鋼板厚度測量---光電儀器課程設(shè)計_機(jī)械儀表_工程科技_專業(yè)資料

1、 西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院 課程設(shè)計（論文） 題目：鋼板厚度測試儀 系 別： 專 業(yè)： 班 級： 學(xué) 號： 姓 名： 2012年11月12號 目 錄第1章 引言.1 1.1 研究的背景和意義.11.2 國內(nèi)外研究狀況.1第2章 測量原理和方法論證.22.1 檢測系統(tǒng)的測量原理.22.2 方案的可行性分析32.3 本章小結(jié)4第3章 系統(tǒng)設(shè)計43.1 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計4 3.2機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計. 53.3 電路系統(tǒng)設(shè)計63.4 計算機(jī)軟硬件系統(tǒng)設(shè)計15第4章 精度分析184.1 電路對測量精度的影響184.2 誤差分析18第5章 總結(jié)19參考文獻(xiàn). 20 第一章 引 言§1.1研究背景和意義

2、傳統(tǒng)的測量方法開始于接觸式測量，這種測量方法檢測效率低，勞動強(qiáng)度大，而且會使測量儀器的檢測頭發(fā)生磨損，從而造成儀器的測量精度下降。毋庸置疑，科技的發(fā)展和社會的進(jìn)步還沒達(dá)到一個高度。因此，在現(xiàn)代板材生產(chǎn)中，不論是軋制過程中還是最終產(chǎn)品的調(diào)整中，為獲得較高的板材命中率和最佳的軋制過程及剪切效果，板材尺寸測量系統(tǒng)已成為生產(chǎn)線上不可缺少的設(shè)備之一。第一臺接觸式速續(xù)測厚儀大約出現(xiàn)在1930年。操作者用這臺側(cè)厚儀器去側(cè)量銅材的厚度時, 必須把它推向待側(cè)的鋼帶, 用機(jī)械的方法來測量距帶材邊沿幾寸范圍內(nèi)的金屬材料的厚度。這種測量方法使用極其不便，而且測量精度也很低。在我們看來，一般的物體尺寸的測量，無非長、寬

3、、高（厚），三個方面，而厚度測量是生產(chǎn)中最常見的測量內(nèi)容之一,常用量具是游標(biāo)卡尺或千分尺,這些量具在使用時都必須和工件接觸,雖然接觸壓力不大,但對一些特殊工件,在測量時不允許量具和工件接觸,否則會在工件表面上留下壓印或劃痕，甚至有些測量環(huán)境環(huán)境下很難或無法進(jìn)行接觸式測量，那么，這就需要有一種新的方法來代替接觸式測量. 隨著科技大發(fā)展和生產(chǎn)力的要求，非接觸式的測量方法出現(xiàn)了。第一臺成功的非接觸式自動測厚儀應(yīng)用了X射線吸收技術(shù)。從此，非接觸式測量方法開始了迅猛發(fā)展，其強(qiáng)大的功能和優(yōu)點無法使傳統(tǒng)的接觸式測量望其項背，也為人類社會的發(fā)展，工業(yè)文明的進(jìn)步做出了巨大的貢獻(xiàn)。 激光測厚儀是近年來開發(fā)出的高科

4、技實用型設(shè)備, 是用于熱軋生產(chǎn)線上時在線式連續(xù)測量成材厚度的非接觸式測量設(shè)備。它有效地改善了工作環(huán)境, 具有測量準(zhǔn)確、精度高、實用性好、安全可靠、無輻射、非接觸式測量等人工測量及其它測量方法無法比擬的優(yōu)點, 并為軋制鋼材厚度控制提供了準(zhǔn)確的信息, 從而提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量, 降低了勞動強(qiáng)度度。激光測厚儀使用兩年多以來, 具不完全統(tǒng)計, 因板厚誤差造成的廢品率下降了50%以上, 創(chuàng)經(jīng)濟(jì)效益上億元, 廣泛地受到人們的肯定與贊賞。我們有理由相信，在未來的發(fā)展過程中，激光測厚儀作為非接觸測量領(lǐng)域的一個重要分支將更能發(fā)揮其作用。 §1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀近50年來，隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)和加工技術(shù)的

