細(xì)絲直徑測(cè)試儀

1、西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)(論文)題目：細(xì)絲直徑測(cè)試儀系 別： 光電信息系 專 業(yè)： 光電信息工程 班 級(jí)： B100105 學(xué) 生： B10010511 學(xué) 號(hào)： 任課教師： 李媛 2013年10月21基于CCD測(cè)量細(xì)銅絲直徑系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要近年來，隨著新型光電器件的不斷涌現(xiàn)、單片機(jī)數(shù)據(jù)處理能力的提高和生產(chǎn)全面質(zhì)量管理的要求，非接觸式智能化儀器將逐步取代傳統(tǒng)上的機(jī)械測(cè)量儀器本文設(shè)計(jì)了一套基于線陣 CCD 的非接觸直徑測(cè)量儀器，該裝置可以對(duì)0.5mm30mm的工件進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量精度為±5m。本文論述了 CCD 光電尺寸測(cè)量裝置的基本原理，分析了光學(xué)系統(tǒng)各部分的形式，采用柯拉照

2、明和遠(yuǎn)心光路成像，以保證成像質(zhì)量和測(cè)量精度。用微分法提取被測(cè)工的邊緣信息，詳細(xì)論述了信號(hào)處理電路中的各個(gè)模塊的實(shí)現(xiàn)方法，并將微分法處理電路和單片機(jī)控制系統(tǒng)作為重點(diǎn)。同時(shí)還給出了 CCD 測(cè)量直徑系統(tǒng)的控制程序流程圖及部分程序。通過實(shí)驗(yàn)得到測(cè)量結(jié)果，對(duì)幾個(gè)重要參數(shù)進(jìn)行了分析，最后就影響系統(tǒng)測(cè)量精度的幾種主要誤差進(jìn)行了討論，給出消除誤差的方法，以便達(dá)到更高的測(cè)量精度。關(guān)鍵字：線陣 CCD 直徑測(cè)量 遠(yuǎn)心光路 微分法 MSP430ABSTRACTIn recent years, along with new optoelectronic devices flowing out continuousl

3、y 、the capacity of MCU data processing improving, and the requirements of overall production quality management, non-contact Intelligent machines will replace the traditional mechanical instruments gradually. In this paper, I designed a set of portable non-contact measurement instruments based on li

4、near array CCD, which can measure the workpiece from0.5mm to 30mm, with measurement precision±5m . In this paper, I discussed the basic principle of CCD photoelectric measurement devices, analyzed the form of parts of optical system, adopt Kohler illumination and telecentric beam path design in

5、 order to ensure image quality and accuracy. Adopting differential theory extracted edge information of measured workpiece, and discussed the signal processing circuit in the realization of the various modules in detail, and made the differential processing circuitry and single-chip control system a

6、s emphases, at the same time I gave control program flow chart of CCD diameter measurement system and related parts procedures of it. Through experimental measurement results, I analyzed several important parameters, discussed several major errors which influences the accuracy of system in the end,

7、gave the method of elimination of errors, in order to achieve higher measurement accuracy. Key Words: Line ararray CCD Diameter measurement Telecentric optical path Differential theory MSP430 目 錄1 緒論51、1 前言51、2 基于CCD測(cè)徑儀的發(fā)展現(xiàn)狀國外發(fā)展現(xiàn)狀51、3 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀61、4 論文的主要內(nèi)容72 測(cè)量原理和方案論證72、1 利用衍射法測(cè)量細(xì)銅絲直徑72、2 利用分光法測(cè)量細(xì)銅絲直徑8

8、2、3 線陣CCD測(cè)量直徑系統(tǒng)測(cè)細(xì)銅絲直徑92、4 成像系統(tǒng)122、5 設(shè)計(jì)方案的論證與選擇采用133 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)133、1 整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)133、2 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)14 3、2、1 光源14 3、2、2 光源照明143、2、3 成像光學(xué)系統(tǒng)144 精度分析154、1 光學(xué)系統(tǒng)對(duì)測(cè)量精度的影響分析154、1、1、衍射154、1、2、環(huán)境光擾動(dòng)154、2 信號(hào)處理電路對(duì)測(cè)量精度的影響分析164、3 零點(diǎn)漂移對(duì)測(cè)量精度的影響164、4 被測(cè)工件的均勻性對(duì)測(cè)量精度的影響164、5 誤差分析164、6 儀器誤差165 總結(jié)175、1 設(shè)計(jì)總結(jié)175、2 學(xué)習(xí)體會(huì)17參考文獻(xiàn)181 緒論1、1 前言光電自

