玻璃管内外径测量仪要点.docx

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玻璃管内外径测量仪要点

课程设计（论文）

题目：

玻璃管内、外径尺寸测试仪

系别：

光电信息系

专业：

光电信息工程

班级：

学生：

学号：

任课教师：

2015年11月

1绪论3

1.1综述3

1.2CCD的发展史3

1.3CCD的功能特性3

1.4CCD的主要应用4

1.5CCD的基本工作原理4

1.6本文主要研究工作5

2利用线阵CCD进行玻璃管外径尺寸测量的测量方法6

3光学系统的选型说明7

3.1CCD的选择具有采样保持输出电路的线阵TCD1500C7

3.2光源及成像物镜选择8

4CCD用于玻璃管尺寸测量的原理10

5测量仪的设计原理12

6总结和体会13

参考文献14

1绪论

1.1综述

CCD广泛应用在数码摄影、天文学，尤其是光学遥测技术、光学与频谱望远镜和高速摄影技术，如Luckyimaging。

CCD在摄像机、数码相机和扫描仪中应用广泛，只不过摄像机中使用的是点阵CCD，即包括x、y两个方向用于摄取平面图像，而扫描仪中使用的是线性CCD，它只有x一个方向，y方向扫描由扫描仪的机械装置来完成。

1.2CCD的发展史

CCD是于1969年由美国贝尔实验室（BellLabs）的维拉·波义耳（WillardS.Boyle）和乔治·史密斯（GeorgeE.Smith）所发明的。

当时贝尔实验室正在发展影像电话和半导体气泡式内存。

将这两种新技术结合起来后，波义耳和史密斯得出一种装置，他们命名为“电荷‘气泡’元件”（Charge"Bubble"Devices）。

这种装置的特性就是它能沿着一片半导体的表面传递电荷，便尝试用来做为记忆装置，当时只能从暂存器用“注入”电荷的方式输入记忆。

但随即发现光电效应能使此种元件表面产生电荷，而组成数位影像。

到了70年代，贝尔实验室的研究员已经能用简单的线性装置捕捉影像，CCD就此诞生。

有几家公司接续此一发明，着手进行进一步的研究，包括快捷半导体（FairchildSemiconductor）、美国无线电公司（RCA）和德州仪器（TexasInstruments）。

其中快捷半导体的产品领先上市，于1974年发表500单元的线性装置和100x100像素的平面装置。

1.3CCD的功能特性

CCD图像传感器可直接将光学信号转换为模拟电流信号，电流信号经过放大和模数转换，实现图像的获取、存储、传输、处理和复现。

其显著特点是：

1.体积小重量轻；2.功耗小，工作电压低，抗冲击与震动，性能稳定，寿命长；3.灵敏度高，噪声低，动态范围大；4.响应速度快，有自扫描功能，图像畸变小，无残像；5.应用超大规模集成电路工艺技术生产，像素集成度高，尺寸精确，商品化生产成本低。

因此，许多采用光学方法测量外径的仪器，把CCD器件作为光电接收器。

CCD从功能上可分为线阵CCD和面阵CCD两大类。

线阵CCD通常将CCD内部电极分成数组，每组称为一相，并施加同样的时钟脉冲。

所需相数由CCD芯片内部结构决定，结构相异的CCD可满足不同场合的使用要求。

线阵CCD有单沟道和双沟道之分，其光敏区是MOS电容或光明二极管结构，生产工艺相对较简单。

它由光敏区阵列与移位寄存器扫描电路组成，特点是处理信息速度快，外围电路简单，易实现实时控制，但获取信息量小，不能处理复杂的图像（线阵CCD如右图所示）。

面阵CCD的结构要复杂得多，它由很多光敏区排列成一个方阵，并以一定的形式连接成一个器件，获取信息量大，能处理复杂的图像。

1.4CCD的主要应用

四十年来，CCD器件及其应用技术的研究取得了惊人的进展，特别是在图像传感和非接触测量领域的发展更为迅速。

随着CCD技术和理论的不断发展，CCD技术应用的广度与深度必将越来越大。

CCD是使用一种高感光度的半导体材料集成，它能够根据照射在其面上的光线产生相应的电荷信号，在通过模数转换器芯片转换成“0”或“1”的数字信号，这种数字信号经过压缩和程序排列后，可由闪速存储器或硬盘卡保存即收光信号转换成计算机能识别的电子图像信号，可对被测物体进行准确的测量、分析。