5、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。利用CCD 技術(shù)對產(chǎn)品表面質(zhì)量進(jìn)行實時檢測、動態(tài)測量，具有結(jié)構(gòu)簡單、非接觸、精度高、測量速度快、性能穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。攝像頭的主要傳感部件是CCD，它具有靈敏度高、畸變小、壽命長、抗震動、抗磁場、體積小、無殘影等特點。CCD 產(chǎn)業(yè)前七大廠商皆為日系廠商，占了全球98.5的市場份額，在技術(shù)發(fā)展方面，主要廠商應(yīng)為索尼、飛利普，NEC和柯達(dá)公司。國內(nèi)目前鋼板測寬儀,其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,控制繁瑣,需要標(biāo)定，以及及時維護(hù),實時操作性差。而本文所要研究的，是在原有的鋼板在線測寬儀的基礎(chǔ)上，提出了一種改良型的系統(tǒng)。系統(tǒng)中采

6、用經(jīng)濟(jì)的線陣CCD 成像系統(tǒng),應(yīng)用CPLD 與單片機(jī)結(jié)合采集與處理測量數(shù)據(jù)，和邊緣細(xì)化技術(shù)提高測量精度。整套系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡潔,成本低廉,抗干擾性能好，調(diào)試方便。 第二章 測量原理和方案論證 §2.1激光三角法的基本原理激光三角法的基本原理,由光源發(fā)出的一束激光照射在待測物體平面上 ,通過反射最后在檢測器上成像。物體表面的位置發(fā)生改變時,其所成的像在檢測器上也發(fā)生相應(yīng)的位移。通過像移和實際位移之間的關(guān)系式 ,真實的物體位移可以由對像移的檢測和計算得到。其中：是投影光軸與成像物鏡光軸的夾角；是光電測試器受光面與成像物鏡光軸的夾角，而s和s分別是物距和像距,d是傳感器上的成像點的偏移 ,而為實

7、際的物體表面的偏移。系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)為：偏置距離D為從傳感器到被測表面參考點的距離;測盤范圍為最大能檢側(cè)到的物體表面的偏移,即|引的最大值；測量精度,傳感器的最小測量單位；分辨率一般指測量的縱向分辨率 ,為測量精度和測量范圍之比；橫向分辨率為待測物體表面上所取測量點的最小間距。為了實現(xiàn)完美聚焦 ,光路設(shè)計必須滿足斯凱普夫拉格條件；成像面、物面和透鏡主面必須相交于同一直線 , 如下圖2.1中X點所示。系統(tǒng)的非線性的輸人輸出函數(shù)為：（2.1） （2.2）其中：為三角測量系統(tǒng)的固定參數(shù)。當(dāng)物體偏轉(zhuǎn)較小時，(2.1)以近似為線性關(guān)系：（2.3）圖2.1 激光三角法的原理框圖激光三角法的另一項重要的參數(shù)為

8、線性度,就是三角測量法輸人和輸出關(guān)系線性近似程度?？梢宰C明,在三角測量中,可以通過縮小測量范圍,增大接收透鏡的共扼矩,增大三角測量系統(tǒng)的角度,縮小接收透鏡的放大倍率,達(dá)到線性測量的結(jié)果。此外,由(2.1)式對d求導(dǎo),得到輸入輸出曲線的斜率,即激光三角法的放大倍率：（2.4） §2.2 方案的可行性分析根據(jù)2.1節(jié)，系統(tǒng)主要由以下幾部分構(gòu)成：1)光電轉(zhuǎn)換；2)信號采集與處理的硬件實現(xiàn)；3)信號采集與處理的軟件實現(xiàn)；4)信號與上位機(jī)的通信。對于信號采集部分，現(xiàn)有的信號采集結(jié)構(gòu)按其是否與信號處理部分分離可分為以下幾類：第一種是模擬輸入專用信號采集系統(tǒng)，該類系統(tǒng)將采集卡放置在計算機(jī)內(nèi)部，采集

9、卡的作用是進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換并通過計算機(jī)總線將數(shù)據(jù)送入計算機(jī)內(nèi)存，用軟件實現(xiàn)處理；第二種是模擬輸入采集處理一體化結(jié)構(gòu)，此種結(jié)構(gòu)是將采集、量化集成到一塊板卡上，一般由輸入輸出接口、A/D轉(zhuǎn)換數(shù)字化單元、高速緩沖區(qū)和微處理單元構(gòu)成，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計大大減輕了計算機(jī)的處理負(fù)荷，但增加了電路設(shè)計實現(xiàn)的難度；第三種是數(shù)字輸入，是采集和處理部分分離的采集系統(tǒng)，這類系統(tǒng)的前端是數(shù)字輸出的CCD相機(jī)，輸出的數(shù)字化信號直接接入處理器，這種采集結(jié)構(gòu)傳輸距離長、受外部干擾小開發(fā)簡單。經(jīng)過對上述幾種采集結(jié)構(gòu)的分析，了解到第一種耗費計算機(jī)資源，實時性不高，不適合大量數(shù)據(jù)的實時處理；第二種是基于母板的二次開發(fā)，仍然受到一定的限制

