线阵CCD测玻璃管.doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上学校代码： 学 号： 本科课程设计说明书（题 目：线阵CCD测量玻璃管内外径尺寸的研究学生姓名：学 院：系 别：专 业：班 级：指导教师： 二 一 七 年 一 月摘 要传统的对玻璃管产品几何尺寸的检测方法主要是利用千分尺等手工测量，测量周期长、准确度不高且易受主观因素影响，难以满足批量生产和在线实时测量控制的要求。本文根据玻璃管生产线的结构，提出了一种以线阵CCD传感器为基础的在线检测方法，并对此方法进行了测量系统的研制过程的技术总结与方法计算。线阵CCD 是一种结合光、机、电和计算机的高新技术半导体光电传感器，它的技术特点是：精度高、非接触测量、便携灵活；由于这些技

2、术特点使得线阵CCD 在图像处理和工业检测领域中得到了广泛的应用。关键词：CCD传感器；玻璃管内外径尺寸；在线检测专心-专注-专业目 录第一章 绪论1.1 课题设计背景电荷耦合器件(CCD)属于半导体器件，是一种图像传感器，能够把视场内的光学图像转化为电荷并存储在相应的像素中，然后通过读出电路将存储的像元电荷读出，并用外围电路中的模数转换模块转换为数字信号。一个完整的CCD阵列是由一系列的微小光敏物质(像素)组成。CCD图像传感器上拥有的像素数量越，能够提供的画面清晰度也就越高。CCD器件自1969年在贝尔实验室诞生以来，随着半导体技术的发展，CCD技术也随之得到迅速发展，从当时简单的8像元移

3、位寄存器，到现在已具有数百万、上千万乃至上亿像元。CCD的像元尺寸已经减小到2um以下，在缩小像元尺寸的同时，通过背面光照技术等，使饱和电压和灵敏度也得到提高，在暗电流、出噪声抑制、光晕转移效率等方面也得到了极大的善。现在的CCD探测器可以探测到短波红外光谱以及一部分紫外光谱，可应用的范围广泛。CCD和CMOS都是基于MOS结构进行光电转换达到图像采集目的，但它们对光电转换后的电荷采用不同的处理方式。由于工作方式、结构和制造工艺差别，与CMOS相比，CCD器件一直有灵敏度高、噪声低等优点。CCD器件拥有光响应宽、噪声低、动态范围大、图像畸变小、灵敏度和几何精度高、寿命长、抗冲击、耐震动、抗电磁

4、干扰能力强、坚固耐用、可以长时间在恶劣环境工作、进行数字化处理和与计算机连接方便等优点，在图像采集、工业测控、非接触测量、天文遥感、航空航天、机器视觉、实时监控、军事电子对抗等领域得到了广泛应用，是光电子学和测试技术中最活跃和最富有成果的研究领域之一。随着科学技术发展和图像采集系统的广泛应用，人们对于图像釆集系统的主要指标：采样速率、分辨率、精度和抗干扰能力等方面，提出了越来越高的要求。CCD探测器作为光电转换式的图像传感器，是现代电子学和现代测试技术中最活跃的传感器，有广泛的应用需求。而大面阵，高帧频的应用需求也在逐步提高。高分辨率、高帧频的高速高清CCD技术的发展越来越受到人们的重视。 1

5、.2 课题来源及意义课题属与内蒙古工业大学课程设计。本文介绍了利用光学成像系统、CCD技术、信号处理、对玻璃管的直径进行测量的实现方法。检测方法采用光电检测技术，它和传统机械检测方法相比有许多优点, 如它能以非接触方式检测被加工产品, 测量中对工件无磨损, 可消除人为误差。线阵CCD作为一种光电传感器件，几何精度高，像元尺寸小，配合适当的光学系统能够设计高精度测量直径仪器，在工业非接触检测和控制中有广泛的应用前景。1.3 本文所做的主要工作1）分析研究利用线阵CCD进行玻璃管外径尺寸测量的测量方法。2）对线阵CCD做出正确的选择。3）对光学系统的设计。4）实现玻璃管外径尺寸检测电路的硬件设计。