9、動(dòng)檢測(cè)技術(shù)在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中有著極其廣泛和重要的用途。然而，目前產(chǎn)品零件尺寸的檢測(cè)大多數(shù)是人工測(cè)量的接觸式和靜止測(cè)量，所以檢測(cè)速度低，生產(chǎn)效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上目前自動(dòng)化生產(chǎn)的需要。尤其在全面質(zhì)量管理過程中，更需要先進(jìn)的、智能的檢測(cè)手段。目前，國內(nèi)外常采用激光掃描光電線徑測(cè)量15，但是這種方法受電機(jī)的溫度及振動(dòng)的影響，掃描恒速度的限制，會(huì)產(chǎn)生高溫使其降低壽命。我們研制的基于線陣 CCD 便攜式非接觸直徑測(cè)量儀器正是適應(yīng)當(dāng)前社會(huì)自動(dòng)化生產(chǎn)的急需而設(shè)計(jì)的，該測(cè)徑儀是一種光、機(jī)、電一體化的產(chǎn)品。尤其適用于電纜、電線、玻璃管、軸類零件的外徑測(cè)量，對(duì)保證產(chǎn)品質(zhì)量，降低原材料消耗，降低生產(chǎn)成本，提

10、高勞動(dòng)生產(chǎn)率有著重大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)意義對(duì)各種細(xì)絲直徑的測(cè)量常常關(guān)系到工業(yè)產(chǎn)品的級(jí)別，如鐘表中的游絲、光導(dǎo)纖維、化學(xué)纖維、各種細(xì)線、電阻絲、集成電路引線以及種類儀器、標(biāo)尺的刻線等。傳統(tǒng)的測(cè)量方法多數(shù)為接觸法，其它的有電阻法、稱重法。也有采用光學(xué)方法的，如光學(xué)顯微鏡法、干涉法、掃描法、投影放大法、比較法等。然而，大多檢測(cè)方法檢測(cè)速度低，生產(chǎn)效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上目前自動(dòng)化生產(chǎn)的需要。尤其在全面質(zhì)量管理過程中，更需要先進(jìn)的、智能的檢測(cè)手段。目前，國內(nèi)外常采用激光掃描光電線徑測(cè)量，但是但激光衍射細(xì)絲測(cè)量法比較適合于靜態(tài)的高精度測(cè)量 ,當(dāng)用于動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)會(huì)由于被測(cè)絲的晃動(dòng)導(dǎo)致衍射條紋快速移動(dòng)而失

11、準(zhǔn) ,也難以快速得到測(cè)量結(jié)果 ,同時(shí)還具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、 格昂貴等缺點(diǎn) ,不太適于現(xiàn)場(chǎng)快速測(cè)量細(xì)絲直徑?；贑CD技術(shù)的快速發(fā)展及后續(xù)處理算法的日益真實(shí)有效故CCD在現(xiàn)代自動(dòng)化生產(chǎn)中扮演者越來越重要的作用。為滿足大工業(yè)化生產(chǎn)線陣CCD測(cè)徑儀便應(yīng)運(yùn)而生，該測(cè)徑儀是一種光、機(jī)、電、算于一體的產(chǎn)品。尤其適用于電纜、電線、玻璃管、軸類零件的外徑測(cè)量，對(duì)保證產(chǎn)品質(zhì)量，降低原材料消耗，降低生產(chǎn)成本，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率有著重大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)意義。1、2 基于CCD測(cè)徑儀的發(fā)展現(xiàn)狀國外發(fā)展現(xiàn)狀社會(huì)的進(jìn)步重要體現(xiàn)就是科技的進(jìn)步，科技進(jìn)步主要體現(xiàn)使用勞動(dòng)工具的進(jìn)步。從18世紀(jì)工業(yè)革命以來，科學(xué)技術(shù)以前所未有的速度在突飛

