高精度薄膜寬度檢測裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

高精度薄膜寬度檢測裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在塑料薄膜生產(chǎn)線上，由于薄膜始終處于移動狀態(tài)，很難立即測量在線寬度的變化。在過去，通常只測量長度，測量寬度的測量或手動檢查，或調(diào)整模型的寬度控制裝置，以便不檢測所謂的開環(huán)控制模式。以前的開放式自動測量方法不僅勞動強(qiáng)度高，而且信息反映緩慢。最終產(chǎn)品的寬度或存在一些誤差，或損壞，這直接影響到薄膜的質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益。開發(fā)一種通用的薄膜在線自動寬度測量設(shè)備尤為重要。薄膜寬度作為一項(xiàng)重要的技術(shù)指標(biāo),必須對其進(jìn)行測量和監(jiān)控,才能保證成品的合格率.CCD尺寸測量技術(shù)作為一種高效的非接觸檢測方法,由于工作穩(wěn)定、精度高、信息處理方便,廣泛應(yīng)用于工件尺寸的在線檢測.本文基于高精度的線陣CCD作為光電傳感器,對光源照明、成像光路及相應(yīng)的實(shí)時(shí)信息處理等關(guān)鍵技術(shù)加以研究,使高精度薄膜寬度的在線檢測得以實(shí)現(xiàn).1薄膜的成像及視頻信號解析線陣CCD測寬和直徑測量都屬于應(yīng)用CCD進(jìn)行的尺寸測量,其測量原理也較為相似,光源發(fā)出的光通過準(zhǔn)直透鏡經(jīng)準(zhǔn)直后為具有一定光強(qiáng)的近似平行光.當(dāng)被測薄膜被均勻照明后通過成像物鏡在線陣CCD的光敏面上成像,光敏區(qū)在光的作用下產(chǎn)生電荷存儲于光敏MOS電容勢阱.當(dāng)轉(zhuǎn)移脈沖到來時(shí),線陣光敏陣列勢阱中的信號電荷并行轉(zhuǎn)移到線陣CCD移位寄存器中,在時(shí)鐘脈沖的作用下一個(gè)像元接一個(gè)像元被移出器件,最后經(jīng)輸出電路將電荷轉(zhuǎn)化成電壓量輸出,這樣就得到薄膜的視頻信號.整個(gè)系統(tǒng)示意圖如圖1所示.2關(guān)于系統(tǒng)研究成果2.1基于反饋控制的激光器根據(jù)薄膜測寬系統(tǒng)的要求,光源應(yīng)該具有照度均勻,平行性好及與CCD光譜響應(yīng)匹配的特點(diǎn).滿足照度均勻要求的光源有LED線光源,光纖線光源等,但是這種光源的發(fā)光平行性不是很理想,而且價(jià)格較為昂貴.采用了紅色半導(dǎo)體激光器,經(jīng)過柱面鏡拉伸,成為一字型激光器,經(jīng)過準(zhǔn)直物鏡準(zhǔn)直,光源無論從照度、穩(wěn)定性和方向性上均滿足需要,而且性價(jià)比高,還具有啟動電壓低、高功率、響應(yīng)快、壽命長等優(yōu)點(diǎn).這里采用了一種基于反饋控制的激光器自動功率穩(wěn)定電路,保證了激光器的發(fā)光功率穩(wěn)定,整個(gè)光源結(jié)構(gòu)緊湊.2.2物方遠(yuǎn)心物鏡消除測量誤差的作用在薄膜生產(chǎn)線上,薄膜在壓制過程中的擺動是系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的主要原因之一.如果采用一般的成像光路,由于薄膜抖動,使得成像物距常發(fā)生變化,從而使成像大小發(fā)生變化,所以測得的薄膜尺寸也發(fā)生變化,即產(chǎn)生了測量誤差.因此,系統(tǒng)采用物方遠(yuǎn)心物鏡可以消除物距變化帶來的測量誤差.物方遠(yuǎn)心光路是將孔徑光闌放置在光學(xué)系統(tǒng)的像方焦平面上,當(dāng)孔徑光闌放在像方焦平面上時(shí),即使物距發(fā)生改變,像距也發(fā)生改變,但像高并沒有發(fā)生改變,即測得的物體尺寸不會變化(對應(yīng)于CCD光敏面上彌散斑的中心間距).物距改變并不影響測量精度,采用物方遠(yuǎn)心光路可以滿足系統(tǒng)的測量精度要求.2.3動閾值動閾值法CCD輸出的視頻信號,其中每一個(gè)離散的信號正比于CCD上一個(gè)光敏單元接收光強(qiáng)的強(qiáng)弱,信號輸出的時(shí)序與光敏元位置對應(yīng).此時(shí),對于線陣CCD的兩路信號OS、DOS,分別代表著有效像元輸出信號和暗像元輸出信號,經(jīng)過差分放大電路,得到合適幅值的視頻輸出信號,由于信號中存在著復(fù)位噪聲、固定模式噪聲、線傳輸噪聲以及受光電響應(yīng)非均勻性的影響等,必須對信號進(jìn)行濾波處理,采用兩個(gè)二階巴特沃思低通濾波器,濾除噪音影響,得到“干凈”的模擬視頻輸出信號.這時(shí)對于信號處理有以下幾種方法:①采用高速A/D轉(zhuǎn)換器對信號進(jìn)行實(shí)時(shí)采集,轉(zhuǎn)換數(shù)字信號輸入緩存,等待MPU或直接輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理;②采用固定閾值法,用一定幅值的閾值電平與視頻信號進(jìn)行比較,形成具有一定寬度的二值化的脈沖信號,該脈沖的寬度就對應(yīng)被測薄膜陰影圖像的寬度;③采用浮動閾值法,將背景光強(qiáng)變化信息作為閾值調(diào)整的反饋輸入,實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)閾值適應(yīng)變化;④微分法,利用圖像處理中邊緣二階微分過零的特點(diǎn),對視頻信號進(jìn)行二次微分,后面加過零觸發(fā)電路,從而檢出兩個(gè)邊緣點(diǎn)的位置.