测控仪器课程设计Word文件下载.docx
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钢管直径测量系统的原理框图如（图1）所示。
整个系统由照明光学系统、被测钢管夹
持系统、成像物镜、光电图像传感器检测系统和计算机测量控制系统等部分组成。
图中稳压
稳流调光电源为无丝灯构成的远心照明光学系统提供稳定照明光源，处于远心照明光路中的
玻璃管经过成像物镜成像到线阵CCD图像传感器的光敏面上。
由于钢管的阻挡使得光在光
敏面上形成一条暗带，暗带的宽度反映了钢管直径像的尺寸。
线阵CCD图像传感器在驱动
脉冲的作用下完成光电转换并产生输出。
CCD的输出信号经过二值化电路进行二值处理，等到直径信号。
将直径信号送入计算
机数据采集接口电路，并在计算机软件的作用下计算出钢管直径。
信号处
图1钢管测量系统原理框图
系统工作原理
基于线阵CCD的尺寸测量涉及到线阵CCD、光学成像、光电检测、传感技术以及边缘检测等相关技术及其交叉技术的应用，是多种技术综合应用相互协调来完成的。
但是在实际生产过程中，往往有不同的尺寸需要测量，大体上根据测量范围的不同来选
择测量方法。
而本课程设计中，由于钢管60—100mm属于大尺寸测量，故采用了投影法测量原理
其基本原理图如下:
匚光澹2.3准直、扩束透镜4.特濤工件久成像透镜
6.光飆7.光电接收器乩工件阴爲苗号
图2基本原理图
被测钢管置于双光路视场中，照明方式采用单光源扩束分光照明（如图）或是采用双光源
分别照明。
由于被遮挡部分无信号输出，分别检测两个CCD的边缘信号，再对两个边缘之
间的脉冲计数，根据像元尺寸可求得最终的被测物体的尺寸。
两个CCD分别用来测量待测
物的一个边界值，两个CCD之间的距离用机械方法或是光学方法测量出预先存入计算机。
工作过程中，两个CCD采样要求同步，最后送入计算机处理。
如果测量范围需要很大，可在CCD前加透镜提高可测范围，同时系统测量的尺寸需要标定。
由钢管尺寸范围为60—100mm，为保证钢管外径两边缘能同时分别成像于CCD1和
CCD2有效元上。
系统对CCD1和CCD2的相对位置有一定要求，如（图4）所示:
要求:
A1B1100mm
A2B260mm
Li+L240mm⑶
测量钢管外径时，由于钢管的遮挡部分没有光透过，如（图4）可知，钢管外径:
D=A1B1n1h1n2h2（4）
式中：
n1是CCD1透光光敏元个数h1是CCD1光敏兀空间尺寸n2是CCD2透光光敏元个数
h2是CCD2光敏元空间尺寸
三、仪器总体设计
1、线阵CCD的选择
钢管外径的测量范围为60〜100mm,现令两CCD的固定间距L54mm,则对单个
CCD而言，1时其测量范围必须满足3〜23mm。
则单个CCD的测量范围应大于23mm,又知测量精度最大为0.05mm，故相对测量精度应高于2.174%。
，即应选择超过1000像元的线阵CCD即可满足测量系统精度的要求。
考虑到为方便调节系统应该具有更大的视场,在扩大视场
（1）的情况下也应保证测量精度的要求。
因此本设计选择了线阵CCD
TCD1501C光电转换器件，为简化系统，CCD1和CCD2均采用该型号。
线阵CCDTCD1501C的主要技术指标如下：
TCD1501C共5076个像元（除5000有效像元外,还有前64个和后12个哑元）；
像元尺寸为7mx7m;
像元中心距为7im；
有效像元总长为35mm;
光谱响应范围为400nm-1000nm.光谱响应峰值波长为550nm，灵敏度为10.4V/lx.s〜15.6V/lx.s。
使CCD芯片正常工作的驱动电路主要有两大功能。
一是产生CCD工作所需的多路时序脉冲．二是对CCD输出的原始模拟信号进行处理，包括增益放大、差分信号到单端信号的转换．最后驱动器输出用户所需的模拟或视频信息。
由线阵CCDTCD1501C的像元中心距为7um，可知系统分辨率为0.007mm<
0.01mm，
满足任务要求。
另外，由有效像敏单元数为5000，可知CCD1、CCD2的有效测量光敏元总长度，L1=L250007um35mm得：
L1+L270mm>
40mm
（5）
满足（3）式设计要求。
2、CCD1和CCD2相对位置的确定
如（图4）所示，系统要求A1B1100mm。
可设A1B1115mm，由L1+L270mm可导出内缘距离：
A2B245mm，满足A2B260mm的要求。
又TCD1501C有64个前哑元和12个后哑元。
得CCD1和CCD2外缘距：
