測(cè)控儀器設(shè)計(jì)

測(cè)控儀器課程設(shè)計(jì)——基于線陣CCD的鋼管直徑測(cè)量系統(tǒng)院（系）名稱：電子信息學(xué)院專業(yè)名稱：測(cè)控技術(shù)與儀器系學(xué)生姓名：李偉學(xué)生學(xué)號(hào)：200731430062指導(dǎo)教師：仲思東2010年12月摘要本文介紹了基于線陣CCD的鋼管直徑測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)在線測(cè)量，效率高，測(cè)量準(zhǔn)確。其方法為通過照明系統(tǒng)使物體投影于CCD圖像傳感器的光敏面上，將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，并通過設(shè)定閾值，建立二值化電路，設(shè)計(jì)檢測(cè)電路對(duì)像元同步脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，求出被測(cè)物的像在CCD上所遮擋的像元個(gè)數(shù)，從而得出鋼管像的尺寸，由光學(xué)系統(tǒng)的放大率可得鋼管直徑為：為線陣CCD的像元中心距提出總體設(shè)計(jì)方案，將鋼管直徑測(cè)量系統(tǒng)分為照明系統(tǒng)﹑成像系統(tǒng)﹑CCD接收系統(tǒng)﹑二值化電路﹑檢測(cè)電路以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)幾個(gè)組成部分，并就各個(gè)部分進(jìn)行具體設(shè)計(jì)。最后對(duì)儀器的誤差進(jìn)行了分析，根據(jù)誤差的來(lái)源和性質(zhì)對(duì)相應(yīng)的誤差進(jìn)行了合成，得出儀器精度滿足設(shè)計(jì)要求。一、設(shè)計(jì)任務(wù)目的要求：利用CCD圖像傳感器進(jìn)行尺寸測(cè)量是CCD應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域之一。本題目旨在從儀器總體設(shè)計(jì)思想出發(fā)，應(yīng)用線陣CCD作為傳感器，設(shè)計(jì)一套鋼管外徑測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)的測(cè)量范圍為60—100mm，分辨率0.01mm，精度達(dá)到0.05mm。主要內(nèi)容：分析研究基于CCD的尺寸測(cè)量的工作原理基于工作原理確定系統(tǒng)總體方案進(jìn)行全系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)并進(jìn)行精度分析完成總體設(shè)計(jì)報(bào)告二、總體方案設(shè)計(jì)2.1光電傳感器CCD簡(jiǎn)介CCD（ChargedCoupledDevice，電荷耦合器件）是由一系列排得很緊密的MOS電容器組成。它的突出特點(diǎn)是以電荷作為信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電荷的存儲(chǔ)和電荷的轉(zhuǎn)移。因此，CCD工作過程的主要問題是信號(hào)電荷的產(chǎn)生、存儲(chǔ)、傳輸和檢測(cè)。CCD屬于集成光電傳感器，主要應(yīng)用于光電圖像的傳感，因此也稱其為CCD光電傳感器。CCD圖像傳感器具有靈敏度高、結(jié)構(gòu)緊湊、像素位置準(zhǔn)確、自掃描等特點(diǎn)，因此，許多采用光學(xué)方法測(cè)量外徑的儀器，把CCD器件作為光電接收器。CCD圖像傳感器有一維和二維之分，通常將一維CCD圖像傳感器稱為線陣CCD，將二維CCD圖像傳感器稱為面陣CCD，本文使用的是線陣CCD。