光电细丝直径测量.docx
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光电细丝直径测量
西安工业大学北方信息工程学院
课程设计（论文）
题目：
细丝直径测试仪
系别：
光电信息系
专业：
测控技术与仪器
班级：
B110102
学生：
董博
学号：
B11010203
任课教师：
吴玲玲
2021年10月
基于CCD测量细铜丝直径系统设计
摘要
近年来，随着新型光电器件的不断涌现、单片机数据处理能力的提高和生产全面质量管理的要求，非接触式智能化仪器将逐步取代传统上的机械测量仪器本文设计了一套基于线阵CCD的非接触直径测量仪器，该装置可以对φ～φ30mm的工件进行测量，测量精度为±5μm。
本文论述了CCD光电尺寸测量装置的根本原理，分析了光学系统各局部的形式，采用柯拉照明和远心光路成像，以保证成像质量和测量精度。
用微分法提取被测工的边缘信息，详细论述了信号处理电路中的各个模块的实现方法，并将微分法处理电路和单片机控制系统作为重点。
同时还给出了CCD测量直径系统的控制程序流程图及局部程序。
通过实验得到测量结果，对几个重要参数进行了分析，最后就影响系统测量精度的几种主要误差进行了讨论，给出消除误差的方法，以便到达更高的测量精度。
关键字：
线阵CCD直径测量远心光路微分法MSP430
ABSTRACT
Inrecentyears,alongwithnewoptoelectronicdevicesflowingoutcontinuously、thecapacityofMCUdataprocessingimproving,andtherequirementsofoverallproductionqualitymanagement,non-contactIntelligentmachineswillreplacethetraditionalmechanicalinstrumentsgradually.Inthispaper,Idesignedasetofportablenon-contactmeasurementinstrumentsbasedonlineararrayCCD,whichcanmeasuretheworkpiecefromφtoφ30mm,withmeasurementprecision±5μm.Inthispaper,IdiscussedthebasicprincipleofCCDphotoelectricmeasurementdevices,analyzedtheformofpartsofopticalsystem,adoptKohlerilluminationandtelecentricbeampathdesigninordertoensureimagequalityandaccuracy.Adoptingdifferentialtheoryextractededgeinformationofmeasuredworkpiece,anddiscussedthesignalprocessingcircuitintherealizationofthevariousmodulesindetail,andmadethedifferentialprocessingcircuitryandsingle-chipcontrolsystemasemphases,atthesametimeIgavecontrolprogramflowchartofCCDdiametermeasurementsystemandrelatedpartsproceduresofit.Throughexperimentalmeasurementresults,Ianalyzedseveralimportantparameters,discussedseveralmajorerrorswhichinfluencestheaccuracyofsystemintheend,gavethemethodofeliminationoferrors,inordertoachievehighermeasurementaccuracy.
