CCD法測(cè)量細(xì)絲直徑

1、西安工業(yè)大學(xué)光電工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)題目：細(xì)絲直徑測(cè)試儀專(zhuān) 業(yè)： 測(cè)控技術(shù)與儀器班 級(jí)：110108學(xué) 號(hào)：110108120學(xué) 生：鄭世超任課教師：吳玲玲2014.1219光電儀器設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)一、題目：細(xì)絲直徑測(cè)試儀該儀器是用于對(duì)細(xì)銅絲直徑的尺寸參數(shù)進(jìn)行測(cè)量的一種測(cè)試儀器。二、技術(shù)要求1 方法：非接觸式測(cè)量2 銅絲直徑：1±0.01mm3 測(cè)量精度：±1%；4 測(cè)量狀態(tài)：在線測(cè)量；5 超出銅絲直徑公差要有報(bào)警功能。三、設(shè)計(jì)任務(wù)對(duì)該儀器進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，具體內(nèi)容如下：1 設(shè)計(jì)任務(wù)分析；2 方案論證；3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)（含局部單元設(shè)計(jì)）；4 精度估算。四、設(shè)計(jì)要求1.設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)一份(

2、不少于5000字)；2.時(shí)間：2014年12月4日2014年12月18日2014年12月18日下午答辯交論文；3.參考文獻(xiàn)：自定 題目：細(xì)絲直徑測(cè)試儀基于遠(yuǎn)心光路成像系統(tǒng)的線陣CCD 直徑測(cè)量?jī)x摘 要光電檢測(cè)技術(shù)將光學(xué)技術(shù)與電子技術(shù)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)對(duì)各種量的測(cè)量它具有如下特點(diǎn)高精度光電測(cè)量的精度是各種測(cè)量技術(shù)中精度最高的一種.非接觸測(cè)量光照到被測(cè)物體上可以認(rèn)為是沒(méi)有測(cè)量力的因此也無(wú)摩擦可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量是各種測(cè)量方法中效率最高的一種。隨著新型光電器件的不斷涌現(xiàn)、單片機(jī)數(shù)據(jù)處理能力的提高和生產(chǎn)全面質(zhì)量管理的要求，非接觸式智能化儀器將逐步取代傳統(tǒng)上的機(jī)械測(cè)量?jī)x器。我們?cè)O(shè)計(jì)了一套基于線陣 CCD 的非接觸直

3、徑測(cè)量?jī)x器，該裝置可以對(duì)0.5mm 30mm的工件進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量精度為±5m。這篇文章論述了 CCD測(cè)量裝置的基本原理，而且分析了光學(xué)系統(tǒng)各部分的形式，采用柯拉照明和遠(yuǎn)心光路成像， 以保證成像質(zhì)量和測(cè)量精度。同時(shí)還給出了 CCD 測(cè)量直徑系統(tǒng)的控制程序流程圖及部分程序。再對(duì)實(shí)驗(yàn)得到測(cè)量結(jié)果，進(jìn)行幾個(gè)重要參數(shù)進(jìn)行了分析，就影響系統(tǒng)測(cè)量精度的幾種主要誤差進(jìn)行了討論，有消除誤差的方法，從而達(dá)到更高的測(cè)量精度。 關(guān)鍵字：線陣 CCD 直徑測(cè)量 遠(yuǎn)心光路 非接觸測(cè)量目錄第一章 引言5§1.1研究背景和意義6§1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀6§1.2.1國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀6

4、7;1.2.2 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀7第二章 測(cè)量原理和方案論證7§2.1測(cè)量原理7§2.2方案論證9第三章 信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)10§3.1信號(hào)處理設(shè)計(jì)10§3.2 濾波器的選用11§3.3 信號(hào)處理的方法12§3.4報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)15第四章 誤差及精度分析164.1光學(xué)系統(tǒng)對(duì)測(cè)量精度影響16§4.1.1影響測(cè)量精度的因素及對(duì)策16§4.2信號(hào)處理電路對(duì)測(cè)量精度的影響16§4.3被測(cè)工件對(duì)測(cè)量精度的影響17§4.4誤差分析17第五章 總結(jié)17參考文獻(xiàn)19第一章 引言1.1研究背景和意義 光電自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)隨著

