基于衍射法測量細(xì)絲直徑的CCD系統(tǒng)設(shè)計算(共16頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上基于衍射法測量細(xì)絲直徑的CCD系統(tǒng)設(shè)計摘 要近些年來，伴隨著半導(dǎo)體技術(shù)與光電子學(xué)科技的迅速發(fā)展，在各個領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用著大量光電器件。其中，電荷耦合器件（CCD）由于具有光電轉(zhuǎn)換、像元尺寸小、幾何精度高、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，被大量用于非接觸式直徑測量領(lǐng)域。相對于接觸式的直徑測量方式，非接觸直徑測量具有測試速度快，精度高，對環(huán)境要求低等特點，因此使用范圍較廣。 本文對基于線陣CCD的非接觸直徑測量系統(tǒng)進(jìn)行了較為全面的研究，并結(jié)合本課題的特點（測量細(xì)絲直徑），提出了適合本課題的具體設(shè)計方案，在課題研究過程中，本文主要完成了以下幾個工作：介紹了非接觸直徑測量的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展

2、趨勢。通過對線陣CCD特性及工作原理的分析，設(shè)計了一種基于線陣CCD非接觸直徑測量系統(tǒng)。 1關(guān)鍵字：線陣 CCD 直徑測量 衍射法目 錄專心-專注-專業(yè)1 緒論1.1前言光電自動檢測技術(shù)在工業(yè)自動化生產(chǎn)中有著極其廣泛和重要的用途。然而，目前產(chǎn)品零件尺寸的檢測大多數(shù)是人工測量的接觸式和靜止測量，所以檢測速度低，生產(chǎn)效率低，勞動強(qiáng)度大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上目前自動化生產(chǎn)的需要。尤其在全面質(zhì)量管理過程中，更需要先進(jìn)的、智能的檢測手段。目前，國內(nèi)外常采用激光掃描光電線徑測量，但是這種方法受電機(jī)的溫度及振動的影響，掃描恒速度的限制，會產(chǎn)生高溫使其降低壽命。我們研制的基于線陣 CCD 便攜式非接觸直徑測量儀器正是適

3、應(yīng)當(dāng)前社會自動化生產(chǎn)的急需而設(shè)計的，該測徑儀是一種光、機(jī)、電、一體化的產(chǎn)品。尤其適用于電纜、電線、玻璃管、軸類零件的外徑測量，對保證產(chǎn)品質(zhì)量，降低原材料消耗，降低生產(chǎn)成本，提高勞動生產(chǎn)率有著重大的經(jīng)濟(jì)效益和社會意義。對各種細(xì)絲直徑的測量常常關(guān)系到工業(yè)產(chǎn)品的級別，如鐘表中的游絲、光導(dǎo)纖維、化學(xué)纖維、各種細(xì)線、電阻絲、集成電路引線以及種類儀器、標(biāo)尺的刻線等。傳統(tǒng)的測量方法多數(shù)為接觸法，其它的有電阻法、稱重法。也有采用光學(xué)方法的，如光學(xué)顯微鏡法、干涉法、掃描法、投影放大法、比較法等。然而，大多檢測方法檢測速度低，生產(chǎn)效率低，勞動強(qiáng)度大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上目前自動化生產(chǎn)的需要。尤其在全面質(zhì)量管理過程中，更需要

4、先進(jìn)的、智能的檢測手段。目前，國內(nèi)外常采用激光掃描光電線徑測量，但是激光衍射細(xì)絲測量法比較適合于靜態(tài)的高精度測量 ,當(dāng)用于動態(tài)測量時會由于被測絲的晃動導(dǎo)致衍射條紋快速移動而失準(zhǔn) ,也難以快速得到測量結(jié)果 ,同時還具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、格昂貴等缺點 ,不太適于現(xiàn)場快速測量細(xì)絲直徑?；贑CD技術(shù)的快速發(fā)展及后續(xù)處理算法的日益真實有效故CCD在現(xiàn)代自動化生產(chǎn)中扮演者越來越重要的作用。為滿足大工業(yè)化生產(chǎn)線陣CCD測量儀便應(yīng)運而生，該測徑儀是一種光、機(jī)、電、算于一體的產(chǎn)品。尤其適用于電纜、電線、玻璃管、軸類零件的外徑測量，對保證產(chǎn)品質(zhì)量，降低原材料消耗，降低生產(chǎn)成本，提高勞動生產(chǎn)率有著重大的經(jīng)濟(jì)效益和社會意義