KeyWords:
LineararrayCCDDiametermeasurement
TelecentricopticalpathDifferentialtheoryMSP43
1绪论
1.1前言
光电自动检测技术在工业自动化生产中有着极其广泛和重要的用途。
然而，目前产品零件尺寸的检测大多数是人工测量的接触式和静止测量，所以检测速度低，生产效率低，劳动强度大，远远跟不上目前自动化生产的需要。
尤其在全面质量管理过程中，更需要先进的、智能的检测手段。
目前，国内外常采用激光扫描光电线径测量[1～5]，但是这种方法受电机的温度及振动的影响，扫描恒速度的限制，会产生高温使其降低寿命。
我们研制的基于线阵CCD便携式非接触直径测量仪器正是适应当前社会自动化生产的急需而设计的，该测径仪是一种光、机、电一体化的产品。
尤其适用于电缆、电线、玻璃管、轴类零件的外径测量，对保证产品质量，降低原材料消耗，降低生产本钱，提高劳动生产率有着重大的经济效益和社会意义
对各种细丝直径的测量常常关系到工业产品的级别，如钟表中的游丝、光导纤维、化学纤维、各种细线、电阻丝、集成电路引线以及种类仪器、标尺的刻线等。
传统的测量方法多数为接触法，其它的有电阻法、称重法。
也有采用光学方法的，如光学显微镜法、干预法、扫描法、投影放大法、比拟法等。
然而，大多检测方法检测速度低，生产效率低，劳动强度大，远远跟不上目前自动化生产的需要。
尤其在全面质量管理过程中，更需要先进的、智能的检测手段。
目前，国内外常采用激光扫描光电线径测量，但是但激光衍射细丝测量法比拟适合于静态的高精度测量,当用于动态测量时会由于被测丝的晃动导致衍射条纹快速移动而失准,也难以快速得到测量结果,同时还具有结构复杂、格昂贵等缺点,不太适于现场快速测量细丝直径。
基于CCD技术的快速开展及后续处理算法的日益真实有效故CCD在现代自动化生产中扮演者越来越重要的作用。
为满足大工业化生产线阵CCD测径仪便应运而生，该测径仪是一种光、机、电、算于一体的产品。
尤其适用于电缆、电线、玻璃管、轴类零件的外径测量，对保证产品质量，降低原材料消耗，降低生产本钱，提高劳动生产率有着重大的经济效益和社会意义。
1.2基于CCD测径仪的开展现状国外开展现状
社会的进步重要表达就是科技的进步，科技进步主要表达使用劳开工具的进步。
从18世纪工业革命以来，科学技术以前所未有的速度在突飞猛进的开展，特别是近50年来，随着现代化生产和加工技术的开展，对于加工零件的检测速度与精度有了更高的要求，向着高速度、高精度、非接触和在线检测方向开展。
为此，工业兴旺国家对于检测仪器与设备速度与精度一直作为检测仪器的主要指标。
CCD测径仪特别适用于电缆、电线的在线自动检测，对保证产品的质量，降低原材料消耗，降低生产本钱，提高劳动生产率有着十分重要的意义，所以各国政府都很重视对测径仪的研究。
英国BetaAS3系列全新的激光测径仪：
LD1040-S（单向直径测量仪）、LD1040XY-S（双向直径测量仪），精度：
μm，测量范围最广，单向测径仪最大可测直径达，双向测径仪最大可测直径值达100mm，测量精度最高，最高测量精度可达μm，是目前同类产品中的最高的测量精度。
日本生产的LS-7000系列高速、高精度CCD测量仪器，如：
LS-7030M〔配备测量摄影机〕测量范围：
～30mm，测量精度：
±2μm，重复性精度：
±μm。
LS-7010M〔配备测量摄影机〕测量范围：
～6mm，测量精度：
。
1.3国内开展现状
国内由于自身的工业加工水平有限、测量原理的不完善和结构搭理欠合理，所以，国内生产的测径仪测量精度没有国外的精确，河北省激光研究所光电检测控制室生产的JCJ-1激光测径仪，是专为玻璃管生产线上玻璃管外径的测量、控制、分选而设计的集激光、精密机械、计算机于一体的智能化精密仪器。