a=115mm+128*7um=115.896mm，如此即确定了CCD1和CCD2相对位置。
3、光学系统设计
整个光路系统可以分为两个相同的子光路系统，即光路系统I和光路系统II，分别对应
CCD1和CCD2，光学系统结构如（图5）
光路系统I
光路系统口
成注物億2线阵CCD2
图5光路系统结构
3.1）照明系统设计
照明系统主要由光源和聚光镜组成。
它的作用是为了使目标物得到充分地照明，以保证
像平面有足够的照度。
照明方式一般有临界照明和柯拉照明，本设计采用的是柯拉照明。
柯拉照明的优点是可以使物体得到均匀地照明；
缺点是这种照明系统结构复杂，光能损
失较大。
用于对成像质量和测量精度要求较高的系统。
柯拉照明是将光源成像在物镜的入射光瞳处，如（图6）所示。
光源1经辅助聚光镜2
成像在光阑3处；
辅助聚光镜2经聚光镜4成像于物平面5上;
聚光镜4把它焦点处的光阑3成像于无限远，与成像物镜的入瞳重合。
图6柯拉照明原理图
聚光镜4的口径D4为使钢管得到均匀的照明；
聚光镜4的口径要足够大。
D4d
式中，d为被测钢管直径。
光阑3的口径D3根据系统应满足拉赫不变量的要求即
J1n1u1y1J2n2u2y2
式中，ni、匕为照明、成像系统物方介质折射率；
Ul、U2为聚光镜、成像系统的孔径角;
yi、*为灯丝、被测物体半高。
经过计算聚光镜4选为f4=200mm、f/1.8的镜头，光源为12V、100W的白炽钨丝灯,
灯丝尺寸为4mm3mm。
3.2）成像系统
CCD测量系统的作用是用于测量像的长度，为保证测量精度，光学系统应采用物方远
心光路，以消除由于视差对测量精度的影响。
原如（图7）所示，物体AB经物镜1成像于
CCD器件3上，2为孔径光阑，处于物镜像方焦平面上。
成像系统由物镜、光阑和CCD器件光阑设在成像物镜的像方焦平面处。
光阑为系统的
孔径光阑，形成物方远心光路，以控制轴外物点主光线的方向，使AB在CCD光敏面的像
点位置不变，从而消除抖动对测量精度的影响。
图7成像系统原理图
影响该系统成像特性的主要是物镜L。
因此，根据要求确定物镜的光学参数，合理地设
计和选择物镜是非常重要的。
假设钢管的物方视场为2y、线阵CCD器件像敏单元的宽度
为’、像敏单元数为N、物像之间共轭距为L,则成像系统的光学参数由以下公式求出。
系统放大率系统放大率由下式计算
2y
式中，2yN36488m29.184mm，为CCD像元总尺寸。
由于采用双光路测
量法，由测量范围60~100mm，可得系统实测物体尺寸2y=（100-60）/2=20mm。
选择
即CCD像元未得到充分利用。
_D
I
物镜的相对孔径f（或数值孔径NA）
由物镜的数值孔径NA为:
NA
0.61
为光源波长，取550nm,为物镜分辨率。
物镜分辨率与CCD器件的分辨率的关系为：
再由式NAnsinU和nsinU
nsinU可分别求出物方孔径角U和像方孔径角U，
其中n和n分别表示物方和像方介质折射率;
确定物镜焦距f
l_
l
l'
lL
11丄由丨丨f
可求出物镜的焦距f和成像系统的外形尺寸I和1值。
视场角2
tg
X为CCD光敏面到物镜像方焦点的距离
孔径光阑B的直径D2
D22x'
tgU2（I'
f'
）tgU
物镜通光口径Dl
Dl2（yIU）
带入数据计算，本系统选用的f100mm，f/2.8的物镜，系统放大率1。
计算得：
物距1=200mm,像距1=200mm,共轭距L=400mm,物方孔径角U=2.4，视场角2=12，光阑的直径D2=8.4mm
3.3）信号检测电路
3.3.1、二值化电路
为了保证测量精度，提高系统的稳定性，一方面采用稳压稳流的电源为照明系统供电，
另一方面采用浮动阈值对光强进行二值化采样。
好处是消除光源发光强度不稳定对二值化处
理带来的误差，使系统的测量精度和稳定性得到进一步的提高。
如（图8）
332、检测电路
Fc脉冲的上升沿为第一个有效像素单元刚刚到来的时刻，它的下降沿是本行转移结束，
因此可以用Fc作行同步脉冲。
（图9）中的计数器由行同步脉冲Fc复位，像元同步脉冲SP为计数脉冲的输入脉冲信号，计数器任意时刻所计得的值表征了那一时刻线阵CCD输出的
像元位置数。
当线阵CCD输出的信号经浮动阈值二值化电路处理后，其上升沿驱动锁存器将计数器中的数锁存起来，该数就是钢管像的边缘所在的像元位置数。
图9检测电路
被测钢管直径d:
N2L0L
为CCD1和CCD2的光学成像系统的系统放大率；
L为两个线阵CCD的间隔；
L°
为线阵
CCD的像元中心距8m
dN1N2L°
L
四、仪器的测量精度分析
1、仪器的测量范围