12、猛進(jìn)的發(fā)展，特別是近50年來，隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)和加工技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于加工零件的檢測(cè)速度與精度有了更高的要求，向著高速度、高精度、非接觸和在線檢測(cè)方向發(fā)展。為此，工業(yè)發(fā)達(dá)國家對(duì)于檢測(cè)儀器與設(shè)備速度與精度一直作為檢測(cè)儀器的主要指標(biāo)。CCD測(cè)徑儀特別適用于電纜、電線的在線自動(dòng)檢測(cè)，對(duì)保證產(chǎn)品的質(zhì)量，降低原材料消耗，降低生產(chǎn)成本，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率有著十分重要的意義，所以各國政府都很重視對(duì)測(cè)徑儀的研究。英國Beta AS3系列全新的激光測(cè)徑儀：LD1040-S(單向直徑測(cè)量儀)、LD1040XY-S(雙向直徑測(cè)量儀)，精度：0.1m，測(cè)量范圍最廣，單向測(cè)徑儀最大可測(cè)直徑達(dá)330.3mm，雙向測(cè)徑儀最大可測(cè)直

13、徑值達(dá)100mm，測(cè)量精度最高，最高測(cè)量精度可達(dá)0.1m，是目前同類產(chǎn)品中的最高的測(cè)量精度。日本生產(chǎn)的 LS-7000 系列高速、高精度 CCD 測(cè)量儀器，如：LS-7030M（配備測(cè)量攝影機(jī)）測(cè)量范圍：0.3mm30mm，測(cè)量精度：±2m，重復(fù)性精度：±1.5m。LS-7010M（配備測(cè)量攝影機(jī)）測(cè)量范圍：0.04mm6mm，測(cè)量精度：±0.5m。1、3 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀國內(nèi)由于自身的工業(yè)加工水平有限、測(cè)量原理的不完善和結(jié)構(gòu)搭理欠合理，所以，國內(nèi)生產(chǎn)的測(cè)徑儀測(cè)量精度沒有國外的精確，河北省激光研究所光電檢測(cè)控制室生產(chǎn)的JCJ-1激光測(cè)徑儀，是專為玻璃管生產(chǎn)線上玻璃管外

14、徑的測(cè)量、控制、分選而設(shè)計(jì)的集激光、精密機(jī)械、計(jì)算機(jī)于一體的智能化精密儀器。通過激光光束高速（200次/秒）掃描被測(cè)玻璃管，計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)采樣處理，實(shí)現(xiàn)玻璃管直徑在線非接觸檢測(cè)、控制，測(cè)量范圍：0.5mm60mm，測(cè)量精度：±0.01mm。廣州一思通電子儀器廠生產(chǎn)的ETD-05系列激光測(cè)徑儀，測(cè)量范圍：0.2mm30mm，測(cè)量精度：±2m，ETD-05系列激光測(cè)徑儀是一種基于激光掃描測(cè)量原理而設(shè)計(jì)的高精度非接觸式的外徑測(cè)量設(shè)備，儀器采用二維測(cè)量模式，有效消除工件振動(dòng)造成的測(cè)量誤差，特別適合生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)測(cè)量，適用于通信電纜、光纜、同軸電纜、漆包線、PVC管、銅管、纖維線等圓形線

15、材的在線檢測(cè)，也可用于其它各種圓形工件的外徑測(cè)量。南京億佰泰科技有限公司生產(chǎn)的 TLSM100 激光掃描測(cè)微儀，測(cè)量范圍：0.2mm30mm，測(cè)量精度：±3m，是一種高精度、非接觸的尺寸測(cè)量儀器。它通過激光束的掃描獲得被測(cè)目標(biāo)的尺寸，廣泛用于測(cè)量熱的、軟的、易碎的以及其它傳統(tǒng)方法不易測(cè)量的物體，而且很適合生產(chǎn)中的在線測(cè)量或者線材、棒材、管材、機(jī)械和電子元件以及其它生產(chǎn)過程的監(jiān)控。TLSM100 的自動(dòng)方式適用于連續(xù)的測(cè)量；手動(dòng)方式適合單次測(cè)量。它可以設(shè)置上下偏差、峰值限制，當(dāng)超限后做相應(yīng)的報(bào)警；還可以計(jì)算最大值、最小值、平均值。例如：可以測(cè)量旋轉(zhuǎn)圓柱體的最大值、最小值，輥?zhàn)拥钠?。?/p>

