CCD法测量细丝直径

器2014、12《光电仪器设计课程设计任务书》一、题目:细丝直径测试仪量;警功能。务对该仪器进行总体设计,具体内容如下:摘要接触式智能化仪器将逐步套基于线阵CCD的非接触直径测量mCCD序流程图及部分程序。再对实验得到测量结果,进行分析,就影响系统测量精度的几种主要误差进行了讨论,有CCD光路非接触测量 第二章测量原理与方案论证 7 10 第一章引言光电自动检测技术随着现代科学技术以及复杂自动控制系统与信息处理与技术的提高光电检测技术作为一门研究光与物质相互作用发展起来的新兴学科已成为现代信息科学的一个极为重要的组成部分。光电自动检测作为光电信息技术的主要技术之一它就是以激光、红外、光纤等现代光电子器件作为基础通过对被检测物体的光辐射经光电检测器接受光辐射并转换为电信号由输入电路、放大滤波等检测电路提取有用信息再经模数转换等接口输入计算机运算处理最后显示输出所需要的检测物理量等参数。光电检测技术将光学技术与电子技术相结合实现对各种量的测量它具有如下特点高精度光电测上可以认为就是没有测量力的因此也无摩擦可以实现动态测量就是各种测量我们研究的基于线阵CCD便携式非接触直径测量仪器正就是适应当前社会自动化生产的急需而设计的,该测径仪就是一种光、机、电一体化的产品。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法、称重法。也有采用光学方法的。但就是大多检测方法检测速度低,生产效率低,劳动强度大,跟不上目前自动化生产的需要。在全面质量管理过程D化为数字信号。现代机械制造行业中,测量细丝直径仍存在一些难以解决的问题。传统的测微仪等接触测量法会使被测细丝变形而影响测量精度,工业上常用电阻法与称重法,因测量精度低,只能测量某段细丝的平均直径,很难满足现代工业的技术要求。近年来随着大规模集成电路与激光技术的推广,CCD其具有自扫描、高灵敏、低噪声、长寿命与高可靠性等优点,广泛应用于测量仪器中。我们通过CCD技术应用进行测径。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,这个测径仪就是一种光、机、电、算于一体的产品。尤其对保证产品质量,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与社会意义。国内由于自身的工业加工水平有限、测量原理的不完善与结构搭理欠合理,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、5mm~60mm,就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,特别适合生产管、纤维线等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、软量或者线材、棒材、管材、机械与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。我们研制的基于线阵CCD6测径仪测量范围:0、5mm~30mm,测量精度:±5m。图2-1物方远心光路投影测量原理从18世纪工业革命以来,科学技术以前所未有的速度在突飞猛进的发展,特别就是近50年来,随着现代化生产与加工技术的发展,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、非接触与在线检测方向发展。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BetaAS3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、1μm,测量范围最广,单向测径仪最大可测直径达330、3mm,双4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7010M配(备测量摄影机)测量范围:0、04mm~6mm,测量精度:±0、5μm。第二章测量原理与方案论证本次设计测量原理采用物方远心光路,如图2-1。在光电检测中,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,如测量钢丝直为了提高测量精度,常采用远心光路与柯拉照明一起配合使用。对物体(工件)大小的测量,一般就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输出信号进行测量量。则细铜丝直径D=d重合常会沿光轴方向有所移动,使像平面与光图2-2中,B1B2为被测物体;B1′B2′表示被测物体像的大小;M1M2为光电器件接收面,由于B1′B2′与M1M2二者不重合,使像点B1′B2′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B1′B2′就是不同的。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2-3所示: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就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还由于衍图样的不条纹位置不明显给测带来很大困难。特别在实时动态测过程中造成测结果不稳定重复性差。而且本mm成明显的衍射条纹即衍射法在原理方案二、分光法分光法在测量实质上就是干涉法测量但也有不足、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,将会改变阴量误差,光照在细丝上会产生微弱的衍射效应,衍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、分光法也不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。