5、。21.2基于CCD測徑儀的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀社會的進(jìn)步重要體現(xiàn)就是科技的進(jìn)步，科技進(jìn)步主要體現(xiàn)使用勞動工具的進(jìn)步。從18世紀(jì)工業(yè)革命以來，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，隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)和加工技術(shù)的發(fā)展，對于加工零件的檢測速度與精度有了更高的要求，向著高速度、高精度、非接觸和在線檢測方向發(fā)展。為此，工業(yè)發(fā)達(dá)國家對于檢測儀器與設(shè)備速度與精度一直作為檢測儀器的主要指標(biāo)。CCD測徑儀特別適用于電纜、電線的在線自動檢測，對保證產(chǎn)品的質(zhì)量，降低原材料消耗，降低生產(chǎn)成本，提高勞動生產(chǎn)率有著十分重要的意義，所以各國政府都很重視對測徑儀的研究。英國Beta AS3系列全新的激光測徑儀：

6、LD1040-S(單向直徑測量儀)、LD1040XY-S(雙向直徑測量儀)，精度：0.1m，測量范圍最廣，單向測徑儀最大可測直徑達(dá)330.3mm，雙向測徑儀最大可測直徑值達(dá)100mm，測量精度最高，最高測量精度可達(dá)0.1m，是目前同類產(chǎn)品中的最高的測量精度。日本生產(chǎn)的 LS-7000 系列高速、高精度 CCD 測量儀器，如：LS-7030M（配備測量攝影機(jī)）測量范圍：0.3mm30mm，測量精度：±2m，重復(fù)性精度：±1.5m。LS-7010M（配備測量攝影機(jī)）測量范圍：0.04mm6mm，測量精度：±0.5m。國內(nèi)由于自身的工業(yè)加工水平有限、測量原理的不完善和結(jié)

7、構(gòu)搭理欠合理，所以，國內(nèi)生產(chǎn)的測徑儀測量精度沒有國外的精確，河北省激光研究所光電檢測控制室生產(chǎn)的JCJ-1激光測徑儀，是專為玻璃管生產(chǎn)線上玻璃管外徑的測量、控制、分選而設(shè)計的集激光、精密機(jī)械、計算機(jī)于一體的智能化精密儀器。通過激光光束高速（200次/秒）掃描被測玻璃管，計算機(jī)實時采樣處理，實現(xiàn)玻璃管直徑在線非接觸檢測、控制，測量范圍：0.5mm60mm，測量精度：±0.01mm。廣州一思通電子儀器廠生產(chǎn)的ETD-05系列激光測徑儀，測量范圍：0.2mm30mm，測量精度：±2m，ETD-05系列激光測徑儀是一種基于激光掃描測量原理而設(shè)計的高精度非接觸式的外徑測量設(shè)備，儀器采

8、用二維測量模式，有效消除工件振動造成的測量誤差，特別適合生產(chǎn)現(xiàn)場的實時測量，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，也可用于其它各種圓形工件的外徑測量。南京億佰泰科技有限公司生產(chǎn)的 TLSM100 激光掃描測微儀，測量范圍：0.2mm30mm，測量精度：±3m，是一種高精度、非接觸的尺寸測量儀器。它通過激光束的掃描獲得被測目標(biāo)的尺寸，廣泛用于測量熱的、軟的、易碎的以及其它傳統(tǒng)方法不易測量的物體，而且很適合生產(chǎn)中的在線測量或者線材、棒材、管材、機(jī)械和電子元件以及其它生產(chǎn)過程的監(jiān)控。TLSM100 的自動方式適用于連續(xù)的測量；手動方式適合單次測