5、現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)以及復(fù)雜自動(dòng)控制系統(tǒng)和信息處理與技術(shù)的提高光電檢測(cè)技術(shù)作為一門(mén)研究光與物質(zhì)相互作用發(fā)展起來(lái)的新興學(xué)科已成為現(xiàn)代信息科學(xué)的一個(gè)極為重要的組成部分。光電自動(dòng)檢測(cè)作為光電信息技術(shù)的主要技術(shù)之一它是以激光、紅外、光纖等現(xiàn)代光電子器件作為基礎(chǔ)通過(guò)對(duì)被檢測(cè)物體的光輻射經(jīng)光電檢測(cè)器接受光輻射并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)由輸入電路、放大濾波等檢測(cè)電路提取有用信息再經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換等接口輸入計(jì)算機(jī)運(yùn)算處理最后顯示輸出所需要的檢測(cè)物理量等參數(shù)。光電檢測(cè)技術(shù)將光學(xué)技術(shù)與電子技術(shù)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)對(duì)各種量的測(cè)量它具有如下特點(diǎn)高精度光電測(cè)量的精度是各種測(cè)量技術(shù)中精度最高的一種.非接觸測(cè)量光照到被測(cè)物體上可以認(rèn)為是沒(méi)有測(cè)量力的因此也無(wú)摩

6、擦可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量是各種測(cè)量方法中效率最高的一種。 我們研究的基于線陣 CCD 便攜式非接觸直徑測(cè)量?jī)x器正是適應(yīng)當(dāng)前社會(huì)自動(dòng)化生產(chǎn)的急需而設(shè)計(jì)的，該測(cè)徑儀是一種光、機(jī)、電一體化的產(chǎn)品。對(duì)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(dòng)生產(chǎn)率有著重大的經(jīng)濟(jì)效益 和社會(huì)意義。傳統(tǒng)的測(cè)量方法多數(shù)為接觸法，其它的有電阻法、稱(chēng)重法。也有采用光學(xué)方法的。但是大多檢測(cè)方法檢測(cè)速度低，生產(chǎn)效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，跟不上目前自動(dòng)化生產(chǎn)的 需要。在全面質(zhì)量管理過(guò)程中，更需要先進(jìn)的、智能的檢測(cè)手段。CCD能夠以電荷為信號(hào), 把光學(xué)影像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)?，F(xiàn)代機(jī)械制造行業(yè)中,測(cè)量細(xì)絲直徑仍存在一些難以解決的問(wèn)題。傳統(tǒng)的

7、測(cè)微儀等接觸測(cè)量法會(huì)使被測(cè)細(xì)絲變形而影響測(cè)量精度,工業(yè)上常用電阻法和稱(chēng)重法,因測(cè)量精度低,只能測(cè)量某段細(xì)絲的平均直徑,很難滿(mǎn)足現(xiàn)代工業(yè)的技術(shù)要求。近年來(lái)隨著大規(guī) 模集成電路和激光技術(shù)的推廣, CCD也得到了很大的發(fā)展,由于其具有自掃描、高靈敏、低噪聲、長(zhǎng)壽命和高可靠性等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于測(cè)量?jī)x器中。我們通過(guò)CCD技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行測(cè)徑。CCD 在現(xiàn)代自動(dòng)化生產(chǎn)中扮演者越來(lái)越重要的作用，為滿(mǎn)足大工業(yè)化，生產(chǎn)線陣CCD 測(cè)徑儀便應(yīng)運(yùn)而生，這個(gè)測(cè)徑儀是一種光、機(jī)、電、算于一體的產(chǎn)品。 尤其對(duì)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(dòng)生產(chǎn)率有著重大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)意義。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.

8、1國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 國(guó)內(nèi)由于自身的工業(yè)加工水平有限、測(cè)量原理的不完善和結(jié)構(gòu)搭理欠合理， 所以，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的測(cè)徑儀測(cè)量精度沒(méi)有國(guó)外的精確，河北省激光研究所光電檢測(cè) 控制室生產(chǎn)的JCJ-1 激光測(cè)徑儀，是專(zhuān)為玻璃管生產(chǎn)線上玻璃管外徑的測(cè)量、控 制、分選而設(shè)計(jì)的集激光、精密機(jī)械、計(jì)算機(jī)于一體的智能化精密儀器。通過(guò)激 光光束高速（200 次/秒）掃描被測(cè)玻璃管，計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)采樣處理，實(shí)現(xiàn)玻璃管 直徑在線非接觸檢測(cè)、控制，測(cè)量范圍：0.5mm60mm，測(cè)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(cè)徑儀，測(cè)量范圍：0.2mm 30mm，測(cè)量精度：±2m，ETD