通过激光光束高速〔200次/秒〕扫描被测玻璃管，计算机实时采样处理，实现玻璃管直径在线非接触检测、控制，测量范围：
～60mm，测量精度：
±。
广州一思通电子仪器厂生产的ETD-05系列激光测径仪，测量范围：
～30mm，测量精度：
±2μm，ETD-05系列激光测径仪是一种基于激光扫描测量原理而设计的高精度非接触式的外径测量设备，仪器采用二维测量模式，有效消除工件振动造成的测量误差，特别适合生产现场的实时测量，适用于通信电缆、光缆、同轴电缆、漆包线、PVC管、铜管、纤维线等圆形线材的在线检测，也可用于其它各种圆形工件的外径测量。
南京亿佰泰科技生产的TLSM100激光扫描测微仪，测量范围：
～30mm，测量精度：
±3μm，是一种高精度、非接触的尺寸测量仪器。
它通过激光束的扫描获得被测目标的尺寸，广泛用于测量热的、软的、易碎的以及其它传统方法不易测量的物体，而且很适合生产中的在线测量或者线材、棒材、管材、机械和电子元件以及其它生产过程的监控。
TLSM100的自动方式适用于连续的测量；手动方式适合单次测量。
它可以设置上下偏差、峰值限制，当超限后做相应的报警；还可以计算最大值、最小值、平均值。
例如：
可以测量旋转圆柱体的最大值、最小值，辊子的偏差。
我们研制的基于线阵CCD
测径仪测量范围：
～30mm，测量精度：
±5μm，适用于对被测工件进行静态测量，也适用于生产现场的实时测量。
1.4论文的主要内容
〔1〕深入了解CCD，尤其是在线阵CCD结构与工作原理的根底上，选择合理的线阵CCD，设计出合理的测量直径系统。
对整个光电测量装置进行系统分析，包括CCD所构成的测量直径系统的根本原理和输出信号处理电路。
〔2〕在进行光电测量装置设计时，对光学系统进行了详细分析，并用ZEMAX软件设计柯拉照明系统中的集光镜、聚光镜和成像物镜。
〔3〕提出线阵CCD测量方案：
基于单片机的硬件测量法。
单片机的硬件测量法是从CCD出来的电信号经前置放大，滤波电路进行二值化处理，然后送入单片机，在经单片机处理后送入LED显示。
〔4〕设计实验分别对几组直径应用上述方法进行测量，对测量结果进行比拟、分析，同时对产生测量误差的主要原因给予分析
2测量原理和方案论证
2.1利用衍射法测量细铜丝直径
我们选择了最简单的一种模型，它是常规的夫琅和费衍射。
即把金属丝当成一个平面的狭缝,其工作情况如图2-2所示。
光源发出的平行光束垂直照射在单缝（金属丝）上.根据惠更斯-菲涅耳原理,单缝上每一点都可以看成是向各个方向发射球面子波的新波源,子波在接收屏上叠加形成一组平行于单缝的明暗相间的条纹.和单缝平面垂直的衍射光束会聚于屏上x=0处,是中央亮条纹的中心,其光强为I0;与光轴成θ角的衍射光束会聚于x=x（θ）处,θ为衍射角,由惠更斯-菲涅耳原理可得光强分布
为式中D为缝宽θ=0时,I=I0sinθ=kλ/D时,其中k=±1,±2,…,I=0θ很小,故sinθ≈θ,所以近似认为暗条纹出现在θ=kλ/DΔθ=2λ/D,其他任意两条相邻暗条纹之间夹角Δθ=λ/D,即暗条纹以x=0处为中心.当使用激光器作光源时,由于激光的准直性,可将透镜L1去掉.如果接收屏远离金属丝（z>>Dtgθ=x/z,且tgθ≈sinθ,那么各级暗条纹衍射角应为
〔2-2〕
由此可以求得金属丝直径为
〔2-3〕
式中k是暗条纹级数;z为金属丝与测量平面间的距离;XK为第k级暗条纹距中央主极大的距离。
2.2利用分光法测量细铜丝直径
发光管D1发出的红外光经分光镜分成两路:
测量光路和参考光路。
测量光和参考光分别照射到两只相同型号的光电接收管T1、T2上。
D1为中心频率880nm的进口红外发光管;T1、T2为高一致性、线性度的进口光电三极管;截止波长为850nm的低通滤波片可有效地消除可见光干扰
在测量光和参考光的照射下,T1和T2的输出电压分别为V1和V2,在测量光路中没有被测细丝时,V1=V2,此时V1、V2的差动电压值Vi=0.当测量光路有被测细丝时,细丝在T1的检测窗口上产生一个宽度为细丝直径d,高度为检测窗口高度h的投射阴影,导致V1发生变化,变化量ΔV1与投射阴影面积d・h成正比;由于在电路中采用了负反响自动光
强调整技术,使发光管发射的光强稳定不变,此时V2保持恒定值不变;以V2作基准,V1、V2的差动电压值Vi=ΔV1,将Vi放大即可得到与被测细丝直径成线性关系的电压信号,到达测量细丝直径的目的。
2.3线阵CCD测量直径系统测细铜丝直径
被测工件被均匀照明后，经光学成像系统按一定倍率成像于线阵CCD传感器上，基于线阵CCD测量直径系统原理图如图2-5所示:
那么在CCD传感器光敏面上形成了被测工件的影像，这个影像反映了被测工件的直径尺寸，两者之间的关系由高斯公式表示为：
（2-4）
其中：
l-----物距l′----像距f′---像方焦距β----光学系统的放大率d----被测工件的直径大小d′---被测工件直径在CCD上影像大小
知道物距、像距并测出工件影像d′的大小，即可求出被测工件的尺寸。
CCD器件把光敏元上工件影像的光学信息转换成与光强成正比的电荷量。
存储于MOS电容中，用一定频率的时钟脉冲对CCD进行驱动，那么电荷定向转移到输出端。
视频信号中每一个离散电压信号的大小对应着该光敏元所接收光强的强弱，而信号输出的时序那么对应CCD光敏元位置的顺序。
最终，被测工件的影像大小反映在CCD输出信号中变为输出信号电压的上下，即在CCD中间被影像遮挡局部的光敏元输出电压低，两侧未被遮挡的光敏元输出电压高。
CCD的输出信号如图2-6所示
最终由CCD实现按空间域分布的光学图像信息向按时间域分布的电压信号转化，该输出电压信号经过信号处理后，可得到表示d′大小的脉冲信号，脉冲信号送入单片机中，测出脉冲宽度，进而可求出被测工件的大小。
即用CCD复位脉冲〔对应CCD的光敏元〕可求出尺寸的大小。
假设：
δ为脉冲当量〔CCD脉冲〕，N为CCD器件像数，N1，N2为光照局部的光敏信号输出脉冲数，β为光学系统的放大倍数，那么被测工件直径[7～9][12]为：
〔2-5〕
本设计中δ=7μm；N=5000；β=1，所以实际上被测工件直径尺寸为：
〔2-6〕
由于被测工件的边缘是通光和挡光的交界点，理论上该处的光强变化率最大，该点就是滤波后的视频信号电压函数v=v（t）在过渡区内的拐点，由高等数学知识知道，在拐点处，电压函数的一次微分为最大值，二次微分为零。
基于以上原理，在测量系统中对CCD输出信号采用微分法处理，便于寻找被测工件的边缘[10～11]。
微分法的波形图如图2-7所示：
2.4成像系统
成像系统采用物方远心光路[10]。
在光电检测中,常常在生产线上对工件进行动态测量或在实验室中进行静态测量，如测量钢丝直径、玻璃管直径或轴类零件等，为了提高测量精度，常采用远心光路和柯拉照明一起配合使用。
对物体（工件）大小的测量,一般是将物体按一定倍率要求，经光学系统成像在CCD的接收面上，然后对CCD输出信号进行测量。
按照此种方法进行物体线性尺寸测量时，光电器件与物镜之间的距离应保持不变，其测量精度在很大程度上取决于像平面与光电器件接收面的重合程度。
由于在测量过程中，工件常常会沿光轴方向有所移动，使像平面与光电接收面不可能真正重合，因而产生了测量误差如图2.8所示。