9、量。它可以設(shè)置上下偏差、峰值限制，當(dāng)超限后做相應(yīng)的報警；還可以計算最大值、最小值、平均值。例如：可以測量旋轉(zhuǎn)圓柱體的最大值、最小值，輥子的偏差。我們研制的基于線陣 CCD測徑儀測量范圍：0.5mm30mm，測量精度：±5m，適用于對被測工件進(jìn)行靜態(tài)測量，也適用于生產(chǎn)現(xiàn)場的實時測量。32 測量原理和方案論證在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)實驗中,經(jīng)常碰到尺寸較小的細(xì)絲直徑的測量問題.細(xì)絲直徑測量的方法有許多,傳統(tǒng)測量方法通常有兩種:一種是細(xì)絲稱重法,即稱出一定長度的細(xì)絲的重量后,把細(xì)絲看成為均勻細(xì)長的圓柱體,然后根據(jù)材料的密度計算出細(xì)絲的直徑;另一種方法是用游標(biāo)卡尺或螺旋測微器手工測量。設(shè)計性實驗的選

10、題應(yīng)體現(xiàn)實驗內(nèi)容的設(shè)計性和實驗方法的多元性。有以下幾種方法:磁場方向接線柱22.1駐波測量導(dǎo)電金屬細(xì)絲直徑4接線柱1劈尖B磁鋼 劈尖A砝碼圖 1駐波測量導(dǎo)電金屬細(xì)絲直徑實驗裝置圖1 所示的實驗裝置中,接線柱 1 和 2上的導(dǎo)線與金屬細(xì)絲連接,構(gòu)成通電回路。金 屬細(xì)絲一端固定,另一端接在破碼盤上用以產(chǎn)生張力。中間由 A、B 兩個壁尖支柱,金屬細(xì)絲下方放置磁鋼,通有電流的金屬弦線在磁場中會受到安培力的作用,弦線上接通正弦 交變電流時,它在磁場中所受與磁場方向和電流方向均為垂直的安培力,也隨之發(fā)生正弦變化,移動劈尖改變弦長,當(dāng)弦長是半波長的整倍數(shù)時,弦線上便會形成駐波。此時,金屬細(xì)絲A、B 兩端之間

11、的距離L等于半波長的整數(shù)倍: 即 L =n2 式中n為金屬細(xì)絲上駐波的波段數(shù),即半波數(shù)。由波動理論可知,金屬細(xì)絲中橫波的傳播速度為:v=T式中 T 為金屬細(xì)絲的張力,是金屬細(xì)絲的線密度。波速、頻率與波長的關(guān)系:= f,得: =n2T4f2L2由金屬細(xì)絲線密度和體密度的關(guān)系可以求出金屬細(xì)絲的直徑為:d=2 2.2衍射法測量細(xì)絲直徑5衍射法測量細(xì)絲直徑平行光束照射細(xì)絲時,其衍射效應(yīng)和狹縫一樣,在接收屏上得到同樣的明暗相間的條紋。SXf 激光器 細(xì)絲 觀察屏 L圖 2為細(xì)絲的衍射圖圖2 為細(xì)絲的衍射圖,當(dāng)Ld2時為夫瑯和費衍射,觀察屏上光強(qiáng)分布為:I=I0sin2(dsin/(dsin/)2當(dāng) ds

12、in K =±k ,k =1,2時出現(xiàn)暗紋,設(shè)第 k 級暗紋離光軸的距離為xK由xK << L ,則有:細(xì)絲的直徑d=klxk=LS式中: S為衍射暗條紋間距,d 為細(xì)絲直徑,L為細(xì)絲距觀察屏的距離。已知L和光波長,測出S或xK ,可得到鋼絲的直徑d。2.3雙光束干涉法測量細(xì)絲直徑 6測量裝置如圖 3所示,待測金屬絲的軸垂直于紙面,激光束由分束器PS分束,經(jīng)過全反鏡 M1,M2和M3相向入射到細(xì)絲上,光束在細(xì)絲表面上反射后的光波產(chǎn)生平直的干涉條紋,在兩入射光束垂直方向上放置的 CCD相機(jī)攝取條紋圖進(jìn)入微機(jī)處理。 激光器 M3 PCPS 細(xì)絲 CCD M1 M2圖 3雙光束

