǒng)具有精度高、穩(wěn)定性好、非接觸測量、測量速度快等特點(diǎn),適合檢測各種線材和插針的直徑,并且信號易于進(jìn)行數(shù)字化處理,易于計(jì)算機(jī)聯(lián)接,組成實(shí)時(shí)自動測量系統(tǒng)。關(guān)鍵詞線陣CCD線徑測量控制系統(tǒng)ANovelNoncontactMeasurmentSystemfortheDiameterofWiresLiHuipe

2、ngWangJunZhangJunTangWenyan(HarbinInstituteofT,arbin150001,China)AbstractAnovelnoncontactmeasurementsystemforofiresasonCCDimag2ingmeasurement.Thestructuralpwereexpounded.Inedgedetec2tion,cubicsplinehighaccuracy.Experimentalresultsshowedthatthesystemhadh,highnumericalstability,noncontactmeasurement,a

3、ndfastspeed,whichwasappropriateforeasuringvariouswirestocksandcontactpins,anditsuniquewasfacilitydigitalprocessed,anditiseasytoconnectwithcomputer,andcomposeauto2measuringsystem.KeywordsLinearCCDWirediametermeasurementControlsystem應(yīng)用前景。41引言2測量系統(tǒng)的工作原理隨著技術(shù)的發(fā)展,工業(yè)自動化程度越來越高。線徑作為線材和插針產(chǎn)品的一個(gè)重要參數(shù)指標(biāo),對其用卡尺進(jìn)行手工

4、測量的傳統(tǒng)方法已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代工業(yè)自動化的要求。目前,國內(nèi)外常采用激光掃描式傳感器進(jìn)行線徑檢測13本系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。均勻穩(wěn)定的光源發(fā)出的光經(jīng)發(fā)射器鏡片組集中成一個(gè)平行光束,并發(fā)射出來,通過接收器內(nèi)的帶通濾波鏡和望遠(yuǎn)鏡式光學(xué)系統(tǒng),然后由CCD接收。在接收器與發(fā)射器間無目標(biāo)遮擋時(shí),通過望遠(yuǎn)式光學(xué)系統(tǒng)的所有光束都入射到CCD感測器上,輸出一個(gè)寬度為T的脈沖如圖2所,但是這種方法的重復(fù)性會受到測頭馬達(dá)的高溫及振動的影響,另外馬達(dá)有速度的限制,并且會產(chǎn)生高熱,以致降低使用壽命。CCD電荷耦合器件作為一種微型圖像傳感器,既有光電轉(zhuǎn)換功能,又具有信號電荷的存儲、轉(zhuǎn)移和輸出功能,它能將一幅空間域分布

5、的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成一列時(shí)間域分布的離散信號,它具有靈敏度高,光譜響應(yīng)寬,動態(tài)范圍大等特點(diǎn)。線陣CCD,作為一種高靈敏度光電傳感器,它像元尺寸小,幾何精度高,配以適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)系統(tǒng),可獲得很高的空間分辨率,在工業(yè)非接觸檢測和控制中會有廣泛示,當(dāng)有目標(biāo)進(jìn)入視場中時(shí),光束沒被擋住的部分輸出高電平,擋住的部分輸出為低電平信號,則全部輸出信號為雙正脈沖信號,其低電平寬度t對應(yīng)于目標(biāo)直徑=。CCD影像感測器掃描并以每秒2400次的取樣率計(jì)算陰影的面積與位置,來進(jìn)行目標(biāo)的尺寸或位置的量測。信號接著經(jīng)過控制器系統(tǒng)處理后再輸出,達(dá)到高速、高精度的測量效果。210儀器儀表學(xué)報(bào)第25卷圖1線徑測量系統(tǒng)原理框圖受到外界強(qiáng)光

6、的干擾,提高系統(tǒng)的測量可靠性。(3)CCD影像測量法的穩(wěn)定性與入射光強(qiáng)的分布有很大關(guān)系,如圖3所示,因此系統(tǒng)加入了光度校正功能。通過加入光度校正功能在每次測量前單片機(jī)系統(tǒng)圖2脈寬度比值法原理示意圖根據(jù)CCD,發(fā)出控制指令調(diào)整,3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中,(1)該系統(tǒng)采用影像測量法和連續(xù)平均值測、激光功率控制。系統(tǒng)的硬件框圖如圖4所示。當(dāng)發(fā)射器發(fā)出的光束經(jīng)光學(xué)系統(tǒng),由CCD進(jìn)行連續(xù)掃描,輸出的電信號經(jīng)放大、采樣和補(bǔ)償,由A D采樣后,經(jīng)D1E處理器送入DSP微機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,將測量結(jié)果顯示或打印。同時(shí),在系統(tǒng)中增加了A D和D A轉(zhuǎn)換接口,為系統(tǒng)的擴(kuò)展提供了方便。另量,克服了傳統(tǒng)的光束掃