2.2光電傳感器CCD用于一維尺寸的測(cè)量光電傳感器CCD用于一維尺寸測(cè)量的技術(shù)是非常有效的非接觸測(cè)量技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于各種加工件的在線監(jiān)測(cè)和高精度、高速度無(wú)損檢測(cè)的技術(shù)領(lǐng)域。線陣CCD圖像傳感器具有高分辨率、高靈敏度、像元位置信息強(qiáng)、結(jié)構(gòu)緊湊及其自掃描等特性。線陣CCD器件、光學(xué)成像系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)構(gòu)成的一維尺寸測(cè)量?jī)x器具有測(cè)量精度高、速度快、應(yīng)用方便靈活等特點(diǎn)，是現(xiàn)有機(jī)械式、光學(xué)式、電磁式測(cè)量?jī)x器都無(wú)法比擬的。這種測(cè)量方法往往無(wú)須配置復(fù)雜的機(jī)械運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)?？闺姶鸥蓴_能力強(qiáng)，從而減少誤差來(lái)源，是測(cè)量準(zhǔn)確度更高、使用更為方便。2.4總體設(shè)計(jì)該鋼管直徑測(cè)量系統(tǒng)集光、機(jī)、電、算于一體，具體過程為，待測(cè)鋼管被照亮后，經(jīng)成像物鏡成像在CCD光敏陣列面上。由于鋼管擋住了光線，中間不透光而形成暗帶，兩側(cè)為亮帶。中間暗帶反映了鋼管直徑的大小。反映在CCD上為一個(gè)谷。如圖1所示。圖1CCD視頻信號(hào)將該視頻部分進(jìn)行二值化后，填入時(shí)鐘脈沖，該時(shí)鐘脈沖對(duì)應(yīng)CCD空間分辨率，由計(jì)算機(jī)采集這個(gè)尺寸對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù)，再經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到待測(cè)鋼管的尺寸該系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖為穩(wěn)壓穩(wěn)流電源穩(wěn)壓穩(wěn)流電源照明系統(tǒng)被測(cè)鋼管定位系統(tǒng)成像系統(tǒng)線陣CCD光電傳感器CCD驅(qū)動(dòng)電路二值化電路檢測(cè)電路計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集接口計(jì)算機(jī)系統(tǒng)2.5光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)由于鋼管直徑測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量范圍為60~100mm，可以通過設(shè)計(jì)光路使物像成比例縮小，再反映到CCD上，但這樣會(huì)降低測(cè)量精度和測(cè)量分辨率，故設(shè)計(jì)雙CCD的測(cè)量系統(tǒng)，如圖（2）：圖2雙CCD測(cè)量系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)的作用是將被測(cè)鋼管成像在CCD的光敏面上。為了消除雜光的影響，可以在系統(tǒng)中加有帶通濾波器（濾光片），只允許照明系統(tǒng)的光譜能量通過光學(xué)成像系統(tǒng)?？梢姽鈱W(xué)系統(tǒng)由成像系統(tǒng)和照明系統(tǒng)兩部分組成，光路圖如圖3所示：圖3系統(tǒng)光路圖成像系統(tǒng)由圖（3）可見，光學(xué)成像系統(tǒng)由物鏡L﹑光闌和CCD器件組成。光闌設(shè)在成像物鏡L的像方焦平面處。光闌為系統(tǒng)的孔徑光闌，形成了物方遠(yuǎn)心光路，以控制軸外物點(diǎn)主光線的方向，使AB在CCD光敏面的像點(diǎn)位置不變。影響該系統(tǒng)成像特性的主要是物鏡L。