一般的CCD大多能感应红外线，所以衍生出红外线影像、夜视装置、零照度（或趋近零照度）摄影机/照相机等。

为了减低红外线干扰，天文用CCD常以液态氮或半导体冷却，因室温下的物体会有红外线的黑体辐射效应。

CCD对红外线的敏感度造成另一种效应，各种配备CCD的数码相机或录影机若没加装红外线滤镜，很容易拍到遥控器发出的红外线。

降低温度可减少电容阵列上的暗电流，增进CCD在低照度的敏感度，甚至对紫外线和可见光的敏感度也随之提升（信噪比提高）。

1.5CCD的基本工作原理

电荷耦合摄像器件（CCD—ChargedCoupledDevice）的突出特点是以电荷为信号的载体，而不同于其他大多数器件是以电流或者电压为信号的载体。

CCD的基本功能是电荷的储存和电荷的转移。

因此，CCD的基本工作过程主要是信号电荷的产生、存储、转移和检测。

线阵CCD由光敏阵列与移位寄存器组成，光敏阵列呈线性排列，在光的作用下产生光生电荷存储于光敏MOS电容势阱中。

按一定的方式将一维线阵CCD的光敏单元及移位寄存器排列成二维阵列，即可构成二维面阵CCD，二者都需要用光学成像系统将景物成像在CCD的像敏面上。

像敏面将照在每一像敏单元上的图像照度信号转变成少数载流子密度信号存储于像敏单元中。

然后，再转移到CCD的移位寄存器中，在驱动脉冲的作用下顺序地移出器件，成为视频信号。

对于线阵器件，它可以直接接受一维光信息，而不能直接将二维图像转变为视频信号输出。

为了得到整个二维图像的视频信号，就必须用扫描的方法实现。

在此次的项目中只需测量玻璃管的一维尺寸，只要使用线阵CCD将玻璃管的一维尺寸信息成像到CCD上即可，所以在项目中使用了线阵CCDTCD1500C。

由于TCD1500C是双沟道的线阵CCD，下面内容为介绍双沟道线阵CCD的原理。

双沟道线阵CCD摄像器件。

它具有两列CCD模拟移位寄存器A与B，分别在像敏阵列的两边。

当转移栅A与B为高电位时，光敏阵列势阱里积存的信号电荷包将同时按箭头制定的方向分别转移到对应的模拟以为寄存器内，然后在驱动脉冲的作用下分别向右转移，最后经输出放大器一视频信号方式输出。

显然，同样像敏单元的双沟道线阵CCD要比单沟道线阵CCD的转移次数少一半，转移时间缩短一半，它的总转移效率大大提高。

因此，在要求提高CCD的工作速度和提高转移效率的情况下，常采用双沟道的方式。

对于一般器件的情况来说高于256位的线阵CCD大多为双沟道的期间。

然而，双沟道器件的奇、偶信号电荷分别从通过A、B两个模拟移位寄存器和两个输出放大器输出。

由于两个模拟移位寄存器和两个输出放大器的参数不可能完全一致，就必然会造成奇、偶输出信号的不均匀性。

所以，又是为了确保像敏单元的一致关系特性好，在较多像敏单元的情况下也采用单沟道的结构。

1.6本文主要内容

此次课程设计依托光电子成像为基础，应用线阵CCD图像传感器实现对待测物体尺寸的测量，并构建了一个图形轮廓绘测系统。

从而分析研究利用线阵CCD进行玻璃管外径尺寸测量的测量方法，对线阵CCD做出正确的选择，对光学系统的设计，实现玻璃管外径尺寸检测电路的硬件设计。

以期进一步加深了我们对于光电子技术在科技领域应用的理解，为将来的实际工作打下坚实的基础。

2利用线阵CCD进行玻璃管外径尺寸测量的测量方法

将置于准直平行光路中的透明玻璃管经过远心成像系统后，在像面（CCD光敏面）形成一个反映玻璃管外径几何尺寸的影像，CCD视频信号经微机数据采集和数据处理后，可获得玻璃管外径。