10、；第三種處理結(jié)構(gòu)是為線陣CCD相機(jī)專門設(shè)計的處理系統(tǒng)，用戶接口考慮到與相機(jī)積分時間同步，采用LVDS格式的數(shù)據(jù)串行傳輸，開發(fā)相對簡單、成本低，因此，我們采用第三種數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)。 激光輔助測量法，采用了線結(jié)構(gòu)光。激光從激光器發(fā)出,經(jīng)過柱面透鏡后匯聚成寬度很窄的光帶,稱為結(jié)構(gòu)光。該光平面以一定角度入射在工件上,在工件上產(chǎn)生反射和散射，并可已知投影光線的空間方向。這種光源有多優(yōu)勢。此外，這種測量方法較激光三角法和偏轉(zhuǎn)差值法有結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)勢。所以我們采用激光輔助測量法。 §2.3本章小結(jié)本章首先了介紹了尺寸檢測系統(tǒng)的整體設(shè)計方案，接下來分別闡述各模塊設(shè)計的理論依據(jù)。在此基礎(chǔ)上引出了本課題的技

11、術(shù)方案和可行性分析及其性能特點。 第三章 系統(tǒng)設(shè)計§3.1光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計光學(xué)系統(tǒng)對成像質(zhì)量有著十分重要的意義，它直接影響成像系統(tǒng)的工作距離、視場、分辨率、靈敏度和畸變等多項性能參數(shù)。對其基本要求是成像清晰、透光率強(qiáng)、雜散光少、像面照度分布均勻、圖像畸變小、足夠的相對孔徑等。箱體通過支架固定于鋼板正上方4米的平臺，平臺上安裝微調(diào)裝置。該裝置可在橫向、縱向、垂直方向調(diào)節(jié)相機(jī)，使鋼板正好可以成像到CCD中央位置。設(shè)備安裝時用帶有發(fā)光管(發(fā)光光譜近似880鋼板的發(fā)光光譜)的標(biāo)準(zhǔn)長尺，對CCD相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定。調(diào)節(jié)微調(diào)裝置，使發(fā)光管詐好成像于CCD光敏陣列中央位置上，說明此時相機(jī)位置合格，可以進(jìn)行在

12、線檢測。設(shè)生產(chǎn)線上鋼板寬度在2米左右，而所選CCD光敏面尺寸只有20.48mm，所以為使鋼板寬度信息能完整的成像在光敏面上，相機(jī)最前端需要加一個光學(xué)鏡頭。合理選擇并安裝光學(xué)鏡頭是保證清晰成像并獲得正常視頻信號的關(guān)鍵。各種CCD光學(xué)鏡頭種類繁多，光學(xué)鏡頭的主要參數(shù)都不盡相同，合適的參數(shù)指標(biāo)應(yīng)根據(jù)不同接口、CCD光敏面光學(xué)格式、光圈、視場、焦距、F數(shù)等來確定。根據(jù)待檢鋼板與傳感器的參數(shù)，我們進(jìn)行成像鏡頭的參數(shù)計算，主要從成像要求和照度匹配兩方面來考慮鏡頭的選擇。本系統(tǒng)中選用鏡頭焦距35mm，相機(jī)安裝在距鋼板4m高的地方。圖3-1是簡化的鏡頭成像原理圖。圖3.1 鏡頭成像原理圖圖中，物距為u，像距為

13、v，像尺寸lx，物體尺寸LX，鏡頭焦距f，半視角60。對于檢測系統(tǒng)來說，由于CCD有效光敏面長度I=2048×10 m=20.48mm，鋼板寬度2m，則放大率13應(yīng)滿足如下要求： (3-1)又根據(jù)牛頓成像公式： (3-2) 可知 (3-3)所以系統(tǒng)中選擇焦距為35mm的F口接口鏡頭。此時放大倍數(shù)： 半視角: (3-4) ，則視場角大于。對于寬度為2m鋼板成像大小，鋼板可完全成像到CCD像敏面上，符合測量系統(tǒng)要求。 §3.2機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計行走機(jī)構(gòu)主要由步進(jìn)電機(jī)、滾珠絲杠副、滑動導(dǎo)軌組成，采用的是絲杠轉(zhuǎn)動螺母移動的方法。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸通過聯(lián)軸器和絲杠直接連接，絲杠跟隨電機(jī)一起轉(zhuǎn)動