9、-05 系列激光測(cè)徑儀是一種基于激光掃描測(cè)量原 理而設(shè)計(jì)的高精度非接觸式的外徑測(cè)量設(shè)備，儀器采用二維測(cè)量模式，有效消除 工件振動(dòng)造成的測(cè)量誤差，特別適合生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)測(cè)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(cè)，也可用 于其它各種圓形工件的外徑測(cè)量。南京億佰泰科技有限公司生產(chǎn)的 TLSM100 激光掃描測(cè)微儀，測(cè)量范圍：0.2mm30mm，測(cè)量精度：±3m，是一種高精度、 非接觸的尺寸測(cè)量?jī)x器。它通過(guò)激光束的掃描獲得被測(cè)目標(biāo)的尺寸，廣泛用于測(cè) 量熱的、軟的、易碎的以及其它傳統(tǒng)方法不易測(cè)量的物體，而且很適合生產(chǎn)中的 在線測(cè)量或者線材、棒材

10、、管材、機(jī)械和電子元件以及其它生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)控。 TLSM100 的自動(dòng)方式適用于連續(xù)的測(cè)量；手動(dòng)方式適合單次測(cè)量。它可以設(shè)置 上下偏差、峰值限制，當(dāng)超限后做相應(yīng)的報(bào)警；還可以計(jì)算最大值、最小值、平 均值。例如：可以測(cè)量旋轉(zhuǎn)圓柱體的最大值、最小值，輥?zhàn)拥钠睢Ｎ覀冄兄频?基于線陣 CCD 6 測(cè)徑儀測(cè)量范圍：0.5mm30mm，測(cè)量精度：±5m，適用于對(duì)被測(cè)工件進(jìn)行靜 態(tài)測(cè)量，也適用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)測(cè)量。1.2.2國(guó)外研究現(xiàn)狀從 18 世紀(jì)工業(yè)革命以來(lái)，科學(xué)技術(shù)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(lái)，隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)和加工技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于加工零件的檢測(cè)速度與精度有了更 高

11、的要求，向著高速度、高精度、非接觸和在線檢測(cè)方向發(fā)展。為此，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家 對(duì)于檢測(cè)儀器與設(shè)備速度與精度一直作為檢測(cè)儀器的主要指標(biāo)。CCD 測(cè)徑儀特別適用 于電纜、電線的在線自動(dòng)檢測(cè)，對(duì)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(dòng)生產(chǎn)率有著十分重要的意義，所以各國(guó)政府都很重視對(duì)測(cè)徑儀的研究。英國(guó) Beta AS3 系列全新的激光測(cè)徑儀：LD1040-S(單向直徑測(cè)量?jī)x)、LD1040XY-S(雙向直 徑測(cè)量?jī)x)，精度：0.1 m，測(cè)量范圍最廣，單向測(cè)徑儀最大可測(cè)直徑達(dá)330.3mm，雙 4 向測(cè)徑儀最大可測(cè)直徑值達(dá)100mm，測(cè)量精度最高，最高測(cè)量精度可達(dá)0.1 m，是目 前同類(lèi)產(chǎn)品

12、中的最高的測(cè)量精度。日本生產(chǎn)的 LS-7000 系列高速、高精度 CCD 測(cè)量 儀器，如：LS-7030M（配備測(cè)量攝影機(jī)）測(cè)量范圍：0.3mm30mm，測(cè)量精度：±2 m，重復(fù)性精度：±1.5 m。LS-7010M（配備測(cè)量攝影機(jī)）測(cè)量范圍：0.04mm6mm， 測(cè)量精度：±0.5 m。第二章 測(cè)量原理和方案論證2.1測(cè)量原理本次設(shè)計(jì)測(cè)量原理采用物方遠(yuǎn)心光路，如圖2-1。在光電檢測(cè)中，常常在生產(chǎn)線上對(duì)工件進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量或在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行靜態(tài)測(cè)量，如測(cè)量鋼絲直徑、玻璃管直徑或軸類(lèi)零件等，為了提高測(cè)量精度，常采用遠(yuǎn)心光路和柯拉圖2-1 物方遠(yuǎn)心光路投影測(cè)量原理照明一起配