設(shè)鋼管的物方線視場(chǎng)為2y﹑線陣CCD器件像敏單元的寬度為﹑像敏單元數(shù)為﹑物像之間共軛距為L(zhǎng)，則成像系統(tǒng)的光學(xué)參數(shù)可由以下公式求出：（1）系統(tǒng)放大率系統(tǒng)放大率計(jì)算：式中，，為鋼管在CCD像敏面上所成像的尺寸。（2）物鏡的相對(duì)孔徑物鏡的相對(duì)孔徑是由物鏡的分辨率和CCD器件所需光照度的大小決定的。物鏡的分辨率與CCD器件的有關(guān)。它們之間的關(guān)系為：由物鏡的分辨率可確定物鏡的數(shù)值孔徑為：由式和分別求出物方孔徑角U和像方孔徑角值。式中，和分別表示物方﹑像方介質(zhì)折射率。（3）確定物鏡的焦距解聯(lián)立方程組：可求出物鏡的焦距和成像系統(tǒng)的外形尺寸和值。（4）視場(chǎng)角：式中，為CCD像敏面到物鏡像方焦點(diǎn)的距離，。（5）孔徑光闌的直徑（6）物鏡通光口徑根據(jù)以上有關(guān)計(jì)算，本系統(tǒng)選用的物鏡，系統(tǒng)放大率。照明系統(tǒng)鋼管能否得到均勻照明對(duì)測(cè)量結(jié)果影響很大。由于成像系統(tǒng)采用了物方遠(yuǎn)心光路，因此照明系統(tǒng)采用柯拉照明方式與之相匹配。在圖（3）所示光路中，由燈絲﹑集光鏡﹑聚光鏡和光闌組成柯拉照明系統(tǒng)。他們滿足如下成像關(guān)系：燈絲經(jīng)集光鏡成像于聚光鏡的物方焦平面處，再經(jīng)聚光鏡成像于無(wú)窮遠(yuǎn)且與成像系統(tǒng)的入射光瞳重合。被燈絲照亮的集光鏡（或光闌）經(jīng)聚光鏡成像于物平面AB處。設(shè)被照明的物體直徑為2y，物鏡的物方孔徑角為U，燈絲長(zhǎng)度為，則根據(jù)成像關(guān)系，照明系統(tǒng)的外形尺寸可根據(jù)圖（3）計(jì)算得出。聚光鏡的口徑為使鋼管位置變化時(shí)，仍使AB得到均勻的照明：則聚光鏡的口徑要足夠大，由圖（3）可知式（1）：式（1）式中，為物面到聚光鏡的距離。式（1）說明）聚光鏡的口徑與成像物鏡L的數(shù)值孔徑﹑被照明物方線視場(chǎng)2y及有關(guān)，從而可以選擇聚光鏡。（2）光闌的口徑根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)滿足拉赫不變量的要求及物鏡L的物方孔徑角U，有式（2）：式（2）式中為聚光鏡的拉赫不變量；為物鏡的拉赫不變量；，并由圖（3）可知，代入式（2）可得式（3）：式（3）（3）光闌的位置和大小緊靠集光鏡的光闌與物面AB是聚光鏡的一對(duì)共軛面。由式可得式（4）：式（4）式中，即為光闌到聚光鏡的距離。光闌的口徑大小，可由放大率公式求得，即所以（4）聚光鏡的計(jì)算聚光鏡的作用是將燈絲成一放大實(shí)像于光闌處。因此可由方程組：3式聯(lián)立求解出集光鏡的焦距和外形尺寸﹑。集光鏡口徑的確定應(yīng)滿足系統(tǒng)赫拉不變量的要求，即，由此集光鏡的孔徑角如式（5）式（5）故集光鏡的口徑如式（6）：式（6）由以上公式可以算出該系統(tǒng)的參數(shù)，于是聚光鏡選為的物鏡，光源為12V﹑100W的白熾鎢絲燈，燈絲尺寸為4mm*3mm。2.6線陣CCD的選擇一般來(lái)說，測(cè)量范圍和測(cè)量精度是選擇CCD的主要依據(jù)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，鋼管直徑測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量范圍為60~100mm，測(cè)量分辨率為0.01mm，測(cè)量精度為0.05mm。令兩CCD的固定間距，對(duì)于單個(gè)CCD而言，CCD的測(cè)量范圍必須滿足5~25mm，則單個(gè)CCD的測(cè)量范圍應(yīng)大于25mm，測(cè)量精度為0.05mm，相對(duì)測(cè)量精度應(yīng)高于0.2%，即應(yīng)選擇超過1000像元的線陣CCD即可滿足測(cè)量系統(tǒng)精度要求。