CCD技術及應用實驗利用線陣CCD進行物體尺寸測量精

1、CCC技術及應用實驗： 利用線陣CCD進行物體尺寸測量、實驗目的通過本實驗掌握利用線陣 CCD進行非接觸測量物體尺寸的基本原理和方法，用實例探討影響測量范圍、測量精度的主要因素，為今后設計提供重要依據(jù)。、實驗準備內(nèi)容1.利用線陣CCD進行非接觸測量物體尺寸的基本原理線陣CCD的輸出信號包含了 CCD各個像元所接收光強度的分布和像元位置的信息, 使它在物體尺寸和位置檢測中顯示出十分重要的應用價值。CCD輸出信號的二值化處理常用于物體外形尺寸、物體位置、物體震動（振動）等的 測量。如圖3-1所示為測量物體外形尺寸（例如棒材的直徑 D）的原理圖。將被測物體A置于成像物鏡的物方視場中，將線陣CCD像敏

2、面恰好安裝在成像物鏡的最佳像面位置上。當被均勻照明的被測物體 A通過成像物鏡成像到 CCD的像敏面上時，被測物體像黑白 分明的光強分布使得相應像敏單元上存儲載荷了被測物尺寸信息的電荷包，通過CCD及其。根驅(qū)動器將載有尺寸信息的電荷包轉(zhuǎn)換為如圖3-1右側(cè)所示的時序電壓信號（輸出波形）據(jù)輸出波形，可以測得物體 A在像方的尺寸D '，再根據(jù)成像物鏡的物像關系，找出光學成 像系統(tǒng)的放大倍率 3便可以用下面公式計算出物體A的實際尺寸D(3-1)D = D 7 P顯然，只要求出 D '，就不難測出物體 A的實際尺寸D。Uo模擬光強分布。線陣CCD的輸出信號Uo隨光強的變化關系為線形的，因此

3、，可用采用二值化處理方法將物體邊界信息（圖 有了物體邊界信息便可以進行上述測量工作。3-1中的Ni與N2）檢測出來是簡單快捷的方法。 IBt 1. 11* 1HT1 1 1_Bd酉超t元関忙圖芥T二們化處理波形圖2.二值化處理方法圖3-2所示為典型CCD輸出信號與二值化處理的時序 圖。圖中FC信號為行同步脈沖，F(xiàn)C的上升沿對應于 CCD 的第一個有效像元輸出信號，其下降沿為整個輸出周期的 結(jié)束。Ug為綠色組分光的輸出信號，它為經(jīng)過反相放大后 的輸出電壓信號。為了提取圖3-2 所示Ug的信號所表征的 邊緣信息，采用如圖3-3所示的固定閾值二值化處理電路。該電路中，電壓比較器 LM393的正輸入端

4、接 CCD的輸出信號Ug,而反相輸入端接到由電 位器R2的動端，產(chǎn)生的可調(diào)的閾值電平，可以通過調(diào)節(jié)電位器對閾值電平進行設置，構(gòu)成 固定閾值二值化電路。經(jīng)固定閾值二值化電路輸出的信號波形被定義為TH ,它為方波脈沖。再進行邏輯處理，便可以提取出物體邊緣的 位置信息Ni和N2。Ni與N2的差值即為被測物體 在CCD像面上所成圖像占據(jù)的像元數(shù)目。 在像方的尺寸D為圖3-3二值化電DTN2 -Ni L式中，Ni與N2為邊界位置的像元序號, 像敏單元的尺寸。因此，物體的外徑 D應為D (N2-NJLo物體A(3-2)Lo 為 CCD(3-3)3.二值化處理電路原理方框圖二值化處理原理圖如圖 3-4所示，

5、若與門的輸入脈沖 CRt為CCD驅(qū)動器輸出的采樣 脈沖SP,則計數(shù)器所計的數(shù)為（N2 Ni）,鎖存器鎖存的數(shù)為（N2 Ni）,將其差值送入（N2 N1） LED數(shù)碼顯示器，則顯示出（N2 N1） 值。同樣，該系統(tǒng)適用于檢測物體的位置和它的 運動參數(shù)，設圖3-1中物體A在物面沿著光軸做 垂直方向運動，根據(jù)光強分布的變化， 同樣可以 計算出物體A的中心位置和它的運動速度、震 動（振動）等。圖3 4啞件_價化采蚩恥理才框圖三、實驗所需儀器設備1、LCCDAD- n -A型線陣CCD應用開發(fā)實驗儀一上2、裝有VC+軟件及相關實驗軟件的 PC計算機或GDS-川型光電綜合實驗平臺臺；臺；四、實驗內(nèi)容及步驟