13、合使用。對(duì)物體 (工件) 大小的測(cè)量，一般是將物體按一定倍率要求，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像在 CCD 的接收面上，然后對(duì) CCD 輸出信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。則細(xì)銅絲直徑 D=f´L´d式中：D為所測(cè)細(xì)銅絲直徑，d為CCD面上陰影尺寸，f´為物鏡6的焦距，L´為光電接收器8與物鏡6間的距離按照此種方法進(jìn)行物體線性尺寸測(cè)量時(shí)，光電器件與物鏡之間的距離應(yīng)保持 不變，其測(cè)量精度在很大程度上取決于像平面與光電器件接收面的重合程度。由 于在測(cè)量過(guò)程中，工件常常會(huì)沿光軸方向有所移動(dòng)，使像平面與光電接收面不可 能真正重合，因而產(chǎn)生了測(cè)量誤差如圖 2-2 所示。圖2-2 成像原理圖 2-2

14、 中， B1B2 為被測(cè)物體； B1B2表示被測(cè)物體像的大??；M1M2 為光電器件接收面，由于 B1B2與 M1M2 二者不重合，使像點(diǎn) B1B2在 M1M2 上形成彌散班，在 CCD 器件接收面上，實(shí)際測(cè)量像的大小為 M1M2，顯然它與實(shí)際的像長(zhǎng) B1B2是不同的。這 就使測(cè)量產(chǎn)生了很大的測(cè)量誤差。為了消除這種誤差，可以通過(guò)控制主光線的方向來(lái)達(dá)到，我們?cè)谠O(shè)計(jì)成像物鏡時(shí)選擇了遠(yuǎn)心光路，如圖 2-3 所示：圖2-3 物方遠(yuǎn)心光路2.2方案論證方案一、光學(xué)衍射法光學(xué)衍射法測(cè)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(cè)量精度提高時(shí)。其中的關(guān)鍵困難在于當(dāng)光經(jīng)衍射后產(chǎn)生的衍射圖樣微

15、弱信號(hào)的信噪比比較還由于衍圖樣的不條紋位置不明顯給測(cè)帶來(lái)很大困難。特別在實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)過(guò)程中造成測(cè)結(jié)果不穩(wěn)定重復(fù)性差。而且本次的細(xì)絲直徑為1mm在這個(gè)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。方案二、分光法 分光法在測(cè)量實(shí)質(zhì)上是干涉法測(cè)量但也有不足、如果細(xì)絲有垂直于測(cè)量光方向的晃動(dòng) ,且晃動(dòng)的幅度使投射陰影超出檢測(cè)窗口之外 ,將會(huì)改變陰影面積進(jìn)而產(chǎn)生較大的測(cè)量誤差，光照在細(xì)絲上會(huì)產(chǎn)生微弱的衍射效應(yīng) ,衍射會(huì)導(dǎo)致線性度變差、環(huán)境光擾動(dòng)會(huì)降低信噪比 ,影響測(cè)精度、光電三極管對(duì)溫度有一定的敏感性 ,會(huì)隨溫度的變化而產(chǎn)生靈敏度的變化、分光法也不適合于與計(jì)算機(jī)的連接以及后續(xù)圖像采集與處理保存。以

16、上不足使得反光法對(duì)現(xiàn)代化自動(dòng)化生產(chǎn)有一定的局限但分光法在原理上不存在任何問(wèn)題。方案三、線陣CCD法CCD細(xì)絲直徑測(cè)量系統(tǒng)具有測(cè)量速度快測(cè)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(cè)量系統(tǒng)屬無(wú)損傷測(cè)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(cè)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(cè)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(guò)程中出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題時(shí)進(jìn)行報(bào)警提示便于控制和自動(dòng)化生產(chǎn)。采用線陣CCD細(xì)絲直徑測(cè)量系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)： 1、測(cè)量精度高，測(cè)量速度快，抗干擾能力強(qiáng)等。 2、時(shí)非接觸式的測(cè)量系統(tǒng)，不影響加工系統(tǒng)正常運(yùn)行，屬無(wú)損傷測(cè)量，非常適合于生產(chǎn)線上尺寸的測(cè)量。 3、設(shè)計(jì)

17、方案集成化程度高，可與計(jì)算機(jī)相聯(lián)，進(jìn)行測(cè)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(guò)程中出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題時(shí)進(jìn)行報(bào)警提示，便于控制和自動(dòng)化生產(chǎn)。第三章 信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)CCD成像測(cè)量技術(shù)是測(cè)量方法中的一個(gè)較新的分支, 其特點(diǎn)是利用CCD (電荷耦合器件) 對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行光學(xué)成像, 然后采用圖像處理技術(shù)完成非接觸測(cè)量。利用CCD對(duì)光纖直徑進(jìn)行測(cè)量采用的就是這種技術(shù)，本設(shè)計(jì)采用CCD平行光投影法，即通過(guò)照明光路用平行光將被測(cè)工件投影在CCD光敏元件上成像，從而通過(guò)像的尺寸獲得細(xì)銅絲的尺寸。CCD以脈沖的形式輸出視頻信號(hào)，每一個(gè)離散電壓信號(hào)的大小對(duì)應(yīng)著該光敏元接收光強(qiáng)的強(qiáng)弱，而信號(hào)的時(shí)序則對(duì)

