玻璃管內(nèi)外徑測量儀要點(diǎn)

1、課程設(shè)計(jì)（論文）題目：玻璃管內(nèi)、外徑尺寸測試儀系別：光電信息系專業(yè)：光電信息工程班級(jí)：.學(xué)生：學(xué)號(hào)：.任課教師：.2015年11月1緒論31.1綜述31.2 CCD的發(fā)展史31.3 CCD的功能特性 31.4 CCD的主要應(yīng)用41.5 CCD的基本工作原理41.6本文主要研究工作52利用線陣CCD進(jìn)行玻璃管外徑尺寸測量的測量方法 63光學(xué)系統(tǒng)的選型說明73.1 CCD的選擇具有采樣保持輸出電路的線陣 TCD1500C73.2光源及成像物鏡選擇 84 CCD用于玻璃管尺寸測量的原理 105測量儀的設(shè)計(jì)原理126總結(jié)和體會(huì) 13參考文獻(xiàn)14161緒論1.1綜述CCD廣泛應(yīng)用在數(shù)碼攝影、天文學(xué)，尤其

2、是光學(xué)遙測技術(shù)、光學(xué)與頻譜望 遠(yuǎn)鏡和高速攝影技術(shù)，如Lucky imaging。CCD在攝像機(jī)、數(shù)碼相機(jī)和掃描儀中 應(yīng)用廣泛，只不過攝像機(jī)中使用的是點(diǎn)陣 CCD，即包括x、y兩個(gè)方向用于攝取 平面圖像，而掃描儀中使用的是線性CCD，它只有x 一個(gè)方向，y方向掃描由掃 描儀的機(jī)械裝置來完成。1.2 CCD的發(fā)展史CCD是于1969年由美國貝爾實(shí)驗(yàn)室 (Bell Labs)的維拉波義耳(Willard S. Boyle)和喬治史密斯(GeorgeE. Smith)所發(fā)明的。當(dāng)時(shí)貝爾實(shí)驗(yàn)室正在發(fā)展 影像電話和半導(dǎo)體氣泡式內(nèi)存。將這兩種新技術(shù)結(jié)合起來后，波義耳和史密斯得 出一種裝置，他們命名為“電荷氣

3、泡元件”( Charge "Bubble" Devices)。 這種裝置的特性就是它能沿著一片半導(dǎo)體的表面?zhèn)鬟f電荷，便嘗試用來做為記憶 裝置，當(dāng)時(shí)只能從暫存器用“注入”電荷的方式輸入記憶。但隨即發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng) 能使此種元件表面產(chǎn)生電荷，而組成數(shù)位影像。到了 70年代，貝爾實(shí)驗(yàn)室的研究員已經(jīng)能用簡單的線性裝置捕捉影像，CCD就此誕生。有幾家公司接續(xù)此一發(fā)明，著手進(jìn)行進(jìn)一步的研究，包括快捷半導(dǎo)體(Fairchild Semiconductor)、美國無線電公司(RCA)和德州儀器(Texas Instruments)。其中快捷半導(dǎo)體的產(chǎn)品領(lǐng)先上市，于1974年發(fā)表500單元的線性

4、裝置和100x100像素的平面裝置。1.3 CCD的功能特性CCD圖像傳感器可直接將光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電流信號(hào)，電流信號(hào)經(jīng)過放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)圖像的獲取、存儲(chǔ)、傳輸、處理和復(fù)現(xiàn)。其顯著特點(diǎn)是：1.體積小重量輕；2.功耗小，工作電壓低，抗沖擊與震動(dòng)，性能穩(wěn)定，壽命長；3.靈敏度高，噪聲低，動(dòng)態(tài)范圍大；4.響應(yīng)速度快，有自掃描功能，圖像畸變小， 無殘像；5.應(yīng)用超大規(guī)模集成電路工藝技術(shù)生產(chǎn)，像素集成度高，尺寸精確，商 品化生產(chǎn)成本低。因此，許多采用光學(xué)方法測量外徑的儀器，把CCD器件作為光電接收器。CCD從功能上可分為線陣CCD和面陣CCD兩大類。線陣CCD通常將CCD 內(nèi)部電極分成數(shù)組，每組稱