6、第二章 CCD图像传感器2.1 CCD工作原理电荷耦合器件（Charge-Coupled Device，CCD）又称图像传感器，是一种大规模集成电路光学器件，是在MOC电路技术基础上发展起来的新型半导体传感器。电荷耦合器件的突出特点是以电荷作为信号，而不同于其他大多数器件是以电流或者电压为信号， 所以CCD的基本功能是电荷的存储和电荷的转移。它存储由光或电激励产生的信号电荷，当对它施加特定时序的脉冲时，其存储的信号电荷便能在CCD内作定向传输。CCD工作过程的主要问题是信号电荷的产生、存储、传输、和检测3。2.2 CCD的功能特性CCD图像传感器可直接将光学信号转换为模拟电流信号，电流信号经过

7、放大和模数转换，实现图像的获取、存储、传输、处理和复现。其显著特点是：体积小重量轻；功耗小，工作电压低，抗冲击与震动，性能稳定，寿命长；灵敏度高，噪声低，大；响应速度快，有自扫描功能，图像畸变小，无残像；.应用工艺技术生产，像素集成度高，尺寸精确，商品化生产成本低。许多采用光学方法测量外径的仪器，把CCD器件作为光电接收器。CCD从功能上可分为和面阵CCD两大类。线阵CCD通常将内部电极分成数组，每组称为一相，并施加同样的。所需相数由芯片内部结构决定，结构相异的CCD可满足不同场合的使用要求。线阵CCD有单沟道和道之分，其光敏区是MOS电容或结构，生产工艺相对较简单。它由光敏区阵列与移位寄存器

8、扫描电路组成，特点是处理信息速度快，外围电路简单，易实现实时控制，但获取信息量小，不能处理复杂的图。面阵CCD的结构要复杂得多，它由很多光敏区排列成一个方阵，并以一定的形式连接成一个器件，获取信息量大，能处理复杂的图像4。2.3 CCD的主要应用CCD 器件及其应用技术的研究取得了惊人的进展，特别是在图像传感和非接触测量领域的发展更为迅速。随着CCD技术和理论的不断发展 ，CCD技术应用的广度与深度必将越来越大。CCD是使用一种高感光度的半导体材料集成，它能够根据照射在其面上的光线产生相应的电荷信号，在通过模数转换器芯片转换成 “0”或“1”的数字信号，这种数字信号经过压缩和排列后可由闪速存储

9、器或硬盘卡保存即收光信号转换成计算机能识别的电子图像信号，可对被侧物体进行准确的测量、分析。是一种感光元件可以把感觉到的光学影像转换为数字信号，具有反应灵敏、可靠性高、稳定性好、使用简单、耐用性强、使用寿命长等优点。CCD的应用领域广泛，在数码相机、摄像机、安防、传真机等领域中都有一定的应用5。 第三章 CCD测量玻璃管尺寸系统3.1 线阵CCD测量玻璃管直径尺寸方法将置于准直平行光路中的透明玻璃管经过远心成像系统后,在像面(CCD光敏面)形成一个反映玻璃管外径及壁厚几何尺寸的影像,CCD视频信号经微机数据采集和数据处理后,可获得玻璃管外径及壁厚值。设玻璃管外径为,内径为,则一束平行光按透过玻

10、璃管后的特性可分为三部分如图3-1所示,为入射光线与光轴的距离,为玻璃折射率。a. 部分，直接透射b. 时，光线在玻璃管内壁发生全反射、透射。 经数学推导可知出射光线与水平轴夹角 (3-1)c. 时，光线在玻璃管内壁发生折射、透射。经数学推导可得出射光线与水平轴夹角 (3-2)系统是用仪器灯泡作光源，可采用光线追迹的方法建立实际的光线分布数学模型。基于上面玻璃管透光特性的数学模型，利用反射率公式 (3-3)计算每根光线到达像面时的光强透过率，然后再计算出所有到达像面光线光强的迭加，就模拟出像面上的光强分布，计算出的像面光强分布如图3-1所示。图3-1 CCD输出的信号波形图3-1是实际CCD视