18、應(yīng)CCD光敏元位置的順序。CCD用自身電子掃描方式完成信息從空間域到時(shí)間域的變換。但是經(jīng)過(guò)CCD輸出與被測(cè)直徑相對(duì)應(yīng)的離散電信號(hào)，但此信號(hào)幅值較低，質(zhì)量也較差，必須對(duì)其進(jìn)行濾波、放大、整形、二值化等處理后才能輸出給微機(jī)進(jìn)行計(jì)算分析。所以本次作業(yè)將重點(diǎn)對(duì)CCD輸出信號(hào)的后續(xù)工作如濾波電路、二值化電路和微機(jī)接口等模塊進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。3.1、信號(hào)處理部分設(shè)計(jì)CCD輸出的視頻信號(hào)不能直接進(jìn)行汁數(shù)處理及用于尺寸計(jì)算。首先由于信號(hào)微弱，且存在高頻干擾，所以需要進(jìn)行濾波放大。另外，光源發(fā)光強(qiáng)度不穩(wěn)定，光路系統(tǒng)的調(diào)節(jié)也不可能盡善盡美，光帶邊緣存在一定色散，輸出信號(hào)在光照和陰影邊界處存在著由明到暗的過(guò)渡。為了得到

19、與工件尺寸相關(guān)的陰影部分尺寸，需要對(duì)CCD輸出視頻信號(hào)進(jìn)行二值化處理，將其轉(zhuǎn)化成矩形波，然后用脈沖填充，計(jì)數(shù)器汁數(shù)，再通過(guò)微機(jī)接口與微機(jī)相連，結(jié)合控制程序進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和信息處理。因而整個(gè)信號(hào)處理階段的流程框圖可以用下圖表示：經(jīng)過(guò)測(cè)量系統(tǒng)后，CCD成像系統(tǒng)輸出的時(shí)序視頻信號(hào)應(yīng)當(dāng)如下圖所示：可以知道CCD輸出信號(hào)是時(shí)鐘頻率為1MHz的小脈沖信號(hào)，幅值很小且疊加在一直流電平上，還有噪聲存在，陰影區(qū)和和光照區(qū)分界模糊，此信號(hào)不能直接進(jìn)行計(jì)數(shù)。首先應(yīng)通過(guò)電容隔直，變成只有交流的信號(hào)。3.2 、濾波器選用接下來(lái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波和放大處理，由于我們需要濾掉小脈沖信號(hào)，為高頻成分，所以選用一低通濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)。而

20、該信號(hào)幅值非常小，所以采用有源濾波器來(lái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大處理，因?yàn)橛性礊V波器除了具有濾波功能外，還能夠?qū)崿F(xiàn)信號(hào)的放大和緩沖作用；有源濾波器里面有采樣系統(tǒng)，根據(jù)采樣結(jié)果，施加以大小相同，方向相反的諧波電流，予以抵消，所以，其濾波能力和效果在一定范圍內(nèi)是可變的，適用于信號(hào)處理；而且有源濾波器具有自適應(yīng)功能，可自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償變化著的諧波，具有高度可控性和快速響應(yīng)的特點(diǎn)。濾波過(guò)程中，需要對(duì)通帶以外的頻率成分實(shí)現(xiàn)較快的衰減，二階濾波器能夠?qū)崿F(xiàn)40db/十倍頻的衰減速度，響應(yīng)較快。綜合上述描述，濾波器可以選用二階有源低通濾波器。根據(jù)題意，電路需要實(shí)現(xiàn)的功能有：電壓從500mv到3-5V的增益，頻率成分1MHz的

21、濾除。所以濾波器的主要設(shè)計(jì)參數(shù)可以設(shè)定如下：截止頻率2KHz；而濾波器的品質(zhì)因數(shù)不可過(guò)小，常見(jiàn)的壓控型有源濾波器的Q與增益A有關(guān)系：Q=1/3-A，所以增益不超過(guò)3，若要達(dá)到題目要求的10倍增益，可以在濾波器的后方級(jí)聯(lián)一個(gè)放大電路，比如取Q=0.707，得到濾波器的放大增益為1.5，級(jí)聯(lián)的方法電路放大倍數(shù)A1=6即可滿(mǎn)足要求。二階低通濾波器傳遞函數(shù)：其中：A0為濾波器增益，為特征頻率，Q為品質(zhì)因數(shù)。二階有源低通濾波基礎(chǔ)電路級(jí)聯(lián)一個(gè)反相放大電路3.3、信號(hào)處理方法經(jīng)過(guò)濾波放大后的信號(hào)波形可以用下圖近似表示： 3.3.1、二值化處理（不采用A/D轉(zhuǎn)換）由于需要測(cè)量測(cè)量光纖直徑，就需要知道CCD成像