13、干涉法測量細(xì)絲直徑裝置圖 A1 B1r1 Pd r2 Y R O B2 D A2圖 4兩反射光線干涉光路圖 4表示兩反射光線產(chǎn)生干涉的光路,實驗中觀測距離 D 一般比細(xì)絲直徑 d 以及觀測區(qū)域Y大很多,因此上下測兩光線的入射角大都在45°角附近。由幾何光學(xué),在45°角入射點,附近的細(xì)光束反射產(chǎn)生虛線源,他們的位置觀察屏 OP 上的條紋類似于楊氏雙縫的干涉條紋,可知道條紋光強(qiáng)度。條紋間距為:由CCD 攝取條紋圖片進(jìn)入計算機(jī)處理。如果得到條紋間距,細(xì)絲到相機(jī)的距離 D , 已知入射激光束的波長,便可得到細(xì)絲的直徑d。小結(jié)與同類測量系統(tǒng)比較，CCD細(xì)絲直徑測量系統(tǒng)具有測量速度快，

14、測量精度高，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)良特點，是一種非接觸式的測量系統(tǒng)，屬無損傷測量，不影響加工系統(tǒng)正常運行，非常適合于生產(chǎn)線上尺寸的測量。該設(shè)計方案集成化程度高，可與計算機(jī)相聯(lián)，可進(jìn)行測量數(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，并在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)質(zhì)量問題時進(jìn)行報警提示，便于控制和自動化生產(chǎn)。綜合上述分析及我們小組的討論研究，我們決定采用基于衍射法的CCD細(xì)絲直徑測試儀的設(shè)計方案。3 計算機(jī)程序設(shè)計3.1系統(tǒng)的軟件設(shè)計系統(tǒng)的軟件由主程序模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和顯示報警模塊三大模塊組成。在主程序中首先給定參數(shù)值，然后通過啟動AD轉(zhuǎn)換循環(huán)顯示當(dāng)前值。YYNN啟動A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換完成開始初始化不符合要求LCD

15、1602顯示綠燈亮結(jié)束紅燈亮，蜂鳴器報警3.2軟件流程框圖3.2數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計外部的模擬信號量需要轉(zhuǎn)變成數(shù)字量才能進(jìn)一步的由單片機(jī)進(jìn)行處理。ADC0808可以非常方便的處理輸入的模擬信號量。 ADC通過逐次比較方式，將輸入端的模擬電壓轉(zhuǎn)換成8位的數(shù)字量。while(1)ST = 0; delay1ms(1);ST = 1; delay1ms(1);ST = 0;/寄存器SAR復(fù)位，啟動ADC0809while(1)if(EOC = 1)/ADC0808轉(zhuǎn)換結(jié)束后改引腳為高低平OE = 1;/輸出允許信號為1時表示把ADC0808采集的數(shù)據(jù)輸出getdata=P0;/把采集到的數(shù)據(jù)送到P0口

16、處理OE = 0;/又打開ADC0808繼續(xù)開始轉(zhuǎn)換3.3顯示及報警模塊的設(shè)計經(jīng)由單片機(jī)處理后的數(shù)字量通過LCD1602進(jìn)行顯示當(dāng)前的細(xì)絲直徑，同時如果當(dāng)前的細(xì)絲直徑大于1.01mm或小于0.99mm，則紅燈亮同時蜂鳴器報警。void init_play()/初始化顯示lcd_init();wr_com(0x80);/第1行第一列display(str1); /顯示Consentrationwr_com(0xc0); /第二行第一列display(str2); /顯示空格wr_com(0xc9); /第二行第九列display(str3);/顯示ppmvoid show_Concentrati

17、on()/細(xì)絲直徑顯示disdata1=con%1000/100+0x30;/百位數(shù)disdata2=con%100/10+0x30;/十位數(shù)disdata3=con%10+0x30;/個位數(shù)if(disdata1=0x30)disdata1=0x20;/如果千位為0，百位為0也不顯示if(disdata2=0x30)disdata2=0x20;/如果千位為0，百位為0,十位為0也不顯示wr_com(0xc4);wr_dat(disdata1);/顯示百位wr_com(0xc5);wr_dat(disdata2);/顯示十位wr_com(0xc6);wr_dat(disdata3);/顯示個位