6、1.實驗內(nèi)容(1)(2)(3)(4)(5)(6)建立非接觸測量物體外形尺寸的基本結(jié)構(gòu)；觀測二值化處理過程中 CCD的輸出信號；在進行二值化閾值電平調(diào)整的過程中，觀察閾值電平的調(diào)整對測量值的影響； 進行光學系統(tǒng)放大倍率的標定；進行非接觸測量被物體外形尺寸的測量；2.實驗步驟通過改變有關參數(shù)，觀察對測量值的影響，分析影響物體尺寸測量的主要因素。實驗準備(1) 將示波器地線與實驗儀上的地線連接良好，并確認示波器的電源和多功能實驗儀的電源插頭均插入交流220V插座上；(2) 打開儀器上蓋，旋下旋轉(zhuǎn)滾筒軸上的禁錮螺釘，將旋轉(zhuǎn)滾筒拿下來，使實驗儀的測試臺像如圖3-5所示的尺寸測量系統(tǒng)，然后將被測干件插入如

7、圖3-5所示的安裝位置上;O 豐 Wm - L- VVV 丄C- 4III 也,7 .1. F.- A. r ih -1 ri I :J 、 I r i © «蛋遼I '' I "« «« 9l.-ll' I奄童空9 *(3) 打開實驗儀電源開關，啟動計算機，陣并進入物體尺寸測量軟件，將在屏幕上彈出 如圖3-6所示的物體外形尺寸測量實驗軟件界面；亢fe三休外憲尺寸的測量卜制刪Mil倔BBBa艾件 T)刪ft Oms *幟分0梢*7黑黑鼎R爲黒11虱址陣CCDfi用幵左冥驗悅(LCCDAD-H)255圖3-6物體

8、尺寸測量軟杵界面LCCDAD- n”字樣，照樣適用于“ LCCDAD- n -A型”實“保存”菜單為圖3-6所示界面中盡管標寫“驗儀。其中“打開”菜單是為打開原來曾保存過的數(shù)據(jù)文件進行察看而設，將所測量的數(shù)據(jù)保存到指定文件夾而設定。實驗時點擊“連續(xù)”菜單，儀器便執(zhí)行連續(xù)采集 線陣CCD的輸出信號；其中“單次”是只采集線陣CCD輸出一行的信號，并將其顯示在計算機界面上；“數(shù)據(jù)”與“曲線”菜單分別用來以數(shù)據(jù)方式還是以曲線波形方式顯示所采 得的數(shù)據(jù)信號；“ 0ms”為曲線波形在計算機界面上停留顯示的最短時間，以便實驗者能夠 快速地觀測到信號波形的變化，但是它不可能為“零”，它與計算機的性能有關。它右

9、邊的“三角箭頭”是顯示時間的選擇下拉菜單，點擊菜單上的下拉箭頭可以選擇更長的顯示時間 便于觀察；“積分時間”和“驅(qū)動頻率”等也都可以通過相應的下拉箭頭進行選擇，積分時 間為16檔，驅(qū)動頻率為 4檔可調(diào)。(二) 光學成像系統(tǒng)放大倍率 3的標定軟件，彈(1) 將直徑為5mm的“試件”插入安裝裝置，執(zhí)行“物體尺寸測量實驗” 出如圖3-6所示的測量尺寸軟件界面；同時遠心照明光源被點亮;(2) 在尺寸軟件界面上選中“連續(xù)掃描”菜單，計算機顯示器出現(xiàn)含有被測“試件”外 徑尺寸信息的波形如圖 3-7所示;(3) 在測量界面上設置驅(qū)動頻率或積分時間，使輸出信號的幅度在適宜觀測的程度，但 是，一定不要使 CCD

10、工作到飽和狀態(tài);(4)調(diào)整物鏡的焦距使如圖3-7所示輸出信號曲線的斜率盡量陡;長肝董需世 f LjCOMD I>SB晶嚴Be f段井a(chǎn)n * B爭吋 F器tw"”V.圖3-7尺寸測量軟件界面(5) 停止采集后，界面進入到如圖3-8所示的光學放大倍率的測量與設定軟件界面,在界面的底部用文字方式提示實驗者應該執(zhí)行的步驟,如圖3-8中提示的“請將標準棒插入測試槽中，觀察數(shù)據(jù)曲線。”實驗者應該按著提示將 0 5的測試棒插入測試槽中。然后根據(jù) 曲線波形調(diào)節(jié)驅(qū)動頻率與積分時間使信號波形輸出幅度適合測量需要(注意絕對不能使CCD輸出信號波形出現(xiàn)“飽和現(xiàn)象”，否則嚴重影響測量精度)。如圖3-8

11、中設定積分時間 為“6”檔，驅(qū)動頻率為“ 0”檔時輸出信號波形較為理想;(6) 選擇適當?shù)拈撝?，二值化閾值電平的選擇原則是能夠檢測出物體的真正外形尺寸 值。例如，在如圖3-8所示輸出波形圖上可以看出，波形幅度的一半處能夠反映物體的外形127 ”再執(zhí)行“下一步”，界尺寸信息，此處曲線的變化率也最大，為此可以選定閾值為“ 面彈出下一步操作的提示;(7) 調(diào)整光學成像系統(tǒng)的焦距與光圈，注意觀察輸出信號波形，使信號波形中反映尺寸信息的變化邊緣越陡成像光學系統(tǒng)調(diào)整得越佳,測量系統(tǒng)的精度越高。調(diào)整好光學系統(tǒng)后執(zhí)行下一步;2St1P11351低救設置押動國憤莎t *固芷罔苗h 23 積苗間6檔” 零動牢說置