22、的陰影輪廓位置，而實(shí)際七在成像面的投影像輪廓的亮度分布不是突變的，而是有一個(gè)由暗到明的過(guò)渡過(guò)程。過(guò)渡過(guò)程所占的脈沖個(gè)數(shù)越少，也就越有利于暗明界線的正確判斷。用遠(yuǎn)心光路照明時(shí)，可以認(rèn)為像的真正輪廓大約在最大亮度的50處，用二值化方法來(lái)判斷影像的實(shí)際位置和尺寸。這里可以采用比較法，比較法采用電壓比較器，是實(shí)現(xiàn)二值化處理最簡(jiǎn)單的方法。將CCD經(jīng)濾波放大處理的視頻信號(hào)送往該比較器的同相端，用一個(gè)電平作為閾值送到該比較器的反相端，對(duì)CCD視頻信號(hào)進(jìn)行切割。這樣在比較器的輸出端就可以得到信號(hào)二值化處理的結(jié)果，即視頻信號(hào)高于閾值的部分均輸出高電平，而低于閾值部分均輸出低電平，形成了具有一定寬度的二值化電平的

23、脈沖信號(hào)，將時(shí)域上的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為空間域就可得到所要測(cè)量的光纖直徑。比較法最重要的參數(shù)是設(shè)計(jì)比較器的閾值。由于在測(cè)量過(guò)程當(dāng)中，所使用的光源難免會(huì)有供電電壓波動(dòng)、光學(xué)窗口污染、灰塵等因素的變化導(dǎo)致光強(qiáng)的變化，使得CCD輸出的視頻信號(hào)發(fā)生抖動(dòng)，為了避免這些因素對(duì)測(cè)量帶來(lái)的影響，可以采用浮動(dòng)電平來(lái)確定閾值，即實(shí)時(shí)地取CCD輸出方波的峰值和谷值，然后取其峰、谷值的1/2作為切割比較電平，也就是切割電平隨著峰谷值變化而上下浮動(dòng)以保證取的是方波的l/2處。二值化流程示意圖如下：經(jīng)過(guò)上述二值化處理之后，我們需要進(jìn)一步得到二值化信號(hào)所覆蓋的CCD像元數(shù)目。由于每個(gè)CCD像元的尺寸為7.4X7.4um2，直接得

24、到尺寸的話誤差是兩個(gè)光敏單元的間距14.8um。為了得到更高的測(cè)量精度，可以使用頻率更高的時(shí)鐘脈沖對(duì)二值化的信號(hào)寬度進(jìn)行填充計(jì)數(shù)。由于原始CCD視頻讀出信號(hào)OS的頻率為：f=1MHz，每一個(gè)脈沖代表7.4um，現(xiàn)在采用10MHz的時(shí)鐘脈沖進(jìn)行填充計(jì)數(shù)，那么每個(gè)脈沖代表的尺寸為0.74um，可以減小測(cè)量誤差。得到測(cè)量的光纖尺寸： （n為視頻信號(hào)內(nèi)10MHz脈沖數(shù)）3.3.2使用A/D轉(zhuǎn)換測(cè)量使用A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)行測(cè)量，是指在進(jìn)行CCD輸出視頻信號(hào)進(jìn)行放大處理之后，將模擬信號(hào)通過(guò)告訴A/D裝置進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。測(cè)量時(shí)采用最大轉(zhuǎn)換速率能達(dá)到20Ms/s的A/D轉(zhuǎn)換芯片（比如TI公司的TLC5510A），CC