11、频信号。可见，计算机模拟结果与实际结果是一致的。经计算机进一步模拟表明，表征壁厚的特征量（）是与成像系统的孔径光阑直径和成像透镜焦距以及有关的函数，即 (3-4)由此可推出所以，测出和后，由 (3-5)可求出壁厚。3.2 线阵CCD的选择将系统采用同一只线阵CCD对玻管外径和壁厚进行同时测量。选择CCD的主要依据1：测量范围、测量精度、测量速度被测玻璃管的最大外径28土0.4mm，壁厚的测量精度要求最高为0.05mm，因而，系统的测量范围应大于28.4mm，相对测量精度应高于1.76。从而选择像元数超过1000像元的线阵CCD即可以满足测量系统对精度的要求。当考虑到系统应该具有更大的视场，并满

12、足测量精度的要求。为此，系统选用具有2160个有效像素单元的TCD1206SUP线阵CCD为光电检测器件。它的相对精度高于0.5 ，像元尺寸为0.014*0.014mm，像敏区总长度为30.24mm。还要考虑信号读出频率是否满足测量仪器对测量速度的要求。图2是TCD1206sup 的管脚图。其特性如下：1、 像敏单元数目：2160像元；2、 像敏单元大小:14mm*14mm *14mm,(相邻像元中心距离为14mm)；3、 光明区域：采用高灵敏度PN结作为光敏单元；4、 时钟：二相(5V)；5、 内部电路：包含采样保持电路，输出预放电路；TCD1206SUP是一种高灵敏度、低暗电流、2160像

13、元的线阵CCD图像传感器。该传感器用于传真、图像扫描和OCR。该器件的内部信号预处理电路包含采样保持和输出预放大电路。它包含一列2160像元的光敏二极管，当扫描一张B4的图纸时，可达到8线/毫米(200DPI)的精度。管脚排列图如图3-2所示:图3-2 TCD1206SUP管脚排列图表3-1 TCD1206SUP特性参数特性参数符号最小值典型值最大值单位灵敏度R334556光响应非均匀性PRNU1020%寄存器不平衡性RI3%饱和输出电压1.51.7V饱和曝光量SE0.037暗信号电压VDRK12V暗信号电压非均匀性DSNU23V直流电源耗散PD140180mW总转移效率TTE92%输出阻抗Z

14、O1.0%直流信号输出电压VOS4.55.5V3.3 光学系统的选型(或设计)光学系统的作用是将被测玻璃管成像在CCD光敏面上。为了消除拉制温度及背景光的影响，系统应有带通滤光片，只允许照明系统的光谱能量通过光学成像系统。光学系统由成像系统和照明系统两部分组成.CCD选定后，对光学成像系统至少提出如下要求；像方视场：视场必须大于30.24mm（芯片在像面内)；物方视场：满足设计要求至少28.4mm（考虑到尺寸增大可能)；成像物镜分辨率：不低于1000/14 即73lp/mm。3.3.1 照明系统玻璃管能否得到均匀照明对测量结果有很大影响。由于成像系统采用了物方远心光路，因此照明系统需用柯拉照明

15、方式与之相匹配。在图3-3中，由灯丝2y0、集光镜L1、聚光镜L2和光阑P1、P3组成柯拉照明系统。 图 3-3光学系统光路图它们满足下面关系：灯丝2y0经集光镜L1成像于聚光镜L2的物方焦平面F2处，再经聚光镜L2成像于无限远且与成像系统的入射光瞳重合。被灯丝照亮的集光镜L1(或光阑P3)经聚光镜L2成像于物平面AB处。设被照明的物体直径为2y，物镜的物方孔径角为U，灯丝长度为2yo，则根据以上成像关系，照明系统的外形尺寸可根据图3-3计算得出。 (1) 聚光镜L2的口径DL2 为使玻璃管位置变化时，仍使玻璃管AB得到均匀的照明；则聚光镜L2的口径要足够大，由图可知 (3-6)式中，为物面到