14、，從而把電機(jī)的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為螺母的移動。螺母上固定有螺母座，而螺母座又與安裝在導(dǎo)軌滑塊上的工作臺底板連接，最終把電機(jī)的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為工作臺在導(dǎo)軌上的平動，實現(xiàn)傳感器的位置移動。3.2.1 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動 系統(tǒng)行走機(jī)構(gòu)的驅(qū)動是以步進(jìn)電機(jī)作為主動元件的，如何控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動是現(xiàn)厚度實時測量的一個重要內(nèi)容，傳感器相對于被測鋼板的運(yùn)動是通過步進(jìn)電機(jī)有規(guī)律的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)的，為了完成鋼板厚度參數(shù)的采集，步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動系統(tǒng)應(yīng)該具有下列功能：步進(jìn)電機(jī)能夠啟動和停止；能夠?qū)崿F(xiàn)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)；步進(jìn)電機(jī)能夠在任何位置鎖定。 在測量過程中，為了提高運(yùn)動精度，步進(jìn)電機(jī)以三相六拍方式工作。本系統(tǒng)采用配套的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器進(jìn)行控制。其特點

15、是：驅(qū)動器性能對電機(jī)的依賴性極小，不同參數(shù)電機(jī)均可獲得優(yōu)異性能；具有多種細(xì)分模式；具有脫機(jī)控制信號；電機(jī)位置掉電記憶；靜止時半自動電流鎖定；輸入輸出信號光電隔離。把以上計算所得數(shù)據(jù)與FFZD3205-3型滾珠絲杠的各項參數(shù)比較，可知該型號絲杠完全滿足設(shè)計要求。3.2.2 測量部分的設(shè)計測量部分是通過測量鋼板的實際厚度和標(biāo)準(zhǔn)厚度的偏差來進(jìn)行厚度測量的。測量前先用標(biāo)準(zhǔn)量塊代替標(biāo)準(zhǔn)鋼板對傳感器進(jìn)行零點調(diào)節(jié)，具體的做法是先調(diào)節(jié)測頭到鋼板的距離，使其在傳感器的測量范圍內(nèi)，然后通過傳感器的控制器對傳感器進(jìn)行復(fù)位，此時傳感器的模擬輸出電壓值為零。測量時，若鋼板的實際厚度與標(biāo)準(zhǔn)厚度存在偏差，即鋼板上表面相對于

16、傳感器發(fā)生位移變化，傳感器便輸出一定量的模擬電壓。模擬電壓輸出值與厚度偏差值存在固定的線形關(guān)系，我們由這個線形關(guān)系便可推算出鋼板的實際厚度。 §3.3電路系統(tǒng)設(shè)計 CCD的輸出信號是脈沖信號，其中既包含被測尺寸的信息，又含有大量的復(fù)位噪聲和電子系統(tǒng)的白噪聲，使得有用信號難以提取。由于CCD本身的感光單元有一定間距，加上照明光源在視場內(nèi)光強(qiáng)分布的不均勻性，CCD本身的光敏不均勻性、轉(zhuǎn)移損失以及光源在通過待測目標(biāo)邊緣時的衍射現(xiàn)象等原因，使得CCD輸出不會是理想的0/1信號，導(dǎo)致CCD輸出信號波形在輪廓邊緣處有一漸緩的過渡區(qū)，而且這一過渡區(qū)隨著輪廓在視場中位置的變化而變化，這一變化直接影響

17、捕捉真正代表物體邊緣的特征點，進(jìn)而影響測量精度。因此，如何從CCD的輸出信號中提取出真正代表物體邊緣的特征信息，是測量的難點所在。由于被測物體的邊緣是通光和擋光的交界點，理論上該處的光強(qiáng)變化率最大，該點就是濾波后的視頻信號電壓函數(shù)u=u(t)在過渡區(qū)內(nèi)的拐點，由高等數(shù)學(xué)的知識知道，在拐點處，電壓函數(shù)的一次微分為最大值，二次微分為零。電路便于尋找為零的點?；诖?，可設(shè)計微分法處理電路提取測量信號。圖3.3.1未放工件輸出信號 圖 3.3.2 放工件輸出信號 觀察CCD的輸出波形，發(fā)現(xiàn)原始信號上附加有許多細(xì)小的“毛刺”，為了準(zhǔn)確地從中提取出有用的信號成分，必須盡可能地抑制或消除各種噪聲干擾。歸納起