25、D的時(shí)鐘頻率為1MHz，這樣的A/D轉(zhuǎn)換芯片完全能滿(mǎn)足處理速度需求。由于CCD的復(fù)位脈沖RS每到來(lái)一次，CCD將輸出一個(gè)光敏單元信號(hào)，利用CPLD在驅(qū)動(dòng)CCD的同時(shí)引出一個(gè)CLK信號(hào)與復(fù)位脈沖RS同步，這樣就可以保證A/D轉(zhuǎn)換和光敏單元信號(hào)的輸出在時(shí)間上同步。每次模數(shù)轉(zhuǎn)換完成都將由CPLD產(chǎn)生中斷信號(hào)，以提示處理器（比如ARM的STM或者AVR等）提取數(shù)據(jù)。測(cè)量系統(tǒng)原理框圖如下：當(dāng)全部像敏單元信號(hào)轉(zhuǎn)化結(jié)束之后，A/D器件停止工作，處理器得到一個(gè)中斷信號(hào)，獲得A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)總線輸入到緩存器（比如SARM，三星公司的K1S2816BCM芯片，8MX16bit）中緩存。數(shù)據(jù)處理時(shí)，處理

26、器從SARM中讀取數(shù)據(jù)。首先濾掉波形中的毛刺，剔除實(shí)際應(yīng)用中不可能出現(xiàn)的數(shù)值。然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，由于采用8位A/D轉(zhuǎn)換芯片時(shí)，每個(gè)像敏單元的模擬信號(hào)都被表示為一個(gè)0-225之間的十進(jìn)制數(shù)值，然后將每個(gè)數(shù)值與設(shè)定好的閾值進(jìn)行比較（比如采用剔除毛刺后的最大最小值平均值作為閾值），當(dāng)高于閾值電壓則高位寄存器內(nèi)的值加1，反之低位寄存器內(nèi)的值加1。將所有得到的數(shù)值比較完畢之后，得到低位寄存器的數(shù)值，即得到CCD被光纖遮擋而未能感光的像敏單元數(shù)m，將m乘以CCD像敏單元尺寸7.4um，再乘以光路的放大倍數(shù)即得到光纖尺寸。3.4報(bào)警電路設(shè)計(jì) 為了對(duì)細(xì)絲直徑進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，故設(shè)計(jì)此電路系統(tǒng)，當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到細(xì)絲

27、的直徑的直徑設(shè)定值的上下限時(shí)，要進(jìn)行聲光報(bào)警提示。 1. 聲光報(bào)警器件的選擇 因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)噪聲、光線都比較雜亂，所以聲光報(bào)警器件發(fā)出的聲、光強(qiáng)度都要比較大。本設(shè)計(jì)選用BC-809聲光報(bào)警器。 BC-809聲光報(bào)警器介紹： BC-809聲光報(bào)警器是一種閃光燈和喇叭同時(shí)示警的設(shè)備。閃光燈采用脈沖氙氣燈管制成，聲音使用壓電揚(yáng)聲器產(chǎn)生，具有高亮度閃光、響亮音頻報(bào)警功能。 主要技術(shù)參數(shù)： 工作電壓：AC24VAC240V；電源頻率：50Hz60Hz；功率：30W； 本部分的設(shè)計(jì)思路是：?jiǎn)纹瑱C(jī)發(fā)出控制信號(hào)后，通過(guò)三極管驅(qū)動(dòng)繼電器，通過(guò)繼電器的二次觸點(diǎn)與聲光報(bào)警器相連，驅(qū)動(dòng)聲光報(bào)警器進(jìn)

28、行聲光報(bào)警。2.聲光報(bào)警電路 三極管基極輸入電流：繼電器的吸合電流/放大倍數(shù)=基極電流； I = 40mA/100 = 0.4 m A；為使繼電器工作穩(wěn)定，實(shí)際基極電流應(yīng)為計(jì)算值的2倍以上。 基極電阻計(jì)算：（5V-0.7V）/基極電流 = 電阻值； R = 4.3V/0.8mA = 5.375K； 這里本設(shè)計(jì)基極電阻取值5 K。聲光報(bào)警電路在實(shí)際應(yīng)用中，三極管若直接驅(qū)動(dòng)繼電器，當(dāng)三極管由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r(shí)，繼電器的繞組會(huì)感應(yīng)生成一個(gè)較大的自感電壓，它與電源電壓疊加后加到控制繼電器線圈的三極管的發(fā)射極和集電極兩極上，使發(fā)射結(jié)（e-c）有可能被擊 穿，為了消除這個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的有害影響，在繼電器線圈的兩