点就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与分析以便进行质量分析与统计并在生产过程中出现质量问加工系统正常运行,属无损伤测量,非常计算机相联,进行测量数据的集中采集与,并在生产过程中出现质量问题时进行报警提示,第三章信号处理电路设计CCD成像测量技术就是测量方法中的一个较新的分支,其特点就是利用CCD(电荷耦合器件)对被测物体进行光学成像,然后采用图像处理技术完成非接触测量。利用CCD对光纤直径进行测量采用的就就是这种技术,本设计采用CCD平行光投影法,即通过照明光路用平行光将被测工件投影在CCD光敏元件上成像,从而CCD以脉冲的形式输出视频信号,每一个离散电压信号的大小对应着该光敏元接收光强的强弱,而信号的时序则对应CCD光敏元位置的顺序。CCD用自身电子扫描方式完成信息从空间域到时间域的变换。但就是经过CCD输出与被测直径相对应的离散电信号,但此信号幅值较低,质量也较差,必须对其进行滤波、放大、整形、二值化等处理后才能输出给微机进行计算分析。所以本次作业将重点对CCD输出的视频信号不能直接进行汁数处理及用于尺寸计算。首先由于信号以需要进行滤波放大。另外,光源发光强度不稳定,光能尽善尽美,光带边缘存在一定色散,输出信号在光照与阴过渡。为了得到与工件尺寸相关的阴影部分尺寸,需CCD化处理,将其转化成矩形波,然后用脉冲填充,计再通过微机接口与微机相连,结合控制程序进行数据采集与信息处因而整个信号处理阶段的流程框图可以用下图表示:后,CCD成像系统输出的时序视频信号应当如下图所示:CCD率为1MHz的小脉冲信号,幅值很小且叠加还有噪声存在,阴影区与与光照区分界模糊,此信号不能直接进与放大处理,由于我们需要滤掉小脉冲信号,为高频波器来实现。采用有源滤波器来对信号进行放大处理,因为有波功能外,还能够实现信号的放大与缓冲作用;有源滤波器施加以大小相同,方向相反的谐波电流,予以抵内就是可变的,适用于信号处理;而且有有自适应功能,可自动跟踪补偿变化着的谐波,具有高度可控性与快带以外的频率成分实现较快的衰减,二阶滤波器能够有自适应功能,可自动跟踪补偿变化着的谐波,具有高度可控性与快带以外的频率成分实现较快的衰减,二阶滤波器能够阶有源低通滤波器。根据题意,电路需要00mv到3-5V的增益,频率成分1MHz的滤除。所以滤波器的频率2KHz;而滤波器的品质因数不可过小,常见QA有关系:Q=1/3-A,所以增益不超过3,若要达到题器的后方级联一个放大电路,比如取Q=0、707,得,级联的方法电路放大倍数A1=6即可满足要求。0nA(s0n二阶有源低通滤波基础电路级联一个反相放大电路后的信号波形可以用下图近似表示:D投影像轮廓的亮度分布不就是突变的,而就是有一个由暗到明的过渡过渡过程所占的脉冲个数越少,也就越有利于暗明界线的正确判断。用远认为像的真正轮廓大约在最大亮度的50％处,用二值化方法法,比较法采用电压比较器,就是实现二值化处理最简单CCD大处理的视频信号送往该比较器的同相端,用一个电平值送到该比较器的反相端,对CCD视频信号进行切割。这样在比较器的输可以得到信号二值化处理的结果,即视频信号高于阈值的部分均输出高电而低于阈值部分均输出低电平,形成了具有一定宽度的二值化电平的脉冲信的光源难免会有供电电压波动、光学窗口污染、灰尘等因素的变化导致光强的CCD发生抖动,为了避免这些因素对测量带来的影响,阈值,即实时地取CCD输出方波的峰值与谷值,然后取其的1/2作为切割比较电平,也就就是切割电平随着峰谷值变化而上下浮方波的l/2处。二值化流程示意图如下:要进一步得到二值化信号所覆盖的CCD像CCD像元的尺寸为7、4X7、4um2,直接得到尺寸的话误差就是4、8um。为了得到更高的测量精度,可以使用频率更高的度进行填充计数。由于原始CCD视频读出信号OSfMHz4um,现在采用10MHz的时钟脉冲进行填充计数,0、74um,可以减小测量误差。得到测量的光纤尺寸:d=n0.74mD=f'n0.74m(n为视频信号内10MHz脉冲数)L 'LAD进行CCD输出视频信号进行放大处理之后,到20Ms/s的A/D转换芯片(比如TI公司的TLC10A),CCD的时钟频率为1MHz,这样的A/D转换芯片完全能满足处理速度需CCD位脉冲RS每到来一次,CCD将输出一个光敏单元信号,利用CPLDCCD出一个CLK信号与复位脉冲RS同步,这样就可以保证A/D转换号的输出在时间上同步。每次模数转换完成都将由CPLD产生中断,以提示处理器(比如ARM的STM或者AVR等)提取数据。测量系统原理框图如下:最小值平均值作为阈值),当高于阈值电压则高位寄存器内f'fd=m0.74mD=m0.74mL 'L,故设计此电路系统,当单片机检测到细丝工作电压:AC24V~AC240V;电源频率:50Hz~60Hz;功率:30W;本部分的设计思路就是:单片机发出控制信号后,通过三极管驱动继电器,:继电器的吸合电流/放大倍数=基极电流;I=mA、4mA;为使继电器工作稳定,实际基极电流应为计算值的2倍以若直接驱动继电器,当三极管由导通变为截止时,继电感应生成一个较大的自感电压,它与电源电压叠加后加到控制继电器集电极两极上,使发射结(e-c)有可能被击穿,为了消响,在继电器线圈的两端反向并联抑制二极管,以吸电源电压之与对二极管来说却就是正向偏压,使二极管第四章误误差及精度分析果及影响测量精度的主要因素分析:um环境光扰动会降低信噪比,影响测量精度,在使用了滤波片已滤出了大部分干扰光,再加上遮光罩可使环境光扰动忽略不计。况。况的影响直流电源波动,器件老化,其中晶体管的特性对温度在生产过程中,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D测量,然后求平均值的方法来消除这种误差,粗大误差也影响测量精度,但它就是由外界条件的突然变化引起的,当外界条件改变时引起CCD。别对直径D=1、0mm的标准件进行了三次测量,每一组量,取平均值,并进行相应的精度计算。4、4生产中的一个重要的质量指标。基于线阵CCD便携式非量仪器正就是适应当前社会自动化生产的急需而设计的。对保证产料消耗,降低生产成本,提高劳动生产率有着重