图2.8中B1B2为被测物体；B1′B2′表示被测物体像的大小；M1M2为光电器件接收面，由于B1′B2′与M1M2二者不重合，使像点B1′B2′在M1M2上形成弥散班，在CCD器件接收面上，实际测量像的大小为M1M2，显然它与实际的像长B1′B2′是不同的。
这就使测量产生了很大的测量误差。
为了消除这种误差，可以通过控制主光线的方向来到达，我们在设计成像物镜时选择了远心光路，如图2.9所示：
2.5设计方案的论证与选择采用
光学衍射法测量细铜丝直径在理论上已经很成熟，但实际应用中存在一定困难，特别是在测量精度提高时，其中的关键困难在于：
当光经衍射后产生的衍射图样微弱，信号的信噪比比拟低，还由于衍射图样的锐度不大，条纹位置不明显，给测量带来很大困难。
特别是在实时动态测量过程中，造成测量结果不稳定，重复性差。
而且本次测量的细丝直径为1mm，在这个直径下不能形成明显的衍射条纹，即衍射法在原理上存在缺乏。
分光法在测量实质上是干预法测量但也有缺乏：
1、如果细丝有垂直于测量光方向的晃动,且晃动的幅度使投射阴影超出检测窗口之外,将会改变阴影面积进而产生较大的测量误差；2、光照在细丝上会产生微弱的衍射效应,衍射会导致线性度变差；3、环境光扰动会降低信噪比,影响测量精度；4、光电三极管对温度有一定的敏感性,会随温度的变化而产生灵敏度的变化；5、分光法也不适合于与计算机的连接以及后续图像采集与处理保存。
以上缺乏使得反光法对现代化自动化生产有一定的局限，但分光法在原理上不存在任何问题。
与同类测量系统比拟，CCD细丝直径测量系统具有测量速度快，测量精度高，抗干扰能力强等优良特点，是一种非接触式的测量系统，属无损伤测量，不影响加工系统正常运行，非常适合于生产线上尺寸的测量。
该设计方案集成化程度高，可与计算机相联，可进行测量数据的集中采集和分析，以便进行质量分析和统计，并在生产过程中出现质量问题时进行报警提示，便于控制和自动化生产。
综合上述分析及我们小组的讨论研究，我们决定采用CCD细丝直径测试仪的设计方案。
3系统设计
整体系统设计
测量完整框图如图3－1所示。
He-Ne激光器发出的激光经反射镜M1、扩束系统M2后形成均匀的测量光，测量光经空间滤波器消除杂散光后入射被测量细丝，经光学系统在探测（CCD）上形成衍射条纹。
CCD将衍射图样转换为电信号经信号调整电路处理后进入计算机，处理采集到的信号，求得衍射图样中暗点的分布尺寸。
为保证测量精度，消除细丝抖动带来的误差，CCD的驱动电路要保证CCD的积分时间足够短。
光学系统设计
光源
光源照明
成像光学系统
机械系统设计
.1机械设计的原理和要求
3.3.2机械设计的保险装置
机械设计的稳定性
电路系统设计
.1低通滤波器
3.4.2相关双采样
.3差分放大电路
数字图像处理及报警系统设计
.1系统组成
3.5.2块方向的选取
.3单位标定
细丝直径的获取
直径的测量
4实验结果及影响测量精度的主要因素分析
光学系统对测量精度的影响分析
影响测量精度的因素及对策
1.衍射
光照在细丝上会产生衍射效应,衍射会导致线性度变差。
试验证明:
在20um以上,线性度是比拟好的;在20um以下线性度较差,但Vi与d的正相关关系没有改变,此时应采用值运算拟合法来提高精度。
2.环境光扰动
环境光扰动会降低信噪比,影响测量精度。
在使用了滤波片后已滤除了大局部干扰光,再加上遮光罩可使环境光扰动忽略不计。
信号处理电路对测量精度的影响分析
由于外界环境及电路自身元器件的不稳定性，会使得测量结果偏离理想状况。
零点漂移对测量精度的影响
1.什么是零点漂移现象：