這幾種方法各有所長,對于方法①,后續(xù)數(shù)字信號處理可以通過亞像素提取的方法進(jìn)一步提高精度,但系統(tǒng)龐大,造價(jià)比較昂貴.方法③適用于光源不穩(wěn)定的情況,電路實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜,方法④特別容易受到噪聲的影響,檢出很多偽邊緣,造成誤觸發(fā).從薄膜測寬系統(tǒng)信號特點(diǎn)、系統(tǒng)精度要求及結(jié)構(gòu)緊湊性、易實(shí)現(xiàn)角度來看,我們選擇了方法②,即用固定閾值法實(shí)現(xiàn)寬度檢測.將CCD輸出的視頻信號送入電壓比較器的同相輸入端,比較器的反向輸入端加上可調(diào)的電平就構(gòu)成了固定閾值二值化電路.當(dāng)CCD視頻信號的幅度稍稍大于閾值電壓(電壓比較器反向輸入端的電位)時(shí),電壓比較器輸出為高電平;CCD視頻信號小于等于閾值電壓時(shí),電壓比較器輸出為低電平.CCD視頻信號經(jīng)電壓比較器后輸出的是二值化方波信號.調(diào)節(jié)閾值電壓,方波脈沖的前、后沿將發(fā)生移動,脈沖的寬度發(fā)生變化.當(dāng)CCD的視頻信號輸出含有被測薄膜寬度的信息時(shí),可以通過適當(dāng)調(diào)節(jié)閾值獲得方波脈沖寬度與被測薄膜寬度的精確關(guān)系.為了減小噪聲對閾值電平切割的影響,我們采用了圖2的遲滯比較電路,這里采用微遲滯,即遲滯電平很小.閾值電平與視頻信號進(jìn)行比較后,形成具有一定寬度的二值化高電平的脈沖信號,該脈沖的寬度就對應(yīng)被測薄膜成像的寬度.對脈沖寬度的精確檢出直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的精度.以往的方法是利用單片機(jī)中的計(jì)數(shù)器資源,進(jìn)行單片機(jī)的時(shí)鐘計(jì)數(shù),從而獲取脈沖寬度.或者利用8253、8254等專用計(jì)數(shù)器芯片.這樣作受到芯片自身頻率和資源的限制,精度不高.在系統(tǒng)中采用了Altera公司的EPM7128,利用CPLD的可編程特點(diǎn),利用高精度高速晶振作為基準(zhǔn)時(shí)鐘,通過16位高速計(jì)數(shù)器,分別鎖存比較輸出脈沖的上升、下降沿的計(jì)數(shù)值,鎖存完畢,產(chǎn)生中斷信號,輸入后續(xù)處理系統(tǒng)進(jìn)行信息處理.由于CPLD的柔性編程特點(diǎn),使系統(tǒng)便于升級,而且利用片內(nèi)的剩余資源完成鍵盤、顯示接口的擴(kuò)展,使得電路體積小,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)十分精簡.CPLD電路系統(tǒng)的框圖如圖3所示.薄膜的像所占光敏元的個(gè)數(shù)與薄膜的寬度成正比,所以根據(jù)成像物鏡放大的倍數(shù)就可測得薄膜寬度的實(shí)際尺寸,式中n為薄膜寬度成像的所占脈沖個(gè)數(shù),D′為薄膜像的尺寸,β則為成像物鏡的放大率,M為脈沖當(dāng)量,所以被測薄膜的尺寸:D=D′β=nMβD=D′β=nΜβ.CPLD后續(xù)系統(tǒng)與單片機(jī)或者時(shí)計(jì)算機(jī)結(jié)合,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、顯示、打印和報(bào)警等功能.3薄膜測寬系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)被測薄膜寬度在10~50mm之間,測量精度要求為0.1mm.我們對10mm、25mm寬的薄膜樣本進(jìn)行測量,通過讀數(shù)顯微鏡靜態(tài)測量的薄膜寬度10.120和25.110mm作為真值,利用本系統(tǒng)對其進(jìn)行10次以上的測量,測量均值分別為:10.129mm和25.122mm,標(biāo)準(zhǔn)差分別0.009mm和0.012mm、,重復(fù)性精度小于0.013mm,整個(gè)系統(tǒng)測量精度可達(dá)±0.015mm,完全滿足測寬系統(tǒng)的精度要求.對于標(biāo)稱為50mm的薄膜,由于成像非線性的影響,測得系統(tǒng)精度為±0.03mm,但仍然滿足系統(tǒng)需要.本文從線陣CCD用于尺寸測量原理入手,利用高分辨率線陣CCD作為光電傳感元件,分析了光源照明、光學(xué)成像以及信息處理等薄膜測寬系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù).針對薄膜在線測量的特點(diǎn),提出了相應(yīng)的解決措施.通過實(shí)驗(yàn),設(shè)計(jì)方案完