CCD法测量细丝直径.docx

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CCD法测量细丝直径

西安工业大学光电工程学院

课程设计

题目：

细丝直径测试仪

专业：

测控技术与仪器

班级：

110108

学号：

*********

学生：

郑世超

任课教师：

***

2014.12

《光电仪器设计课程设计任务书》

一、题目：

细丝直径测试仪

该仪器是用于对细铜丝直径的尺寸参数进行测量的一种测试仪器。

二、技术要求

1．方法：

非接触式测量

2．铜丝直径：

φ1±0.01mm

3．测量精度：

±1%；

4．测量状态：

在线测量；

5．超出铜丝直径公差要有报警功能。

三、设计任务

对该仪器进行总体设计，具体内容如下：

1．设计任务分析；

2．方案论证；

3．系统设计（含局部单元设计）；

4．精度估算。

四、设计要求

1.设计说明书一份（不少于5000字）；

2.时间：

2014年12月4日2014年12月18日

2014年12月18日下午答辩交论文；

3.参考文献：

自定

题目：

细丝直径测试仪

基于远心光路成像系统的线阵CCD直径测量仪

摘要

光电检测技术将光学技术与电子技术相结合实现对各种量的测量它具有如下特点高精度光电测量的精度是各种测量技术中精度最高的一种.非接触测量光照到被测物体上可以认为是没有测量力的因此也无摩擦可以实现动态测量是各种测量方法中效率最高的一种。

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。

我们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φ0.5mm～φ30mm的工件进行测量，测量精度为±5μm。

这篇文章论述了CCD测量装置的基本原理，而且分析了光学系统各部分的形式，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。

同时还给出了CCD测量直径系统的控制程序流程图及部分程序。

再对实验得到测量结果，进行几个重要参数进行了分析，就影响系统测量精度的几种主要误差进行了讨论，有消除误差的方法，从而达到更高的测量精度。

关键字：

线阵CCD直径测量远心光路非接触测量

第一章引言

1.1研究背景和意义

光电自动检测技术随着现代科学技术以及复杂自动控制系统和信息处理与技术的提高光电检测技术作为一门研究光与物质相互作用发展起来的新兴学科已成为现代信息科学的一个极为重要的组成部分。

光电自动检测作为光电信息技术的主要技术之一它是以激光、红外、光纤等现代光电子器件作为基础通过对被检测物体的光辐射经光电检测器接受光辐射并转换为电信号由输入电路、放大滤波等检测电路提取有用信息再经模数转换等接口输入计算机运算处理最后显示输出所需要的检测物理量等参数。

光电检测技术将光学技术与电子技术相结合实现对各种量的测量它具有如下特点高精度光电测量的精度是各种测量技术中精度最高的一种.非接触测量光照到被测物体上可以认为是没有测量力的因此也无摩擦可以实现动态测量是各种测量方法中效率最高的一种。

我们研究的基于线阵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。

对保证产品质量，降低原材料消耗，降低生产成本，提高劳动生产率有着重大的经济效益和社会意义。

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。

但是大多检测方法检测速度低，生产效率低，劳动强度大，跟不上目前自动化生产的需要。

在全面质量管理过程中，更需要先进的、智能的检测手段。

CCD能够以电荷为信号,把光学影像转化为数字信号。

现代机械制造行业中,测量细丝直径仍存在一些难以解决的问题。

传统的测微仪等接触测量法会使被测细丝变形而影响测量精度,工业上常用电阻法和称重法,因测量精度低,只能测量某段细丝的平均直径,很难满足现代工业的技术要求。

近年来随着大规模集成电路和激光技术的推广,CCD也得到了很大的发展,由于其具有自扫描、高灵敏、低噪声、长寿命和高可靠性等优点,广泛应用于测量仪器中。

我们通过CCD技术应用进行测径。

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，这个测径仪是一种光、机、电、算于一体的产品。

尤其对保证产品质量，降低原材料消耗，降低生产成本，提高劳动生产率有着重大的经济效益和社会意义。

1.2国内外研究现状

1.2.1国内研究现状

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：

0.5mm～60mm，测量精度：

±0.01mm。

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：

0.2mm～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。

南京亿佰泰科技有限公司生产的TLSM100激光扫描测微仪，测量范围：

0.2mm～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CCD6测径仪测量范围：

0.5mm～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。

1.2.2国外研究现状

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发展，特别是近50年来，随着现代化生产和加工技术的发展，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发展。

为此，工业发达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，降低生产成本，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：

0.1μm，测量范围最广，单向测径仪最大可测直径达330.3mm，双4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0.1μm，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：

0.3mm～30mm，测量精度：

±2μm，重复性精度：

±1.5μm。

LS-7010M（配备测量摄影机）测量范围：

0.04mm～6mm，测量精度：

±0.5μm。

第二章测量原理和方案论证

2.1测量原理

本次设计测量原理采用物方远心光路，如图2-1。

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

图2-1物方远心光路投影测量原理

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。

则细铜丝直径D=

d

式中：

D为所测细铜丝直径，d为CCD面上阴影尺寸，

f´为物镜6的焦距，L´为光电接收器8与物镜6间的距离

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2-2所示。

图2-2成像原理

图2-2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达到，我们在设计成像物镜时选择了远心光路，如图2-3所示：

图2-3物方远心光路

2.2方案论证

方案一、光学衍射法

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较还由于衍图样的不条纹位置不明显给测带来很大困难。

特别在实时动态测过程中造成测结果不稳定重复性差。

而且本次的细丝直径为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不足。

方案二、分光法

分光法在测量实质上是干涉法测量但也有不足、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，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、环境光扰动会降低信噪比,影响测精度、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、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。

以上不足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。

方案三、线阵CCD法

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。

采用线阵CCD细丝直径测量系统具有以下优点：

1、测量精度高，测量速度快，抗干扰能力强等。

2、时非接触式的测量系统，不影响加工系统正常运行，属无损伤测量，非常适合于生产线上尺寸的测量。

3、设计方案集成化程度高，可与计算机相联，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。

第三章信号处理电路设计

CCD成像测量技术是测量方法中的一个较新的分支,其特点是利用CCD（电荷耦合器件）对被测物体进行光学成像,然后采用图像处理技术完成非接触测量。

利用CCD对光纤直径进行测量采用的就是这种技术，本设计采用CCD平行光投影法，即通过照明光路用平行光将被测工件投影在CCD光敏元件上成像，从而通过像的尺寸获得细铜丝的尺寸。

CCD以脉冲的形式输出视频信号，每一个离散电压信号的大小对应着该光敏元接收光强的强弱，而信号的时序则对应CCD光敏元位置的顺序。

CCD用自身电子扫描方式完成信息从空间域到时间域的变换。

但是经过CCD输出与被测直径相对应的离散电信号，但此信号幅值较低，质量也较差，必须对其进行滤波、放大、整形、二值化等处理后才能输出给微机进行计算分析。

所以