设玻璃管外径为R，内径为r，则一束平行光按透过玻璃管后的特性分为三部分。

如图1所示，h为入射光线与光轴的距离，n为玻璃折射率。

a.h≥R部分。

直接透射。

b.r≤h≤R时，光纤在玻璃管内壁发生全反射、透射。

经数学推导可得出射光线与水平夹角

β=180º-2{sin-1（h/R）+sin-1[h/（nR）]-sin-1[h/（nr）]}

c.0≤h＜r,光线在玻璃管内壁发生折射、透射。

经数学推导可得出射光线与水平夹角

β=2{sin-1（h/r）+sin-1[h/（nR）]-sin-1（h/R）-sin-1[h/（nr）]}

实际证明，CCD成像法用于测量玻璃管内外径是可行的，配上微机后，能够实现快速自动测量。

3光学系统的选型说明

3.1CCD的选择具有采样保持输出电路的线阵TCD1500C

本项目采用的是TCD1500C，这是从TCD1500C的基本结构、工作原理及测量要求等方面考虑的。

TCD1500C是一种典型的具有采样保持输出电路5340像素单元线阵CCD，它的像元尺寸为7um长、7nm高，中心距离为7nm，像敏单元总长度为37.38mm。

该器件被用作非接触尺寸测量系统中的光电传感器。

TCD1500C是一种高灵敏度、低暗电流、5340像元的线阵CCD图像传感器。

该传感器可用于传真、图像扫描和OCR。

该器件的内部信号预处理电路包含采用保持和输出预防大电路，它包含一系列5340像元的光敏二极管。

图2是1500C的管脚图。

其特性如下：

a.像敏单元数目：

5340像元

b.箱门单元大小：

7um*7um，中心距离7um

c.光敏区域：

采用高灵敏度、低暗电流的PN结作为光敏单元

d.时钟：

二相（5V）

e.极限工作值：

见表2-1

f.管脚定义：

见表2-1

若被测玻璃管的尺寸范围较大、精度要求高，为了达到测量所有尺寸的玻璃管而不需要增添或更换测量系统，必须选择或设计好测量元件。

本测量仪采用了两个线阵TCD1500C的机械拼接结构作为测量头。

原因如下：

玻璃管外径范围：

18~50mm；内径范围：

15~40mm；壁厚范围：

1.5~10mm;直径和厚壁精度为0.01mm。

最大相对测量精度为0.01/50=0.2‰，TCD1500C位5340像敏单元，像敏单元尺寸长7um、高7um。

相当测量精度为1/5340=0.18‰，符合测量精度要求。

成像系统光路图如图3.所示，M表示CCD有效像敏单元的长度，N表示第一个有效像敏单元到CCD器件一端的距离，S为两个CCD器件之间的距离。

我们将成像系统放大率β定义为1.5，即β=1.5/1.5=y’/y=1.5，y’和y分别表示玻璃管直径和直径像的大小。

—y最大为50mm，所以y最大为75mm，这样大的像用一个CCD接受是不大可能的，因为目前常用CCD尺寸都很小，必须采用几个CCD进行机械拼接的方法。

TCD1500C像敏单元总长即M=37.38mm，N=6mm。

如果用两个1500C拼接，当S=0时，拼接的总长是Mx2+Nx2+S=86.78＞75mm，满足要求。

此外，两个CCD器件之间的间隔很重要，为了使所有尺寸的玻璃管都用同一个成像系统测量，就必须使所有被测玻璃管的上下壁各成像在两个CCD上。

只有管的上下壁各成像在两个CCD上，计算机软件才能准确地对采集到的信号进行边缘判断，从而准确算出壁厚值。

要达到此目的，只要使玻璃管内径的最限制都能成像在两个CCD上，玻璃管内径最小值是15mm，像为15mmX1.5=22.5mm，所以图3中K必须小于22.5mm，本测量仪使用的CCD拼接装置：

S=2mm，K=2XN+S=14＜22.5mm，符合要求，在实际应用中也满足要求。

3.2光源及成像物镜选择

图4为光源结构示意图，图中发光二级管LED发出的光经过一片双胶合透镜L1，LED成像于L2的物方焦平面上，光线经过透镜L2后平行射出，形成测量系统的平行照明光源。