18、來主要有以下幾種方法：1）低通濾波法(LFS)2）雙斜率積分法(DSI)3）嵌位切除法(CCS)4）相關(guān)雙取樣(CDS) CCD的輸出信號幅值為2V3V，可以直接進(jìn)行信號處理，不需要放大環(huán)節(jié)。信號處理原理圖如圖3.3.3所示：圖 信號提取電路示意圖§3.3.1低通濾波器圖3.3.4二階有源低通濾波器的實用圖在對CCD輸出信號二值化之前要對噪音進(jìn)行抑制，主要抑制寬帶白噪聲。壓控電源低通濾波電路是由兩節(jié)RC濾波電路和同相比例放大電路組成，其中同相比例放大電路實際上就是壓控電源，同相比例放大電路的電壓增益就是低通濾波器的通帶電壓增益，即A0=AVF=1+Rb/Ra由圖可得電路的傳遞函數(shù)為：

19、（3-1）又因AVF=1+Rb/Ra(AVF為集成運(yùn)放壓控電源增益)，則有：（3-2）為二階低通濾波電路傳遞函數(shù)的典型表達(dá)式。其中wn2=1/R1R2C1C2為特征角頻率，而Q為等效品質(zhì)因數(shù)。為了求出二階有源低通濾波器的頻率響應(yīng)，可令s=jw，由此可求得幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)分別為：（3-3）§3.3.2相關(guān)雙采樣 CCD圖像傳感器的輸出信號是圖像采樣的離散模擬信號，無論是線陣還是面陣，其中夾雜著各種噪聲和干擾成分，極大地影響了CCD的成像質(zhì)量。CCD信號處理的目的就是在不損失圖像細(xì)節(jié)前提下盡可能消除噪聲的干擾，保證在其工作動態(tài)范圍內(nèi)，提高信噪比，取得高質(zhì)量的圖像，以便準(zhǔn)確地提取出各像元

20、中的信號成分。由于CCD器本身具有積分效應(yīng)，從而使得外部的噪聲被大大的消除，CCD輸出的視頻信號包含大量的噪聲，主要有光子散彈噪聲、暗電流噪聲、輸出放大器產(chǎn)生的復(fù)位噪聲。而器件本身的噪聲主要分為3類:散粒噪聲,暗電流噪聲和平移噪聲。消除的方法很多，主要采用的有低通濾波、相關(guān)采樣、微分取樣法、反射延遲法等，由于相關(guān)雙采樣電路具有抑制噪聲效果好，引入噪聲小，工作頻率高，電路簡單和易于集成化等優(yōu)點，適合高性能CCD信號處理。相關(guān)雙采樣法圖 3.3.5 相關(guān)雙采樣 實現(xiàn)相關(guān)雙采樣電路基本電路如圖3.3.5所示，在t1t2期間對復(fù)位電平進(jìn)行第一次采樣，C2電容保持的電壓為KTC噪聲、復(fù)位失調(diào)電壓與復(fù)位電

21、平的疊加。而第二次采樣在t3t4之間，C3電容保持的電壓為KTC噪聲、復(fù)位失調(diào)電壓和有用視頻信號的疊加。兩次采樣間隔為Tg。輸出信號為兩次采樣值進(jìn)行相減后所得的信號電壓。CCD輸出結(jié)構(gòu)圖如圖3.3.6所示：圖3.3.6 CCD 輸出結(jié)構(gòu)圖在每一個像元周期開始、信號電荷到達(dá)之前，復(fù)位脈沖到來使復(fù)位開關(guān)接通在存儲電容上CS復(fù)位一個復(fù)位電平，由于復(fù)位開關(guān)熱噪聲的影響，常使CS上的復(fù)平偏離這一理想位置，這段偏離量就是復(fù)位噪聲。當(dāng)信號電荷到來時，復(fù)位開關(guān)截信號電荷注入到已被復(fù)位的CS上使CS上電位降低V，這樣輸出緩沖放大器源極也變化。這一過程主要完成把CCD光電的信號電荷量轉(zhuǎn)換成以電壓形式輸出的視頻信復(fù)