7、描測法無法連續(xù)測量的缺點(diǎn),因?yàn)楣馐鴴呙璺ǖ膾呙杈€有一個(gè)角度,無法測量移動目標(biāo)的實(shí)際直徑。CCD采用連續(xù)平均值測量,可觀察目標(biāo)物體瞬間的改變,測量之間不會產(chǎn)生空隙,測量線永遠(yuǎn)保持平直,可提供實(shí)際的直徑。(2)在CCD鏡頭前采用望遠(yuǎn)鏡式光學(xué)系統(tǒng)時(shí),系外,通過增加RS232接口系統(tǒng)可以非常方便與上級計(jì)算機(jī)通訊,實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話。統(tǒng)能夠只采用平行光束形成影像,可防止由于目標(biāo)位置的改變而引起鏡片組放大倍率的改變,并確保測量的精確度。在接收器前加入帶通濾波片,可以防止系統(tǒng)圖3校正前后光度比較圖圖4系統(tǒng)硬件原理框圖第4期增刊一種新型非接觸式線徑測量系統(tǒng)2114測量系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析目標(biāo)在圖像中的位置可以反映出實(shí)際

8、目標(biāo)在空間中的位置,而目標(biāo)本身的尺寸則反映在圖像中所占像素的數(shù)目上。由于目標(biāo)的邊緣在圖像上是一個(gè)模糊的概念,即變化劇烈的部分,所以準(zhǔn)確的識別出目標(biāo)的邊緣直接關(guān)系到測量精度56圖5圖像處理前后對比圖。這里提出了選用三次樣條插值整個(gè)圖像曲線,再通過選取目標(biāo)圖像區(qū)域,計(jì)算插值曲線的拐點(diǎn),可比較精確的求出目標(biāo)圖像的邊緣。這種算法的優(yōu)點(diǎn)是圖像曲線充分光滑,達(dá)到整體二階連續(xù),計(jì)算出的邊緣可以達(dá)到0.1個(gè)像素以上。比起其它的細(xì)分方法,本算法容易實(shí)現(xiàn),精度高。首先,整體插值。在第i到第i+1個(gè)像素之間定義三次曲線:Ri(x)=ai3x+ai2x+ai1x+ai025結(jié)論為測量線材和插針等零件的直徑提供了一種新

9、型的在線動態(tài)非接觸測量方法和測量系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)表明該測量系統(tǒng)測量精度高,速度快,每秒高速取樣可達(dá)2400次。測量時(shí)具有省時(shí)、省力、工作可靠、效率高、所需要的測量夾具少、無磨損等特點(diǎn)。如果通過增加一些附件及外部設(shè)備,設(shè)計(jì)出相應(yīng)的伺服控制系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和測量基準(zhǔn)裝置等,可以實(shí)現(xiàn)形位誤差的檢測,同時(shí),主,計(jì)算和處理,實(shí)時(shí),實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)中的計(jì)算機(jī)統(tǒng)計(jì)質(zhì)參考文獻(xiàn)1Harryprunk.Thelatestdevelopmentinmeasuringe2quipmentforonlinequalitycontrolatthecableextru2xxi,xi+1(1)曲線Ri(x)滿足Ri(i)=H(i),Ri(i

10、+1)=H(i+1),H(i)表示第i個(gè)像素的灰度值,且Ri(i)和Ri+1(i)=i+1邊界條件,Ri(i)。其次,需要確定目標(biāo)圖像曲線。由于在計(jì)算邊緣時(shí),需要對每段曲線求二階導(dǎo)數(shù),并求二階導(dǎo)數(shù)的零點(diǎn),如果對整條曲線計(jì)算,計(jì)算量非常大。為了簡化計(jì)算,在實(shí)際處理圖像時(shí),可以通過光標(biāo)選取目標(biāo)圖像的區(qū)域,在區(qū)域內(nèi)計(jì)算二階導(dǎo)數(shù)的零點(diǎn)。最后,計(jì)算邊緣。假設(shè),選擇的曲線段有Ri,Ri+1,Ri+n,則分別計(jì)算各曲線段在定義區(qū)間的二階導(dǎo)數(shù)為零的點(diǎn)。Ri(x)=6ai3x+2ai2i=j,j+1,j+n(2)3ai3。如果ixxi+1,則Ri(x)=0得xs=-ai2111.sion.WireJournalInternational,2000,7:1042張國玉,安志勇,李成志,等.雙光束激光掃描尺寸測量系統(tǒng).半導(dǎo)體光電,1998,5(16):320323.3鄧景珊,張力,朱永茂,等.核電站燃料UO2芯塊直徑在線激光掃描測量.應(yīng)用激光,2001,3(21):180182.4吳建兵,李川奇.CCD高精度線徑測量儀.工藝儀表與自動化裝置,1996,(1):2729.5雷志勇,劉群華,姜壽山,等.線陣CCD圖像處理算法研說明xs是邊緣點(diǎn),由于圖像本身的特點(diǎn)(目標(biāo)邊緣是對稱的),必能找到另一邊緣點(diǎn)在Rj,Rk。通過