當(dāng)考慮到為方便調(diào)節(jié)系統(tǒng)應(yīng)該具有更大的視場(chǎng)，在擴(kuò)大視場(chǎng)的情況下也應(yīng)保證測(cè)量精度的要求。為此，本文選用具有2160個(gè)有效像元的線陣CCD器件，使相對(duì)測(cè)量精度高于0.05%，根據(jù)市場(chǎng)現(xiàn)狀選用TCD1206SUP型線陣CCD為光電探測(cè)器件。該器件每個(gè)光敏元的尺寸為0.014mm*0.014mm，像元中心距為0.014mm，像敏區(qū)總長(zhǎng)度為30.24mm，滿足測(cè)量系統(tǒng)對(duì)測(cè)量精度的要求。在1MHZ的驅(qū)動(dòng)脈沖下，TCD1206SUP驅(qū)動(dòng)器輸出信號(hào)的暗電平可控制在1.0V左右，而高電平可接近10V，相差較大。當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)調(diào)整比較好時(shí)，圖像邊緣的信號(hào)較陡，測(cè)量誤差很小。2.7電路設(shè)計(jì)1二值化電路設(shè)計(jì)線陣CCD輸出的視頻信號(hào)中已經(jīng)包含CCD面被鋼管遮擋的陰影長(zhǎng)度，但是，必須首先將這些信息二值化，才能將這些信息以數(shù)字方式提取出來(lái)。因此，二值化電路是視頻信號(hào)變換中的關(guān)鍵電路。二值化設(shè)計(jì)要從以下幾個(gè)方面考慮。視頻信號(hào)分為4個(gè)區(qū)間，T0是32個(gè)像元空輸出，以1MHz的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)CCD，T0時(shí)間為32us，T2是CCD視頻信號(hào)輸出時(shí)間，為2.048ms，要在T3的范圍內(nèi)將信息提取出來(lái)，要求T3<T2，T1>T0。故取T3=2ms，T1=50us。在確定好以上時(shí)間后，進(jìn)行二值化邏輯電路的設(shè)計(jì)，框圖如下。圖4視頻時(shí)間區(qū)域劃分圖5二值化電路2檢測(cè)電路設(shè)計(jì)圖6為鋼管直徑測(cè)量系統(tǒng)檢測(cè)電路原理圖。圖7為檢測(cè)電路的工作波形圖。圖中的計(jì)數(shù)器由行同步脈沖復(fù)位，像元同步脈沖SP為計(jì)數(shù)脈沖的輸入脈沖信號(hào)，計(jì)數(shù)器任意時(shí)刻所計(jì)得的值表征了那一時(shí)刻線陣CCD輸出的像元位置數(shù)。脈沖的上升沿為第一個(gè)有效像素單元?jiǎng)倓偟絹?lái)的時(shí)刻，它的下降沿是本行轉(zhuǎn)移結(jié)束，因此可以用作為同步脈沖。當(dāng)線陣CCD輸出的視頻信號(hào)被浮動(dòng)閾值二值化處理電路二值化后，輸出的信號(hào)如圖7中的A所示，將其經(jīng)反相器反相后為圖7中的所示。將計(jì)為B，再用B的上升沿去觸發(fā)D端和清零端都接于的D觸發(fā)器。該觸發(fā)器的Q輸出端的輸出波形如圖所示。接到邊沿鎖存器的鎖存端，的數(shù)據(jù)輸入端接在計(jì)數(shù)器的數(shù)據(jù)輸出端上，則鎖存器將鎖存值。這是對(duì)于CCD1，對(duì)于CCD2也可得到。則鋼管外徑的值為：圖6鋼管直徑測(cè)量系統(tǒng)檢測(cè)電路原理圖圖7檢測(cè)電路的工作波形圖2.8計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理與顯示本系統(tǒng)利用單片機(jī)作為數(shù)據(jù)處理單元，將鎖存器的數(shù)據(jù)輸出端并接在單片機(jī)數(shù)據(jù)總線上。當(dāng)為低電平時(shí)，通過地址總線發(fā)出讀數(shù)命令，通過地址譯碼器選中鎖存器，將和值讀入計(jì)算機(jī)中。計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)處理后，計(jì)算出相應(yīng)結(jié)果，通過數(shù)碼管顯示。