18、show_Concentration();/LCD1602顯示con=getdata*100;if(con >99&&con<101)/如果符合要求不報警G_LED=0;R_LED=1;SPK=1;else /如果不符合要求聲光報警G_LED=1;R_LED=0;SPK=0;break;/跳出繼續(xù)進(jìn)行ADC0808的采集3.6系統(tǒng)程序void main()/主函數(shù) Init();/定時器初始化 init_play();/初始化顯示 while(1) ST = 0; delay1ms(1); ST = 1; delay1ms(1); ST = 0;/寄存器SAR復(fù)位，

19、啟動ADC0809 while(1) if(EOC = 1)/ADC0808轉(zhuǎn)換結(jié)束后改引腳為高低平 OE = 1;/輸出允許信號為1時表示ADC0808把采集的數(shù)據(jù)輸出 getdata=P0;/把采集到的數(shù)據(jù)送到P0口處理 OE = 0;/又打開ADC0808繼續(xù)開始轉(zhuǎn)換 con=getdata*100;/因為有AD采集回來的數(shù)為0255；顯示直徑為05000 show_Concentration(con >99&&con<101); if()/如果符合要求不報警 G_LED=0; R_LED=1; SPK=1; else /如果不符合要求則聲光報警 G_LED=

20、1; R_LED=0; SPK=0; break;/跳出繼續(xù)進(jìn)行ADC0808的采集 4 精度分析4.1差分放大電路VS為有用視頻信號輸出，CS為輸出復(fù)位電平信號。因此，在外部電路采用差分比例運算電路時，把這兩個信號加到差分比例運算電路的兩個輸入端即可很好地消除噪聲，并可得到有用信號。下面對差分比例運算電路進(jìn)行一下分析：首先，我們設(shè)VS輸出的CCD信號（含噪聲）電壓為Ui1，CS端輸出信號電壓為Ui2。這里，我們知道Ui1=Ui2+UCCD（其中UCCD為不含噪聲的CCD輸出信號），實際上，我們可以把Ui和Ui這一對輸入信號看成是一對共模信號和一對差模信號組成。4.2光學(xué)系統(tǒng)對測量精度的影響分

21、析4.2.1衍射 光線在細(xì)絲上會產(chǎn)生衍射效應(yīng)，衍射會導(dǎo)致線性度變差。實驗證明：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)系沒有改變，此時應(yīng)采用值運算以合法來提高精度。4.2.2環(huán)境光擾動環(huán)境光擾動會降低信噪比，影響測量精度，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)境光擾動忽略不計。4.3信號處理電路對測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，會使得測量結(jié)果偏離理想狀況。4.4零點漂移對測量精度的影響什么是零點漂移現(xiàn)象：輸入為零輸出不為零的情況。產(chǎn)生原因：溫度變化，直流電源波動，器件老化，其中晶體管的特性對溫是主要原因，故也稱零

22、漂為溫漂.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。4.5被測工件的均勻性對測量精度的影響在生產(chǎn)過程中，軸類零件，電纜或電線的外徑有時不很均勻。被測工件經(jīng)過光照在CCD成像，線徑不等時則被照部分CCD輸出脈沖數(shù)與均勻被測工件被照部分的CCD輸出脈沖不等，反應(yīng)到測量結(jié)果上就會產(chǎn)生測量誤差，在設(shè)計中，我們采用對被測工件的多次測量，然后求平均值的方法來消除這種誤差，粗大誤差也影響測量精度，但它是由外界條件的突然變化引起的，當(dāng)外界條件改變時引起CCD輸出信號的不穩(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。4.5.1誤差分析在實驗過程中，我們分別對直徑D=1.0mm的標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行了三次測量，每一組采取多次重復(fù)測量，取平均值，并進(jìn)行相應(yīng)的精度計算。 4.5.2標(biāo)定誤差圖像處理在使用前都會與有一個相對的測量單位對所測量的對象進(jìn)行標(biāo)定（在此處對CCD象元尺寸進(jìn)行標(biāo)定）。在細(xì)絲直徑檢測算法中，采用的是屏