5、為一相，并施加同樣的時(shí)鐘脈沖。所需相數(shù)由CCD芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定，結(jié)構(gòu)相異的 CCD可滿足不同場合的使用要求。線陣 CCD 有單溝道和雙溝道之分，其光敏區(qū)是 MOS電容或光明二極管結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)工藝相 對較簡單。它由光敏區(qū)陣列與移位寄存器掃描電路組成， 特點(diǎn)是處理信息速度快， 外圍電路簡單，易實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，但獲取信息量小，不能處理復(fù)雜的圖像（線陣 CCD如右圖所示）。面陣CCD的結(jié)構(gòu)要復(fù)雜得多，它由很多光敏區(qū)排列成一個(gè) 方陣，并以一定的形式連接成一個(gè)器件，獲取信息量大，能處理復(fù)雜的圖像。1.4 CCD的主要應(yīng)用四十年來，CCD器件及其應(yīng)用技術(shù)的研究取得了驚人的進(jìn)展，特別是在圖 像傳感和非接觸測量領(lǐng)域

6、的發(fā)展更為迅速。隨著CCD技術(shù)和理論的不斷發(fā)展，CCD技術(shù)應(yīng)用的廣度與深度必將越來越大。CCD是使用一種高感光度的半導(dǎo)體 材料集成，它能夠根據(jù)照射在其面上的光線產(chǎn)生相應(yīng)的電荷信號(hào)，在通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換成“0”或“1”的數(shù)字信號(hào)，這種數(shù)字信號(hào)經(jīng)過壓縮和程序排列后， 可由閃速存儲(chǔ)器或硬盤卡保存即收光信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能識(shí)別的電子圖像信號(hào)， 可對被測物體進(jìn)行準(zhǔn)確的測量、分析。一般的CCD大多能感應(yīng)紅外線，所以衍生出紅外線影像、夜視裝置、零照 度（或趨近零照度）攝影機(jī)/照相機(jī)等。為了減低紅外線干擾，天文用 CCD常以 液態(tài)氮或半導(dǎo)體冷卻，因室溫下的物體會(huì)有紅外線的黑體輻射效應(yīng)。CCD對紅外線的敏感度

7、造成另一種效應(yīng)，各種配備 CCD的數(shù)碼相機(jī)或錄影機(jī)若沒加裝紅 外線濾鏡，很容易拍到遙控器發(fā)出的紅外線。降低溫度可減少電容陣列上的暗電 流，增進(jìn)CCD在低照度的敏感度，甚至對紫外線和可見光的敏感度也隨之提升（信噪比提高）。1.5 CCD的基本工作原理電荷耦合攝像器件（CCD Charged Coupled Device）的突出特點(diǎn)是以電荷 為信號(hào)的載體，而不同于其他大多數(shù)器件是以電流或者電壓為信號(hào)的載體。CCD的基本功能是電荷的儲(chǔ)存和電荷的轉(zhuǎn)移。因此，CCD的基本工作過程主要是信號(hào)電荷的產(chǎn)生、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)移和檢測。線陣CCD由光敏陣列與移位寄存器組成，光敏陣列呈線性排列，在光的作 用下產(chǎn)生光生電荷存

8、儲(chǔ)于光敏 MOS電容勢阱中。按一定的方式將一維線陣 CCD 的光敏單元及移位寄存器排列成二維陣列，即可構(gòu)成二維面陣 CCD，二者都需 要用光學(xué)成像系統(tǒng)將景物成像在 CCD的像敏面上。像敏面將照在每一像敏單元 上的圖像照度信號(hào)轉(zhuǎn)變成少數(shù)載流子密度信號(hào)存儲(chǔ)于像敏單元中。 然后，再轉(zhuǎn)移 到CCD的移位寄存器中，在驅(qū)動(dòng)脈沖的作用下順序地移出器件， 成為視頻信號(hào)。對于線陣器件，它可以直接接受一維光信息，而不能直接將二維圖像轉(zhuǎn)變?yōu)?視頻信號(hào)輸出。為了得到整個(gè)二維圖像的視頻信號(hào)，就必須用掃描的方法實(shí)現(xiàn)。在此次的項(xiàng)目中只需測量玻璃管的一維尺寸，只要使用線陣 CCD將玻璃管 的一維尺寸信息成像到CCD上即可，所