16、們研制的基于線陣 CCD測(cè)徑儀測(cè)量范圍：0.5mm30mm，測(cè)量精度：±5m，適用于對(duì)被測(cè)工件進(jìn)行靜態(tài)測(cè)量，也適用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)測(cè)量。1、4論文的主要內(nèi)容（1）深入了解 CCD，尤其是在線陣 CCD 結(jié)構(gòu)與工作原理的基礎(chǔ)上，選擇合理的線陣 CCD，設(shè)計(jì)出合理的測(cè)量直徑系統(tǒng)。對(duì)整個(gè)光電測(cè)量裝置進(jìn)行系統(tǒng)分析，包括 CCD所構(gòu)成的測(cè)量直徑系統(tǒng)的基本原理和輸出信號(hào)處理電路。（2）在進(jìn)行光電測(cè)量裝置設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)分析，并用 ZEMAX 軟件設(shè)計(jì)柯拉照明系統(tǒng)中的集光鏡、聚光鏡和成像物鏡。（3）提出線陣 CCD 測(cè)量方案：基于單片機(jī)的硬件測(cè)量法。單片機(jī)的硬件測(cè)量法是從 CCD 出來

17、的電信號(hào)經(jīng)前置放大，濾波電路進(jìn)行二值化處理，然后送入單片機(jī)，在經(jīng)單片機(jī)處理后送入 LED 顯示。（4）設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)分別對(duì)幾組直徑應(yīng)用上述方法進(jìn)行測(cè)量，對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較、分析，同時(shí)對(duì)產(chǎn)生測(cè)量誤差的主要原因給予分析2、1 利用衍射法測(cè)量細(xì)銅絲直徑 我們選擇了最簡單的一種模型，它是常規(guī)的夫瑯和費(fèi)衍射。即把金屬絲當(dāng)成一個(gè)平面的狹縫,其工作情況如圖2-2所示。光源發(fā)出的平行光束垂直照射在單縫(金屬絲)上.根據(jù)惠更斯-菲涅耳原理,單縫上每一點(diǎn)都可以看成是向各個(gè)方向發(fā)射球面子波的新波源,子波在接收屏上疊加形成一組平行于單縫的明暗相間的條紋.和單縫平面垂直的衍射光束會(huì)聚于屏上x=0處,是中央亮條紋的中心,其光強(qiáng)

18、為I0;與光軸成角的衍射光束會(huì)聚于x=x()處,為衍射角,由惠更斯-菲涅耳原理可得光強(qiáng)分布圖2-1 夫瑯和費(fèi)單縫衍射 （2-1）為式中D為縫寬,為入射光波長.當(dāng)=0時(shí),I=I0,是中央主極大.當(dāng)sin=k/D時(shí),其中k=±1,±2,I=0,是暗條紋.由于很小,故sin,所以近似認(rèn)為暗條紋出現(xiàn)在=k/D處.中央亮條紋的角寬度=2/D,其他任意兩條相鄰暗條紋之間夾角=/D,即暗條紋以x =0處為中心.當(dāng)使用激光器作光源時(shí),由于激光的準(zhǔn)直性,可將透鏡L1去掉.如果接收屏遠(yuǎn)離金屬絲(z>>D),則透鏡L2也可省略.由于tg=x/z,且tgsin,則各級(jí)暗條紋衍射角應(yīng)為

19、（2-2）由此可以求得金屬絲直徑為   （2-3）式中k是暗條紋級(jí)數(shù);z為金屬絲與測(cè)量平面間的距離;XK為第k級(jí)暗條紋距中央主極大的距離。2、2 利用分光法測(cè)量細(xì)銅絲直徑發(fā)光管 D1 發(fā)出的紅外光經(jīng)分光鏡分成兩路 :測(cè)量光路和參考光路。測(cè)量光和參考光分別照射到兩只相同型號(hào)的光電接收管 T1、 T2 上。D1 為中心頻率 880 nm 的進(jìn)口紅外發(fā)光管 ; T1、 T2 為高一致性、 線性度的進(jìn)口光電三極管 ;截止波長為 850nm 的低通濾波片可有效地消除可見光干擾圖22 分光法光路圖 在測(cè)量光和參考光的照射下 ,T1 和 T2 的輸出電壓分別為V 1 和 V 2 ,在測(cè)量光路中沒有