三精度分析在測(cè)量中，誤差的主要來(lái)源有光束不平行的準(zhǔn)直誤差，CCD的非均勻性誤差，透鏡像差及環(huán)境噪聲誤差等，下面就這幾方面給與討論。光功率不穩(wěn)定的誤差由電源輸出的電流的變化將引起白熾燈發(fā)光功率的變化，由于采用了高精度穩(wěn)定光源電源，它可以為光源提供高穩(wěn)定的穩(wěn)壓穩(wěn)流電源，所以在本系統(tǒng)中由于電源不穩(wěn)定所引起的測(cè)量誤差可以忽略不計(jì)。2.成像透鏡相差引起的誤差光學(xué)系統(tǒng)的畸變引起的誤差，本系統(tǒng)測(cè)量時(shí)，認(rèn)為在一對(duì)共軛的物像平面上，放大倍率只有近軸區(qū)才有這一性質(zhì)。視場(chǎng)較大時(shí)，像的放大倍率就要隨視場(chǎng)而異，即產(chǎn)生畸變，實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)成像物鏡具有畸變，畸變的存在將直接影響系統(tǒng)的測(cè)量精度。在本測(cè)徑系統(tǒng)中，成像透鏡的像差引起的誤差小于10um，屬于系統(tǒng)誤差，可以通過軟件進(jìn)行校正。3.光源不平行的準(zhǔn)直誤差當(dāng)光源準(zhǔn)直為良好的平行光時(shí)，被測(cè)物沿軸向擺動(dòng)對(duì)測(cè)量結(jié)果沒有影響，但當(dāng)光源有一定的發(fā)散角或會(huì)聚角時(shí)，被測(cè)物沿光軸方向的移動(dòng)會(huì)造成測(cè)量誤差，這種誤差很小，一般小于0.49um。4.計(jì)數(shù)誤差由于成像光路的放大倍數(shù)為1倍，計(jì)數(shù)頻率為CCD輸出數(shù)據(jù)速率的1倍，CCD的像元尺寸為14um×14um，計(jì)數(shù)器的一個(gè)計(jì)數(shù)周期對(duì)應(yīng)14um的尺寸，因而單次測(cè)量的計(jì)數(shù)誤差小于14um。5.待測(cè)物傾斜的誤差為了保證測(cè)量的準(zhǔn)確性，要保證被測(cè)物與CCD線陣方向垂直，否則會(huì)引入一個(gè)傾斜誤差。若被測(cè)物與CCD線陣方向垂直方向夾角，待測(cè)量d<5mm時(shí)引入傾斜誤差為，屬于系統(tǒng)誤差。6.環(huán)境因素造成的誤差雜散光、環(huán)境溫度變化、空氣擾動(dòng)、灰塵、電磁干擾等環(huán)境條件對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響是比較復(fù)雜的。環(huán)境因素影響可能表現(xiàn)為小的隨機(jī)誤差，也可能表現(xiàn)為粗大誤差，這些因素難以預(yù)料，我們要采取措施加以抑制。在測(cè)徑系統(tǒng)實(shí)施的時(shí)候可以采用一些方法減小環(huán)境的影響，如采用孔徑光闌和密封的方式可以消除雜散光和空氣擾動(dòng)的影響。CCD作為一種半導(dǎo)體器件，溫度的變化將改變CCD的輸出電壓的浮動(dòng)。本試驗(yàn)所用的TCDl206UD受溫度變化的影響很小，幾乎不變。CCD的拼接誤差要將兩CCd的像元單元陣列拼接在同一條直線上是很不容易的，需要四維的調(diào)整機(jī)構(gòu)，即使在工具顯微鏡下也只能在一定范圍內(nèi)完成，必然存在拼接誤差。由于兩CCD分開有一定的距離，此時(shí)的拼接誤差為20。為系統(tǒng)誤差，可通過軟件消除。綜上所述，儀器的誤差為：偶然誤差總和極限值：系統(tǒng)誤差總和極限值：系統(tǒng)的總不確定度為：四總結(jié)1.本文采用CCD對(duì)鋼管直徑進(jìn)行測(cè)量，屬于非接觸測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了從數(shù)據(jù)采集到處理直到顯示的完全自動(dòng)化，大大減少了測(cè)量人員的工作量，避免了人為原因而引起的誤差。2.由精度分析可