光源采用蓝光LED，蓝光非常接近TCD1500C的峰值响应波长550nm，用蓝光照明，可以提高TCD1500C的光谱响应灵敏度，减少杂光干扰。

成像物镜的选择必须考虑各种因素，由于本测量仪采用了两片线阵CCD100机械拼接结构，而1500长度达到37.38mm，所以选择视场较大的成像物镜。

一般照相机的摄影物镜在最佳像面上的有效视场大于43mm，基本满足各种类型线阵CCD和一些特殊面阵CCD的摄像要求。

本测量仪使用的成像物镜：

通光口径D=82mm，光圈数F>=1.4可调，物距无穷远焦距f=150mm。

由于采用平行光照明，选择物镜口径必须大于玻璃管外径最大值。

此外，根据测量现场和测量平台尺寸，焦距150mm最合适。

4CCD用于玻璃管尺寸测量的原理

光源发出的平行光透过玻璃管后经过成像物镜成像在线阵CCD的光敏阵列上，由于透射率和光在不同形状介质中的折射率的不同，是的通过玻璃管的像在上下边缘处形成两条暗带，中间部分的透射光相对较强，形成亮带，两条暗带的最外边的边界距离为玻璃管外径所成的像，中间亮带的宽度反应了玻璃管内径像的大小。

两条暗带表示了玻璃管上下壁的大小。

图9是CCD输出的玻璃管像的视频信号。

N1和N4表示了玻璃管的外径在CCD上对应的像敏单元序号，N2和N3则是玻璃管的内径在CCD上对应的像敏单元序号，这些序号表示出了玻璃管内外径的位置信息。

显然玻璃管的外径值为：

图10为玻璃管参数测量原理框图，通过光学系统将被测玻璃管的外径尺寸以一定的、准确的倍率成像于单片CCD光敏面上，再通过接口电路对CCD输出信号进行处理，送入微机，实现相应的测量，直径测量公式：

其中：

d为被测直径；

α为CCD光敏面像元尺寸；

β为光学系统的放大率；

△Ν为被测件经光学系统成像后在CCD光敏区所遮挡的光敏元数。

根据计算公式测量分辨率△d=a/β，由此可以看出，光学系统的放大倍率越大、像元尺寸越小，测量精度越高。

然而，放大率太大，又会导致测量范围的减小。

为了提高测量精度，而又不缩小测量范围，本测量仪把两个CCD拼接起来作为光电接收器。

此时，计算公式为:

其中：

△Ν为两个CCD被工作图像所遮挡的光敏总元数；

△s为CCD1有效末像元与CCD2有效首像元的距离。

5测量仪的设计原理

根据项目，我们设计了测量仪的数据采集系统，机械结构以及控制系统。

整个测量仪的基本原理框图如图11所示，其中，照明系统采用LED光源产生平行光照射被测玻璃管。

成像系统由成像物镜光路组成。

载有玻璃管尺寸信息的光射进成像系统后由物镜成像到CCD感光面。

CCD在驱动器控制下工作，并将CCD输出的模拟信号送入AD转换电路。

AD转换后的数字信号送入存储器缓存，再由ISA总线读入计算机内存。

计算机软件一方面对读入的数据计算各参数并输出；另一方面对控制步进电机的工作。

步进电机1和2控制玻璃管转动，可以测量玻璃管截面上的各个点。

步进电机3与丝杠连接，带动测量平台移动。

整个光学系统放置在测量平台上，随着平台的移动可以测量玻璃管的各个截面。

总结和体会

通过这次课程设计，我发现了自身存在的不足之处，虽然感觉理论上已经掌握，但在运用到实践的过程中仍有意想不到的困惑，经过一番努力才得以解决。

这也激发了我今后努力学习的兴趣，我想这将对我以后的学习产生积极的影响。

使我懂得了学习的重要性，了解到理论知识与实践相结合的重要意义，学会了坚持、耐心和努力，这将为自己今后的学习和工作做出了最好的榜样。

不可否认的是这次课程设计显著加强了我们动手、思考和解决问题的能力，让我们很好的复习了之前所学的光学方面及光电子方面的知识，在解决实际问题中得到了应用。

学到了很多课内学不到的东西，比如独立思考解决问题，出现差错的随机应变，和与人合作共同提高，都受益非浅，今后的制作应该更轻松，自己也都能扛的起并高质量的完成项目。

可以说这次收获是相当大的。

课程设计反映的是一个从理论到实际应用的过程，但是更远一点可以联系到以后毕业之后从学校转到踏上社会的一个过程。

小组人员的配合﹑相处，以及自身的动脑和努力，都是以后工作中需要的。

最后，感谢老师的细心指导，也同样谢谢其他各组同学的无私帮助！

参考文献

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15~21

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[4]王庆有，CCD应用技术，天津：

天津大学出版社，2000,30~39

[5]曾广域，张志伟等，光电检测技术（第二版），北京：

清华大学出版社，2009,9