ΔuI＝0，ΔuO≠0的现象。
2.产生原因：
温度变化，直流电源波动，器件老化。
其中晶体管的特性对温度敏感是主要原因，故也称零漂为温漂。
3.克服温漂的方法：
引入直流负反响，温度补偿。
典型电路：
差分放大电路
被测工件的均匀性对测量精度的影响
在生产过程中，轴类零件，电缆或电线的外径有时不很均匀。
被测工件经过光照在CCD成像，线径不等时那么被照局部CCD输出脉冲数与均匀被测工件被照局部的CCD输出脉冲数不等，反响到测量结果上就会产生测量误差，在设计中，我们采用对被测工件的屡次测量，然后求取平均值的方法来消除这种误差。
粗大误差也影响测量精度，但它是有外界条件的突然变化引起的，当外界条件改变时引起CCD输出信号的不稳定，只要保证外界条件持续稳定，那么粗大误差就很少发生。
误差分析
在实验过程中，我们分别对直径φ=的标准件进行了三组测量，每一组采取屡次重复测量，取平均值，并进行相应的精度计算。
图像处理对测量精度的影响
标定误差
图像处理在使用前都会与有一个相对的度量单位对所测量的对象进行标定〔此处对CCD象元尺寸进行标定〕。
在细丝直径检测算法中,采用的是屏幕后续检测单位标定法。
标定中难免会有误差引入，但该误差属于系统误差。
示值显示误差
当计算机在对细丝影像进行示值时会对象元的占空比按1：
2的比例取值。
即象元的三分之二占满记一个单位长度，反之不计数。
该误差为随机误差。
误差合成
根据误差处理理论：
系统总误差为
仪器误差
根据误差合成理论知仪器总误差为：
5总结
本课题的研究是以线阵CCD--光电传感器TCD1501D及光学镜头为根底构建的光学测量系统，对CCD的输出信号采用微分法提取被测工件的边缘信息，由单片机对数据进行处理完成测量工作。
本文从光学系统设计入手展开研究：
包括测量直径系统的构建、线阵CCD测量器件的选择、光学镜头的设计及实验研究，同时对系统组成的硬件电路、程序设计做了相应的介绍。
综上所述，本课题的研究主要做了以下方面的工作：
设计了基于线阵CCD的直径测量系统。
包括线阵CCD的选型，光源的选取，光学镜头的设计，介绍线阵CCD光学测量原理。
在进行光电测量装置设计时，对光学系统进行了详细分析，并用ZEMAX软件设计了柯拉照明系统中的集光镜、聚光镜和成像物镜。
本论文从实验上实现了使用CCD技术进行非接触测量，特别是对输出信号不采用传统意义上的阈值处理法，而采用微分法对工件的边缘信号进行提取，用MSP430F149单片机进行数据处理并编制相应的程序。
用CCD测径系统对几组直径做实验研究，分析了测量系统的误差。
由测量结果可知，测量精度在±5μm之内。
如果从以下几个方面进行改良，可以得到更高的测量精度。
光学系统的设计、光学系统的准确调节、镜头装调和校验。
测量时，假设CCD感光面与像面不重合，CCD将接收到模糊的图像信息，造成测量误差，以后可以采用增加瞄准局部来解决。
CCD传感器的像元尺寸的几何位置精度高，可靠性高，寿命长，适合较恶劣的自然环境，CCD技术被应用在几乎所有的成像相关的领域，随着科学技术的开展以及CCD技术的研究和应用，CCD技术将得到普及和推广。
鉴于我小组成员的知识结构及经验有限，论文基于线阵CCD便携式直径测量系统设计还存在许多不完善的地方，有待于在今后的研究中进一步完善。
也希望学校在这方面对学生多给予实践上的帮助，脱离了实践的设计往往是个空中楼阁，想要真正把这些问题做到还得大家的共同努力。
通过这次设计，让我学会了整体设计的思路和各种理论和方法的实践，提高了我的动手和操作能力。
参考文献
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