22、位脈沖到來一次，CCD就輸出一個像元信號，所以在一個像元周期內(nèi)復(fù)位開關(guān)產(chǎn)復(fù)位噪聲也將保留到下一個像元周期開始，復(fù)位噪聲在復(fù)位電平和視頻電平期間在。復(fù)位電平與視頻電平之間差值V的大小與CCD光電信號電荷的大小成正比，是說CCD輸出的有用信號是V，采用相關(guān)雙采樣技術(shù)就是通過對復(fù)位電平與視頻分別進(jìn)行采樣，將兩個采樣信號通過一個差動電路得到V，這一過程就把與復(fù)位和視頻電平都相關(guān)的復(fù)位噪聲濾除了。相關(guān)雙采樣電路輸出信號及采樣時序如圖3.3.7所示。圖 3.3.7 相關(guān)雙采樣輸出信號及采樣時序在實驗中，我們采用TL1591型采樣/保持放大器來完成相關(guān)雙采樣功能，TL1591具有15MHz采樣速率，30ns

23、采集時間和25MHz工作帶寬等優(yōu)良性能。§3.3.3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(yùn)算電路時，把這兩個信號加到差分比例運(yùn)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(yùn)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。若將兩個輸入信號分別寫成下列兩個分離之和：（3-4）則可以看出兩個輸入信號

24、中第一個分量的數(shù)值和相位均相同，符合共模信號的定義第二個分量的數(shù)值相同而相位相反，符合差模信號的定義。因此這樣一對任意信號就可以表示為一對共模信號和一對差模信號之和。即（3-5）其中：Uic1為差分比例運(yùn)算電路的共模輸入電壓。Uid1為差分比例運(yùn)算電路的差模輸入電壓。因此差分電路的差模輸入電壓為： （3-6）差分比例運(yùn)算電路如圖3.3.8所示：圖 3.3.8 差分比例運(yùn)算電路差分比例運(yùn)算電路中若RF=Ri，則Uo=UCCD所以我們將Vs端接在差分比例運(yùn)算電路的正相輸入端，Cs接在差分比例運(yùn)算電路的反相輸入端，以保證CCD輸出信號為正向信號。§3.3.4微分電路圖3.3.9 基本微分電

25、路及微分電路的階躍響應(yīng)如圖3.3.9所示：微分電路的輸出電壓與輸入電壓成微分關(guān)系。對于基本微分電路，其輸入ui與輸出uo之間滿足關(guān)系： （3-7）表明，輸出幅度隨輸入頻率的增加而線性增加，因此該電路對高頻噪聲特別敏感，以致噪聲可能完全淹沒微分信號。其次，考慮基本微分電路的RC環(huán)節(jié)對反饋信號具有滯后作用，它和集成運(yùn)放內(nèi)部電路的滯后作用合在一起，在RC參數(shù)選擇不當(dāng)會引起自激振蕩。實用的微分電路如圖3.3.10所示，加一小電阻R6與微分電容C6串聯(lián)，提高電路抗干擾的能力。R7與C7并聯(lián)，起相位補(bǔ)償作用。R8與C8起阻抗匹配作用。該電路輸入ui與輸出uo之間滿足關(guān)系： （3-8）為了減小誤差，提高運(yùn)算

26、精度，同時電路能夠穩(wěn)定的工作，要求 R6選小點，R7選大點，并且滿足1/R6C6=1/R7C7關(guān)系為最佳。實際中選R6=50、C6=10nF、R7=50K、C7=10pF、R8=50、C8=10nF。圖3.3.10實用微分電路§3.3.5絕對值電路圖3.3.11絕對值處理電路如圖3.3.11所示絕對值電路，又稱全波整流電路。該電路的輸出電壓等于輸入電壓的絕對值，即uo=|ui|，故稱為絕對值電路。絕對值電路處理電路的工作原理：當(dāng)輸入電壓為負(fù)時，線性檢波電路不工作。此時，輸入電壓通過電阻R5，加到反相放大器的反相輸入端。取電阻R5=R8，則電路的放大倍數(shù)等于-1。因而在輸出端產(chǎn)生正的輸

27、出電壓。由于輸入電壓是正電壓，所以線性檢波器工作，此時a點的輸出電壓為-ui。一方面，正的輸入電壓ui在b點為+ui。另一方面，線性檢波器的輸出電壓-ui，通過電阻加到b點上。但是,電阻R4阻值比電阻R8小1/2。所以被供給兩倍的反相電流，使反相放大器產(chǎn)生正的輸出電壓。這樣就完成了全波整流。但是,上述絕對值放大電路工作原理的剖析，是在電阻R4與R8之比必須為1/2的情況下做出的。實際使用時，取R1=R2=R4=10K，R5=R7=20K，R3=R6=5K§3.3.6過零觸發(fā)電路 過零觸發(fā)電路，可將正弦波變換成無相位誤差的方波。另外，還可產(chǎn)生觸發(fā)脈沖。圖3.3.12 過零觸發(fā)電路 如圖