9、以在項(xiàng)目中使用了線陣CCD TCD1500C。 由于TCD1500C是雙溝道的線陣CCD，下面內(nèi)容為介紹雙溝道線陣 CCD的原 理。雙溝道線陣CCD攝像器件。它具有兩列 CCD模擬移位寄存器A與B，分 別在像敏陣列的兩邊。當(dāng)轉(zhuǎn)移柵 A與B為高電位時(shí)，光敏陣列勢阱里積存的信 號(hào)電荷包將同時(shí)按箭頭制定的方向分別轉(zhuǎn)移到對應(yīng)的模擬以為寄存器內(nèi)，然后在驅(qū)動(dòng)脈沖的作用下分別向右轉(zhuǎn)移，最后經(jīng)輸出放大器一視頻信號(hào)方式輸出。顯然， 同樣像敏單元的雙溝道線陣 CCD要比單溝道線陣CCD的轉(zhuǎn)移次數(shù)少一半，轉(zhuǎn) 移時(shí)間縮短一半，它的總轉(zhuǎn)移效率大大提高。因此，在要求提高CCD的工作速度和提高轉(zhuǎn)移效率的情況下，常采用雙溝道

10、的方式。對于一般器件的情況來說高 于256位的線陣CCD大多為雙溝道的期間。然而，雙溝道器件的奇、偶信號(hào)電 荷分別從通過A、B兩個(gè)模擬移位寄存器和兩個(gè)輸出放大器輸出。由于兩個(gè)模擬移位寄存器和兩個(gè)輸出放大器的參數(shù)不可能完全一致，就必然會(huì)造成奇、偶輸出 信號(hào)的不均勻性。所以，又是為了確保像敏單元的一致關(guān)系特性好，在較多像敏 單元的情況下也采用單溝道的結(jié)構(gòu)。16本文主要內(nèi)容此次課程設(shè)計(jì)依托光電子成像為基礎(chǔ)，應(yīng)用線陣CCD圖像傳感器實(shí)現(xiàn)對待 測物體尺寸的測量，并構(gòu)建了一個(gè)圖形輪廓繪測系統(tǒng)。從而分析研究利用線陣 CCD進(jìn)行玻璃管外徑尺寸測量的測量方法，對線陣 CCD做出正確的選擇，對光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)

11、玻璃管外徑尺寸檢測電路的硬 件設(shè)計(jì)。以期進(jìn)一步加深了我們對于光電子技術(shù)在科技領(lǐng)域應(yīng)用的理解，為將來的實(shí)際工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。2利用線陣CCD進(jìn)行玻璃管外徑尺寸測量的測量方法將置于準(zhǔn)直平行光路中的透明玻璃管經(jīng)過遠(yuǎn)心成像系統(tǒng)后， 在像面(CCD光 敏面)形成一個(gè)反映玻璃管外徑幾何尺寸的影像，CCD視頻信號(hào)經(jīng)微機(jī)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理后，可獲得玻璃管外徑。設(shè)玻璃管外徑為R，內(nèi)徑為r，則一束平行光按透過玻璃管后的特性分為三 部分。如圖1所示，h為入射光線與光軸的距離，n為玻璃折射率。a. h >部分。直接透射。b. r < hw時(shí)，光纖在玻璃管內(nèi)壁發(fā)生全反射、透射。經(jīng)數(shù)學(xué)推導(dǎo)可得出射光線與水平

12、夾角111B =180Osin(h/R)+sin-1h/(nR)-sin h/(nr)c. 0 w五r,光線在玻璃管內(nèi)壁發(fā)生折射、透射。經(jīng)數(shù)學(xué)推導(dǎo)可得出射光線與水平夾角1 1 11B =2siri (h/r) +sin-1h/(nR)-sin(h/R)-sin-1h/(nr)實(shí)際證明，CCD成像法用于測量玻璃管內(nèi)外徑是可行的，配上微機(jī)后，能 夠?qū)崿F(xiàn)快速自動(dòng)測量。3光學(xué)系統(tǒng)的選型說明3.1 CCD的選擇具有采樣保持輸出電路的線陣 TCD1500C本項(xiàng)目采用的是TCD1500C,這是從TCD1500C的基本結(jié)構(gòu)、工作原理及測 量要求等方面考慮的。TCD1500C是一種典型的具有采樣保持輸出電路 5

13、340像 素單元線陣CCD，它的像元尺寸為7um長、7nm高，中心距離為7nm，像敏單 元總長度為37.38mm。該器件被用作非接觸尺寸測量系統(tǒng)中的光電傳感器。TCD1500C是一種高靈敏度、低暗電流、5340像元的線陣CCD圖像傳感器。 該傳感器可用于傳真、圖像掃描和 OCR。該器件的內(nèi)部信號(hào)預(yù)處理電路包含采 用保持和輸出預(yù)防大電路，它包含一系列5340像元的光敏二極管。圖2是1500C 的管腳圖。其特性如下：a像敏單元數(shù)目：5340像元b. 箱門單元大小：7um*7um，中心距離7umc. 光敏區(qū)域：采用高靈敏度、低暗電流的 PN結(jié)作為光敏單元d. 時(shí)鐘：二相（5V）e極限工作值：見表2-