12、0怡”操作提示b謂朋ftti*播人簡燉T中t曲殊圖3-8光學放大倍率測量與設置軟件界在軟件界面的提示下進行操作，將用卡尺或千分尺測量的標準被測物尺寸值輸入到 “已知值”輸入框中，再執(zhí)行“下一步”，軟件自動計算出光學系統(tǒng)的放大倍率B并顯示在新彈出如圖 3-10所示的界面上；再點擊“下一步”，出現(xiàn)點擊“完成”，便 將測得的放大倍率存入計算機內(nèi)存，為(8)如圖3-9所示的SMiai!僅素®蔣動閾fli戒* Q固足河值和歸時間設置操聞示fe噩醴/隔蘿癌暮正確的尺才I 上一2下-亙?nèi)≈螌嶒?-9尺寸測量實驗光學系統(tǒng)放大比率的標定標定好光學系統(tǒng)放大倍率后測量系統(tǒng)就可以對如何安裝在指定位置上的任何

13、物體的外形尺寸進行測量實驗，例如對儀器提供的3mm、8mm棒材的外徑尺寸進行測量實驗。實際的物體外形尺寸的測量儀器都需要上述的標定過程，只有經(jīng)過上述標定才能夠應用于實際工程中。13G1操忡建示放大倍率=0.453（1犬倍甲計樣完賤，請單擊"完戒r蔻協(xié)腿回.圖3-10尺寸測量系統(tǒng)光學放大倍率標定（9）也可以用最原始的數(shù)據(jù)測量光學系統(tǒng)放大倍率，當調(diào)整好光學成像系統(tǒng)的焦距后, 停止采集，選擇“數(shù)據(jù)結(jié)果”菜單，察看線陣 據(jù)的變化率，將發(fā)生由大變小變化率最大處的像元序列值（位置值）記為“ 大過程中變化率最大處的像元序列值記為“ N2”CCD所有單元的數(shù)據(jù)，觀察相鄰兩個像元數(shù)Ni”，將由小變 將

14、所觀察到的Ni與N2值填入表3-1,重復3-1），便可以獲得光學系統(tǒng)的橫向放大7z（ Ni2p = 7D式中D為校正所用物體的直徑，測量次數(shù)根據(jù)統(tǒng)計理論應該是奇數(shù)次，這里取表3-1光學放大倍率P的測量一 Nii）(3-1)7次。上述過程，進行多次測量后，再將測量值代入公式（ 倍率3 。二值化測量值（N2-N1）（閾值 2V）物方尺寸（mm）像方計算尺寸（mm）光學放大倍率3（三）、非接觸測量物體的外形尺寸（1）保持上述設置不變，取下測量光學系統(tǒng)放大倍率標準件，裝上其他尺寸的被測件， 蓋上蓋。連續(xù)記下10組數(shù)據(jù)，填入表3-2，計算出被測件的實際尺寸。改變積分實間和二值化閾值電平繼續(xù)測量物體尺寸，

15、觀察、分析測量條件對測量結(jié)果的 影響，為此先調(diào)出二值化實驗軟件（2） 將閾值電平的二進制數(shù)值設為98,測量出物體直徑的一組相關數(shù)據(jù)，填入表 3-2，計算出被測桿件的直徑 D。（3） 再調(diào)整閾值至127,測量一組數(shù)據(jù)，填入表 3-2,計算出被測桿件的直徑，觀察閾 值電平改變前、后被測桿件直徑值的變化。（4）若調(diào)整閾值調(diào)至150，再測量一組數(shù)據(jù)，計算出被測桿件的直徑，觀察閾值電平改 變前、后被測桿件直徑值的變化。（5） 改變積分時間后，再重復上述實驗，觀察CCD輸出信號波形的變化，同時紀錄測 量值的變化。（6）當線陣CCD開始出現(xiàn)飽和狀態(tài)后，再觀測被測物尺寸的變化情況，進入深度飽和 后測量結(jié)果有何變化？表3-2被測件外徑的測量二值化測量值（N2-N1）（閾值 98）物方尺寸（mm）二值化測量值（N2- N1）（閾值 127）物方尺寸（mm）3.結(jié)束與關機上述實驗完成，并達到實驗目的，便可結(jié)束實驗。（1）（2）（3）（4）（5）將軟件程序退出，再關閉計算機系統(tǒng)；關閉實驗儀的電源；將總電源關閉；將實驗儀器及其用具收拾好，工具放到指定位置；將所做