28、3.3.12所示，輸出電壓uo值由穩(wěn)壓二極管的齊鈉電壓所決定。如果采用05Z5.6A型穩(wěn)壓二極管，該二極管的齊鈉電壓約為6.3V，如果采用02BN2.7型穩(wěn)壓二極管，該二極管的齊鈉電壓約為3.5V，所選穩(wěn)壓二極管型號不同，輸出電壓不同。 §3.4計算機(jī)軟硬件系統(tǒng)設(shè)計1）圖像坐標(biāo)系攝像機(jī)采集的數(shù)字圖像在計算機(jī)內(nèi)可以存儲為數(shù)組，數(shù)組中的每一個元素(象素，pixel)的值即是圖像點的亮度(灰度)。如圖3.3所示，在圖像上定義直角坐標(biāo)系u-v，每一象素的坐標(biāo)(u,v)分別是該象素在數(shù)組中的列數(shù)和行數(shù)。故(u,v)是以象素為單位的圖像坐標(biāo)系坐標(biāo)。圖3.4.12）攝其中s'表示因攝像機(jī)成

29、像平面坐標(biāo)軸相互不正交引出的傾斜因子。像機(jī)坐標(biāo)系攝像機(jī)成像幾何關(guān)系可由圖3.4.1表示，其中O點稱為攝像機(jī)光心，軸和軸與成像平面坐標(biāo)系的x軸和y軸平行，軸為攝像機(jī)的光軸，和圖像平面垂直。光軸與圖像平面的交點為圖像主點O'，由點O與軸組成的直角坐標(biāo)系稱為攝像機(jī)坐標(biāo)系。OO'為攝像機(jī)焦距。圖 3.4.23) 測量系統(tǒng)攝像機(jī)參數(shù)的確定在測量系統(tǒng)中，由于無論鋼板厚度如何變化，鋼板始終和激光面有條交線，即鋼板厚度方向。與z軸方向無關(guān)，因此使用平面標(biāo)定將標(biāo)定板放在激光面上，以垂直于標(biāo)定板的方向為z軸，以平行和垂直于鋼板寬度的方向在標(biāo)定板上建立平面直角坐標(biāo)系。選取圓的中心為標(biāo)定點兩個相鄰圓心

30、之間的距離是1mm，根據(jù)選取的坐標(biāo)系。這些標(biāo)定點在激光面上的位置是已知的，通過獲取其對應(yīng)的圖像坐標(biāo)確定攝像機(jī)的12個內(nèi)外參數(shù)從而完成標(biāo)定工作。由一組已知的世界坐標(biāo)系的點以及對應(yīng)在圖像坐標(biāo)系的點可以確定兩個方程。因此，要確定攝像機(jī)的內(nèi)外參數(shù)，需至少知道6組這樣的點而所采用的靶標(biāo)可以提供充足的特征點利用最小二乘法確定各個攝像機(jī)的內(nèi)外參數(shù)。利用圖像坐標(biāo)與世界坐標(biāo)之間存在的關(guān)系。由應(yīng)用光學(xué)理論可知，在完全理想的情況下，圖像坐標(biāo)(x，y)和世界坐標(biāo)(X，Y，Z)(假設(shè)Z=O)應(yīng)是比例關(guān)系。然而由于存在畸變，以及CCD攝像機(jī)安裝的誤差(與光軸不垂直)使這一比例關(guān)系發(fā)生改變，而導(dǎo)致它們存在非線性關(guān)系。這一對

31、應(yīng)關(guān)系根據(jù)精度要求的不同可采用不同的模型描述，根據(jù)問題的實際情況用二元二次多項式簡化模型就可精確描述建立的數(shù)學(xué)模型如下：式中，是12個待定參數(shù)。需要6組已知的點，為了精確，這里采用更多的點，用最小二乘法確定這12個參數(shù)。 （式3.3）將式3.3寫成矩陣形式： (式3.4) 則根據(jù)最小二乘法可以得到： （式3.5）實驗中選取25個點，應(yīng)用灰度重心法提取標(biāo)定點圖像的坐標(biāo)，利用公式3.5用Matlab編程可得到12個參數(shù)，得到相機(jī)轉(zhuǎn)換矩陣，便可實現(xiàn)圖像坐標(biāo)與實際坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換。 第四章 精度分析 §4.1電路對測量精度的影響 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，