16、聚光镜L2的距离。此式说明聚光镜L2的口径与成像物镜L的数值孔径(或者说物方孔径角U)、被照明物方线视场2y及有关，从而可选择聚光镜L2。 (2) 光阑P1的口径D1 根据系统应满足拉赫不变量的要求及物镜L的物方孔径角U，有 (3-7)式中，为聚光镜的拉赫不变量，为物镜的拉赫不变量 。 ，并由图可知 ，代入上式可得 (3-8)(3) 光阑P3的位置和大小 紧靠集光镜L1的光阑P3与物面AB是聚光镜L2的一对共轭面，因此由式可得 (3-9)式中，l2即为光阑P3到聚光镜L2的距离。光阑P3的口径大小，可由放大率公式求得，即 (3-10)所以 (3-11)(4)集光镜L1的计算 集光镜L1的作用是

17、将灯丝2yo成一放大实像于光阑P1处。因此可由方程组 三式联立求解出集光镜的焦距和外形尺寸。集光镜口径的确定应满足系统拉赫不变量的要求，即，由此集光镜的孔径角 (3-12)故集光镜的口径为 (3-13)由以上公式可以算出该系统的参数，于是：聚光镜选为130mm、 的物镜，由以上公式可以算出该系统的参数，于是聚光镜选为130mm的物镜。 3.3.2 光学成像系统由图3-3可见，光学成像系统由物镜L、光阑P2和CCD器件组成。光阑P2设在成像物镜L的像方焦平面F处。光阑P2为系统的孔径光阑，形成了物方远心光路，以控制轴外物点主光线的方向，使AB在光敏面上的像点位置不变。从而消除玻璃管在拉制过程中的

18、摆动对测量精度的影响。影响该系统成像特性的主要是物镜L。因此如何根据使用要求确定物镜的光学参数，从而合理地设计或选择物镜是非常重要。设被测物体(玻璃管的物方线视场为2y、线阵CCD器件像敏单元的宽度为、像敏单元数为N、物像之间共轭距为L，则成像系统的光学参数可由以下公式求出。 (1)系统放大率 (3-14)式中，为玻管在CCD像敏面上所成像的尺寸。(2) 物镜的相对孔径(或数值孔径NA) 物镜的相对孔径是由物镜的分辨率和CCD器件所需光照度的大小决定的。物镜的分辨率与CCD器件的分辨率有关。它们之间的关系为由物镜的分辨率可确定物镜的数值孔径为 (3-15)并由式 和分别求出物方孔径角U和像方孔

19、径角值。式中n和分别表示物方、像方介质折射率。 (3) 确定物镜的焦距 解联立方程组可求出物镜的焦距和成像系统的外形尺寸值。 (4) 视场角 (3-16)式中，为CCD像敏面到物镜像方焦点的距离。 (5) 孔径光阑的直径 (3-17) (6) 物镜通光口径 (3-18)本系统选用的物镜参数如下： 3.4 光对外径、壁厚的检测电路如何将玻璃管外径和壁厚的值提取出来是检测电路的主要任务。这里采用二值化提取方法，并采用边沿触发计数的接口电路。 3.4.1二值化电路 系统稳定性及测量精度的保证：1）采用精密稳流电源为照明系统提供电源；2）采用浮动阈值二值化，消除背景光不稳定带来的影响线阵CCD输出的视

20、频信号中已经含有直径信息和壁厚信息，但是必须首先将这些信息二值化，才能将这些信息以数字方式提取出来，从而得到玻璃管的外径志和 壁厚值。在考虑二值化电路设计师，为了确保测量精度和提高系统的稳定性，一方面采用精度稳流电源，以确保光源的稳定性。另一方面采用浮动阈值二值化处理方法，对CCD像面的光强进行采样，以便消除背景光的不稳定带来的影响，是系统的测量精度和稳定性得到进一步的提高。浮动阈值二值化电路的原理框图如图3-4所示。图3-4浮动阈值二值化电路的原理图图中用2个单稳态触发器产生采样脉冲，采样脉冲所采得的信号为线阵CCD在玻璃管以外视场的输出信号，该信号位于玻璃管信号到来之前，恰好反映了照明光学