14、1f.管腳定義：見表2-1S3. TCCHSOOCeMSftfB持性描述符 巧1：作范國單位時(shí)鐘時(shí)鐘脈沖電兒Sli轉(zhuǎn)移味沖電用VRS足付冰科電用SP采樣保持膳 沖電兒OS電源庖壓t模擬DOS補(bǔ)償輸出電如電斥1驅(qū)動(dòng)，V.嘰1件鍛度V,I,電源貯度T.48 css地（模擬-do'ico地£胴功）sir木應(yīng)蠟舛選樣切換NC表 2 I TclMnOOC t'jfk若被測玻璃管的尺寸范圍較大、精度要求高，為了達(dá)到測量所有尺寸的玻璃 管而不需要增添或更換測量系統(tǒng)，必須選擇或設(shè)計(jì)好測量元件。本測量儀采用了 兩個(gè)線陣TCD1500C的機(jī)械拼接結(jié)構(gòu)作為測量頭。原因如下：玻璃管外徑范圍：

15、1850mm；內(nèi)徑范圍：1540mm；壁厚范圍：1.510mm; 直徑和厚壁精度為0.01mm。最大相對測量精度為 0.01/50=0.2 %。TCD1500C位 5340像敏單元，像敏單元尺寸長7um、高7um。相當(dāng)測量精度為1/5340=0.18 %。 符合測量精度要求。成像系統(tǒng)光路圖如圖3.所示，M表示CCD有效像敏單兀的長度，N表示第 一個(gè)有效像敏單元到CCD器件一端的距離，S為兩個(gè)CCD器件之間的距離。我 們將成像系統(tǒng)放大率B定義為1.5,即B =1.5/1.5=y ' /y=1.5和y分別表示玻璃 管直徑和直徑像的大小。y最大為50mm,所以y最大為75mm,這樣大的像用

16、一個(gè)CCD接受是不大可能的，因?yàn)槟壳俺Ｓ肅CD尺寸都很小，必須采用幾個(gè)CCD進(jìn)行機(jī)械拼接的方法。TCD1500C像敏單元總長即 M=37.38mm，N=6mm。 如果用兩個(gè)1500C拼接，當(dāng)S=0時(shí)，拼接的總長是 Mx2+Nx2+S=86.78 > 75mm， 滿足要求。此外，兩個(gè)CCD器件之間的間隔很重要，為了使所有尺寸的玻璃管 都用同一個(gè)成像系統(tǒng)測量，就必須使所有被測玻璃管的上下壁各成像在兩個(gè) CCD上。只有管的上下壁各成像在兩個(gè) CCD 上,計(jì)算機(jī)軟件才能準(zhǔn)確地對采集 到的信號(hào)進(jìn)行邊緣判斷，從而準(zhǔn)確算出壁厚值。要達(dá)到此目的，只要使玻璃管內(nèi) 徑的最限制都能成像在兩個(gè)CCD上，玻璃管內(nèi)

17、徑最小值是15mm，像為15mmX1.5=22.5mm,所以圖3中K必須小于22.5mm,本測量儀使用的 CCD拼 接裝置：S=2mm, K=2XN+S=14 v 22.5mm,符合要求，在實(shí)際應(yīng)用中也滿足要 求。R1鬻事3.2光源及成像物鏡選擇圖4為光源結(jié)構(gòu)示意圖，圖中發(fā)光二級(jí)管LED發(fā)出的光經(jīng)過一片雙膠合透 鏡L1，LED成像于L2的物方焦平面上，光線經(jīng)過透鏡L2后平行射出，形成 測量系統(tǒng)的平行照明光源。光源采用藍(lán)光LED，藍(lán)光非常接近TCD1500C的峰值響應(yīng)波長550nm,用藍(lán)光照明，可以提高 TCD1500C的光譜響應(yīng)靈敏度， 減少雜光干擾。成像物鏡的選擇必須考慮各種因素，由于本測量