32、下面主要介紹零點漂移現(xiàn)象及其產(chǎn)生的原因 1、什么是零點漂移現(xiàn)象：uI0，uO0的現(xiàn)象。2.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度敏感是主要原因，故也稱零漂為溫漂。3.克服溫漂的方法：引入直流負(fù)反饋，溫度補(bǔ)償。典型電路：差分放大電路 §4.2誤差分析產(chǎn)生誤差的原因較多，有些是可以采取一定方法避免或減小的，有些則是在設(shè)計中固有的或是客觀環(huán)境中存在的，是不可避免的?？傮w來說可以分為實驗條件產(chǎn)生誤差，系統(tǒng)硬件產(chǎn)生誤差以及軟件算法引起誤差等。(1)實驗條件引起誤差主要是由于在實驗室無法創(chuàng)造與工業(yè)現(xiàn)場完全相同的條件。實驗室無法模擬軋鋼現(xiàn)場溫度、灰塵、電機(jī)震動等各種復(fù)雜

33、因素，實驗環(huán)境要理想許多；電爐加熱溫度不能完全達(dá)到工業(yè)現(xiàn)場鋼板溫度；實驗測量相機(jī)高度及鏡頭選擇與軋鋼現(xiàn)場選擇不同。同時人工測量的是冷卻后鋼板寬度作為標(biāo)度，但CCD采集的是熾熱鋼板寬度，由于熱脹冷縮，這也會引起試驗誤差。(2)系統(tǒng)硬件引發(fā)誤差理想狀況下CCD應(yīng)該固定在與測量鋼板垂直的正上方，但在實驗時CCD相機(jī)位置固定時容易發(fā)生晃動，使成像大小發(fā)生變化，從而影響本系統(tǒng)的測量精度。CCD像元尺寸也是影響測量精度的一個因素，主要表現(xiàn)在邊緣檢測時，像元尺寸越小，檢測精度越高。另外實驗時兩塊擋板平行才能模擬鋼板，但人為因素造成擺放擋板不能絕對平行，這一點可以通過測量擋板間多點間距求平均值作為實際測量值來

34、修正。(3)軟件算法引起的誤差雖然在系統(tǒng)設(shè)計時考慮到采用硬件電路對信號進(jìn)行處理會引入更多誤差，但是每一種軟件算法都有其自身的局限性。本系統(tǒng)使用單片機(jī)作為微處理器，單片機(jī)計算速度比較慢，片上資源有限，這些都制約了我們軟件算法設(shè)計時，只能選擇實現(xiàn)簡單，耗時少的濾波及二值化算法，這些算法固有的局限性都會使最終計算結(jié)果產(chǎn)生誤差。 設(shè)計過程中的誤差分配指定一個合理的誤差量（根據(jù)儀器設(shè)計精度）分配給上述電器產(chǎn)生的隨機(jī)誤差項，特別是分配給光源，以便獲得光源的選擇參數(shù)和穩(wěn)定性參數(shù)，同時可以適當(dāng)?shù)胤峙浣oCCD傳感器，電路，數(shù)據(jù)采集等環(huán)節(jié)。（1）光源不穩(wěn)定引起的誤差（2）CCD感光單元靈敏度不均勻誤差（3）單片機(jī)

35、硬件計數(shù)存在誤差（4）環(huán)境造成的影響 由分析可以得到如下系統(tǒng)誤差：1）光源發(fā)散角引起的誤差ll，2）成像鏡頭引起的誤差es，3）被測工件傾斜引起的系統(tǒng)測量誤差mt，4）被測工件不均勻性引起的誤差mm。（1）光源發(fā)散角引起的誤差（2）成像鏡頭引起的誤差（3）被測工件傾斜引起的系統(tǒng)測量誤差（4）被測工件不均勻性引起的誤差 儀器的總誤差來源為： 第五章 總結(jié) 在這次課程設(shè)計的過程中，我們每個人的著重點不一樣，從查閱資料到選材料再到做成要求的格式，然后不斷修改使其看起來更有邏輯性和條理性，我們每個人都遇到了大大小小的困難，但這更促進(jìn)了我們之間的交流，也深深體會到了這次課程設(shè)計的意義。鋼板尺寸在線檢測系統(tǒng)研究對于在軋鋼現(xiàn)場實現(xiàn)