21、系统的光强与背景光的强弱变化。将其采样后，经保持电路保持到行周期的结束。因此采样/保持器所采得的信号随CCD像面背景照度的变化而上下浮动，从中分得一部分电压，作为二值化的阈值电平。进行二值化处理后，便得到稳定的二值化输出信号。3.4.2 检测电路图3-5所示为玻璃管内外径的检测电路原理图。图3-6所示为检测电路的工作图。图中的计数器由行同步脉冲复位，像敏单元同步脉冲SP为计数器的输入脉冲信号，计数器任意时刻所计得的值表征了那一时刻线阵CCD输出的像敏单元位置数。脉冲的上升沿为第一个有效像素单元刚刚到来的时刻，它的下降沿是本行转移结束，因此可以用做行同步脉冲。当线阵CCD输出的视频信号被浮动阈值

22、二值化处理电力路二值化后，输出的信号3-6所中A所示，将其经反相器反相后为图3-6中所示。将记为B，再用B的下降沿去触发一个触发器，得到如图中C所示的波形。用B的上升沿去触发D端和清0端都接与的D触发端，该触发器的Q输出端的输出波形如图中所示；用的上升沿触发另一个D与清0触发段均接的D触发端，该触发器的输出波形如图中所示；用触发D与清0端均接的第三个D触发器，D触发器输出波形输出如图所示触发器波形；用C的上升沿触发D与清0端均接的第四个D触发器，该触发器输出如图所示波形。可见的上升沿分别对应于波形B的4个边沿。分别接到边沿锁存器的锁存端，的数据输入端均接在计数器的数据输出端上，则锁存器将分别锁

23、存了的值。显然，玻璃管外径的值应为 (3-19)式中为线阵CCD的像敏单元中心距；为光学系统放大倍率。由上式可推出玻璃管的壁厚 （3-20）所以玻璃管内径值为 （3-21）在处于低电平期间（在1MHz的数据率的情况下为64s)计算机将存于内存，并在检测电路获得新值的时候，计算机计算出上一行所测得的外径值与壁厚值，并分别判断出所测得值是否超差，超上差还是超下差，发出控制命令。图3-5 玻璃管内外径尺寸检测电流原理图图3-6外径、壁厚检测电路工作波形图3.5 微机数据采集接口将二值电路和信号检测电路做在接口卡上，插入PC总线插槽，将三态锁存器的数据输出端并联在数据总线上。Fc低电平时，地址总线AB

24、发读数命令，经地址译码后选中锁存器R1R4，将N1至N4值读到内存中，如图3-7所示。图3-7微机数据采集接口3.6 系统的长线传输CCD及其驱动电路距离计算机较远，需要传输的信号有：CCD视频信号；行同步信号；SP像元同步信号。由于信号的传输线很长，会带来噪声、阻抗匹配等问题。光电耦合器两次隔离法可以同时解决这两个问题。结 论利用线阵图像传感器作为测量元件，介绍了对物体尺寸测量的工作原理,依据的自扫描,适用于动态快速测量及输出数字式信号的光电特性,提出了一种对物体尺寸非接触式精密测量的方法，可通过实验验证该方法的可行性和实用，该测量方法具有高精度、高速度、操作简单、稳定可靠等优点，在实际生产检测中应具有较大的应用价值。参考文献王庆友.光电传感器应用技术M.北京：电子工业出版社.2013.2：272-280陈兴梧等.一种新型玻管外径及壁厚自动测控仪器J.天津大学学报，1996，29(3):388-394曾光宇，张志伟，张存林.光电检测技术M.长春理工大学 .2006.1王振海,王宇坤.不透明圆柱体几何尺寸的在线实时检测系统J.光电子激光J,1998,9(3):238-240李新秋,徐光,龚杰,等.CCD外径测量及控制J.橡胶工业,1999,46(4):238-240