29、端反向并聯(lián)抑制二極管，以吸收該電動(dòng)勢(shì)。自感電壓與電源電壓之和對(duì)二極管來(lái)說(shuō)卻是正向偏壓，使二極管導(dǎo)通形成環(huán)流，感應(yīng)的高低壓就會(huì)通過(guò)回路釋放掉，保證了三極管的安全。第四章誤 誤差及精度分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果及影響測(cè)量精度的主要因素分析：4.1光學(xué)系統(tǒng)對(duì)測(cè)量精度的影響分析4.4.1影響測(cè)量精度的因素及對(duì)策1、衍射光線在細(xì)絲上會(huì)產(chǎn)生衍射效應(yīng)，衍射會(huì)導(dǎo)致線性度變差。實(shí)驗(yàn)證明：在20um以上，線性度是比較好的；在20um以下線性度較差，但Vi與d的正相關(guān)關(guān)系沒(méi)有改變，此時(shí)應(yīng)采用值運(yùn)算以合法來(lái)提高精度。2、環(huán)境光擾動(dòng)環(huán)境光擾動(dòng)會(huì)降低信噪比，影響測(cè)量精度，在使用了濾波片已濾出了大部分干擾光，再加上遮光罩可使環(huán)境光擾動(dòng)忽

30、略不計(jì)。4.2信號(hào)處理電路對(duì)測(cè)量精度的影響分析由于外界環(huán)境及電路自身元器件的不穩(wěn)定性，會(huì)使得測(cè)量結(jié)果偏離理想狀況。零點(diǎn)漂移對(duì)測(cè)量精度的影響1、什么事零點(diǎn)漂移現(xiàn)象：輸入為零 輸出不為零的情況。2、產(chǎn)生原因：溫度變化，直流電源波動(dòng)，器件老化，其中晶體管的特性對(duì)溫度敏感是主要原因，故也稱(chēng)零漂為溫漂。3、客服溫漂的方法：引入直流負(fù)反饋，溫度補(bǔ)償，典型電路：查分放大電路。4.3被測(cè)工件的均勻性對(duì)測(cè)量精度的影響在生產(chǎn)過(guò)程中，軸類(lèi)零件，電纜或電線的外徑有時(shí)不很均勻。被測(cè)工件經(jīng)過(guò)光照在CCD成像，線徑不等時(shí)則被照部分CCD輸出脈沖數(shù)與均勻被測(cè)工件被照部分的CCD輸出脈沖不等，反應(yīng)到測(cè)量結(jié)果上就會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差，

31、在設(shè)計(jì)中，我們采用對(duì)被測(cè)工件的多次測(cè)量，然后求平均值的方法來(lái)消除這種誤差，粗大誤差也影響測(cè)量精度，但它是由外界條件的突然變化引起的，當(dāng)外界條件改變時(shí)引起CCD輸出信號(hào)的不穩(wěn)定，只要保證外界條件持續(xù)穩(wěn)定，則粗大誤差就很少發(fā)生。4.4誤差分析在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，我們分別對(duì)直徑D=1.0mm的標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行了三次測(cè)量，每一組采取多次重復(fù)測(cè)量，取平均值，并進(jìn)行相應(yīng)的精度計(jì)算。4.4.1標(biāo)定誤差圖像處理在使用前都會(huì)與有一個(gè)相對(duì)的測(cè)量單位對(duì)所測(cè)量的對(duì)象進(jìn)行標(biāo)定（在此處對(duì)CCD象元尺寸進(jìn)行標(biāo)定）。在細(xì)絲直徑檢測(cè)算法中，采用的是屏幕后續(xù)檢測(cè)單位標(biāo)定法。標(biāo)定中難免會(huì)有誤差引入，但該誤差屬于系統(tǒng)誤差。4.4當(dāng)計(jì)算機(jī)在對(duì)細(xì)絲影像進(jìn)行示值會(huì)對(duì)象元的占空比按1：2的比例取值。即象元的三分之二占滿(mǎn)記一個(gè)單位長(zhǎng)度，反之則不計(jì)數(shù)。該誤差為隨機(jī)誤差。第五章 總結(jié)這次設(shè)計(jì)的機(jī)械部分是是基于線陣CCD的細(xì)絲測(cè)徑在線測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，檢測(cè)帶鋼厚度是細(xì)絲生產(chǎn)中的一個(gè)重要的質(zhì)量指標(biāo)?；诰€陣 CCD 便攜式非接觸直徑測(cè)量?jī)x器正是適應(yīng)當(dāng)前社會(huì)自動(dòng)化生產(chǎn)的急需而設(shè)計(jì)的。對(duì)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(dòng)生產(chǎn)率有著重大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)意義。為保證細(xì)絲生產(chǎn)的質(zhì)量控制，需要在細(xì)絲生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)細(xì)絲進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，以利于提高產(chǎn)品的