为了满足上述公式，需要将两片CCD排在一个平面的一条直线上，使两CCD的S1号有效像元排在内侧且相距55mm。
由于单片CCD的有效像元总长为29.184mm，系统放大率为1,故仪器的测量范围为55mm~113mm，满足要求。
CCD的非均匀性
2、误差分析
在测量中，误差的主要来源有分辨率误差，光束不平行的准直误差误差，及环境噪声误差等。
2.1）分辨率误差由单个CCD的分辨率为7um，那么两个CCD的导致的分辨率误差
1,279.898um
2.2）CCD感光单元灵敏度不均匀性误差
以CCD作为光电接收器件，其CCD感光单元灵敏度均匀性是一个重要的指标。
CCD
感光单元灵敏度误差是由于制造过程中半导体材料杂质不均匀所造成的，同时各个感光单元
有效面积的不一致也是影响灵敏度不均匀误差的一个重要因素。
CCD感光单元灵敏度不均匀误差小于10%。
TCD1501C饱和光照时的Vsat=3.0v,CCD
感光单元灵敏度不均匀产生的电平误差为：
VR（Vsat0.5）10%=150mv
在边缘区域点附近曲线，其斜率|k|150mv/um，在均匀光照时，CCD感光单元灵敏度不均匀产生的误差为：
CCD感光单元灵敏度误差，对于同一片CCD而言其分布是固定的，而在实际测量中,
同一被测物在不同位置或不同直径的被测物图像边缘落在不同单元所产生的误差是不同的，因此CCD感光单元灵敏度不均匀性表现出来的是随机误差。
2.3）电噪声误差
电噪声误差主要来自CCD的暗电流噪声和信号处理电路的噪声。
CCD的暗电流噪声是
TCD1501C的暗电流噪声
CCD器件在一定时间内，由于热电荷蓄积产生的噪声信号。
抑制电噪声所带来的误差。
2.4）光源不平行的准直误差
当光源准直为良好的平行光时，被测物沿轴向摆动对测量结果没有影响，但当光源有一
定的发散角或会聚角时，被测物沿光轴方向的移动会造成测量误差，这种误差很小，一般小
于0.49娜，
2.5）倾斜误差
为了保证测量的准确性，要保证被测钢管轴线与CCD线阵方向垂直，否则会引入一个
倾斜误差。
若被钢管轴线与CCD线阵方向垂直方向夹角为1。
，测量直径D100mm时引
入倾斜误差为：
D（1-cos）=100（1-cosT）=15.23um
属于系统误差。
2.6）环境因素造成的误差
杂散光、环境温度变化、空气扰动、灰尘、电磁干扰等环境条件对测量结果的影响是比较复杂的。
环境因素影响可能表现为小的随机误差，也可能表现为粗大误差，这些因素难以
预料，我们要采取措施加以抑制。
在测径系统实施的时候可以采用一些方法减小环境的影响，如采用孔径光阑和密封的方式可以消除杂散光和空气扰动的影响。
CCD作为一种半导体器
件，温度的变化将改变CCD的输出电压的浮动。
本文用的TCD1501C受温度变化的影响很
小，几乎不变。
系统误差：
em15.23um
随机误差:
.0.013219.898?
9.948um
将系统误差视为未定系统误差得总的不确定度:
mem9.948215.23?
18.191um
五、设计心得体会
随着工业自动化的发展，在工业生产中能否自动完成对产品的检测是影响生产效率的重要因素。
以钢管的生产为例，快速自动的检测出钢管外径是否符合生产要求是提高生产效率的有效措施。
自动测量钢管外径是实现自动检测的基础，传统接触式测量的方法，需要大量
的手动干预而且接触处存在压力，容易引起变形，产生测量误差。
不能满足现代测量高效，自动化的要求。
电子技术的发展为实现自动测量提供了新的测量原理和方法。
通过CCD器
件摄影，再将所得信号经计算机自动处理，就是实现自动测量的可行方法之一。
现代技术的发展，使得我们能够运用多种手段进行测量检测，而自动化智能化无非就是
我们所研究的方向，在本次的课程设计中，我们的目的测量钢管的直径，利用CCD使得自
动化测量成为了可能。
这次设计综合了我们大学所学习的知识，不仅仅是要求你了解，而且
还要求能够真正的将它付诸于实践，付诸于设计过程中。
设计涉及了精密机械、传感器技术、
误差分析等诸多领域，这就要我们要通过各种方法将其联系起来，知识的串联锻炼了我们的
思维能力，加强了我们对知识的进一步的深刻理解！
【参考文献】
[1]王庆有•光电传感器应用技术[M].北京：
机械工业出版社
[2]浦昭邦王宝光•测控仪器设计[M].北京：
[3]王庆有.CCD应用技术[M].天津：
天津大学出版社
[4]殷纯水.光电精密仪器设计[M].北京：
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