18、儀采用了兩片線陣CCD100機(jī)械拼接結(jié)構(gòu)，而1500長度達(dá)到37.38mm,所以選擇視場較大 的成像物鏡。一般照相機(jī)的攝影物鏡在最佳像面上的有效視場大于43mm,基本滿足各種類型線陣CCD和一些特殊面陣CCD的攝像要求。本測量儀使用的 成像物鏡：通光口徑 D=82mm，光圈數(shù)F>=1.4可調(diào)，物距無窮遠(yuǎn)焦距 f=150m m。由于采用平行光照明，選擇物鏡口徑必須大于玻璃管外徑最大值。此 外，根據(jù)測量現(xiàn)場和測量平臺(tái)尺寸，焦距 150mm最合適。4 CCD用于玻璃管尺寸測量的原理光源發(fā)出的平行光透過玻璃管后經(jīng)過成像物鏡成像在線陣CCD的光敏陣列上，由于透射率和光在不同形狀介質(zhì)中的折射率的不同

19、，是的通過玻璃管的像 在上下邊緣處形成兩條暗帶，中間部分的透射光相對較強(qiáng)，形成亮帶，兩條暗帶 的最外邊的邊界距離為玻璃管外徑所成的像，中間亮帶的寬度反應(yīng)了 玻璃管內(nèi)徑像的大小。兩條暗帶表示了玻璃管上下壁的大小。U20上壁/ fTP外徑尺寸圖9CCD輸出的信號(hào)波形圖9是CCD輸出的玻璃管像的視頻信號(hào)。 N 1和N 4表示了玻璃管的外 徑在CCD上對應(yīng)的像敏單元序號(hào)， N2和N3則是玻璃管的內(nèi)徑在 CCD上對 應(yīng)的像敏單元序號(hào)，這些序號(hào)表示出了玻璃管內(nèi)外徑的位置信息。顯然玻璃管的外徑值為：(/V4-/VDL圖10為玻璃管參數(shù)測量原理框圖，通過光學(xué)系統(tǒng)將被測玻璃管的外徑尺寸以一定的、準(zhǔn)確的倍率成像于

20、單片CCD光敏面上，再通過接口電路對CCD輸出信號(hào)進(jìn)行處理， 送入微機(jī)，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的測量，直徑測量公式：其中:d為被測直徑；a為CCD光敏面像元尺寸；B為光學(xué)系統(tǒng)的放大率； N為被測件經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像后在 CCD光敏區(qū)所遮擋的光敏元數(shù)。根據(jù) 計(jì)算公式測量分辨率 d =a/ ,由此可以看出，光學(xué)系統(tǒng)的放大倍率越大、 像 元尺寸越小，測量精度越高。然而，放大率太大，又會(huì)導(dǎo)致測量范圍的減小。 為了提高測量精度，而又不縮小測量范圍，本測量儀把兩個(gè)CCD拼接起來 作為光電接收器。此時(shí)，計(jì)算公式為： 其中：為兩個(gè)CCD被工作圖像所遮擋的光敏總元數(shù)； s為CCD1有效末像元與 CCD2有效首像元的距離。5測量儀

21、的設(shè)計(jì)原理根據(jù)項(xiàng)目，我們設(shè)計(jì)了 測量儀的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，機(jī)械結(jié)構(gòu)以及控制系統(tǒng)。 整個(gè)測量儀的基本原理框圖如圖 11所示，其中，照明系統(tǒng)采用LED光源產(chǎn) 生平行光照射被測玻璃管。 成像系統(tǒng)由成像物鏡光路組成。 載有玻璃管尺寸信 息的光射進(jìn)成像系統(tǒng)后由物鏡成像到CCD感光面。CCD在驅(qū)動(dòng)器控制下工作，并將CCD輸出的模擬信號(hào)送入 AD轉(zhuǎn)換電路。AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào) 送入存儲(chǔ)器緩存， 再由ISA總線讀入計(jì)算機(jī)內(nèi)存。計(jì)算機(jī)軟件一方面對讀入的數(shù)據(jù)計(jì)算各參數(shù)并輸出；另一方面對控制步進(jìn)電機(jī)的工作。 步進(jìn)電機(jī)1和2 控制玻璃管轉(zhuǎn)動(dòng)，可以測量玻璃管截面上的各個(gè)點(diǎn)。步進(jìn)電機(jī)3與絲杠連接，帶動(dòng)測量平臺(tái)移動(dòng)。整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)放置在測量平臺(tái)上，隨著平臺(tái)的移動(dòng)可以測 量玻璃管的各個(gè)截面。®1L連燼禪譚框圏總結(jié)和體會(huì)通過這次課程設(shè)計(jì)，我發(fā)現(xiàn)了自身存在的不足