20、被測(cè)細(xì)絲時(shí) , V 1 = V 2 ,此時(shí) V 1、V 2 的差動(dòng)電壓值 V i = 0 . 當(dāng)測(cè)量光路有被測(cè)細(xì)絲時(shí) ,細(xì)絲在T1 的檢測(cè)窗口上產(chǎn)生一個(gè)寬度為細(xì)絲直徑 d ,高度為檢測(cè)窗口高度 h 的投射陰影 ,導(dǎo)致 V 1 發(fā)生變化 ,變化量V 1 與投射陰影面積 d h 成正比 ;由于在電路中采用了負(fù)反饋?zhàn)詣?dòng)光強(qiáng)調(diào)整技術(shù) ,使發(fā)光管發(fā)射的光強(qiáng)穩(wěn)定不變 ,此時(shí) V 2 保持恒定值不變 ;以 V 2 作基準(zhǔn) , V 1、 V 2 的差動(dòng)電壓值 V i =V 1 ,將 V i 放大即可得到與被測(cè)細(xì)絲直徑成線性關(guān)系的電壓信號(hào) ,達(dá)到測(cè)量細(xì)絲直徑的目的。圖23 分光法原理圖2、3 線陣CCD測(cè)量直徑

21、系統(tǒng)測(cè)細(xì)銅絲直徑 圖2-4 線陣CCD測(cè)量直徑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖被測(cè)工件被均勻照明后，經(jīng)光學(xué)成像系統(tǒng)按一定倍率成像于線陣 CCD 傳感器上，基于線陣 CCD 測(cè)量直徑系統(tǒng)原理圖如圖2-5所示: 2-5 線陣 CCD 測(cè)量直徑系統(tǒng)原理圖則在CCD傳感器光敏面上形成了被測(cè)工件的影像，這個(gè)影像反映了被測(cè)工件的直徑尺寸，兩者之間的關(guān)系由高斯公式表示為： (2-4)其中：l-物距 l-像距 f-像方焦距 -光學(xué)系統(tǒng)的放大率 d-被測(cè)工件的直徑大小 d-被測(cè)工件直徑在CCD上影像大小 知道物距、像距并測(cè)出工件影像d的大小，即可求出被測(cè)工件的尺寸。CCD器件把光敏元上工件影像的光學(xué)信息轉(zhuǎn)換成與光強(qiáng)成正比的電荷量。存

22、儲(chǔ)于MOS電容中，用一定頻率的時(shí)鐘脈沖對(duì)CCD進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，則電荷定向轉(zhuǎn)移到輸出端。視頻信號(hào)中每一個(gè)離散電壓信號(hào)的大小對(duì)應(yīng)著該光敏元所接收光強(qiáng)的強(qiáng)弱，而信號(hào)輸出的時(shí)序則對(duì)應(yīng)CCD光敏元位置的順序。最終，被測(cè)工件的影像大小反映在CCD輸出信號(hào)中變?yōu)檩敵鲂盘?hào)電壓的高低，即在CCD中間被影像遮擋部分的光敏元輸出電壓低，兩側(cè)未被遮擋的光敏元輸出電壓高。CCD的輸出信號(hào)如圖2-4所示 圖2-6 CCD輸出信號(hào)最終由CCD實(shí)現(xiàn)按空間域分布的光學(xué)圖像信息向按時(shí)間域分布的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化，該輸出電壓信號(hào)經(jīng)過信號(hào)處理后，可得到表示d大小的脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)送入單片機(jī)中，測(cè)出脈沖寬度，進(jìn)而可求出被測(cè)工件的大小。即用CCD

23、復(fù)位脈沖（對(duì)應(yīng)CCD的光敏元）可求出尺寸的大小。若：為脈沖當(dāng)量（CCD脈沖），N為CCD器件像數(shù)，N1，N2為光照部分的光敏信號(hào)輸出脈沖數(shù)，為光學(xué)系統(tǒng)的放大倍數(shù)，則被測(cè)工件直徑7912為： （2-5）本設(shè)計(jì)中=7m；N=5000；=1，所以實(shí)際上被測(cè)工件直徑尺寸為： （2-6）由于被測(cè)工件的邊緣是通光和擋光的交界點(diǎn)，理論上該處的光強(qiáng)變化率最大，該點(diǎn)就是濾波后的視頻信號(hào)電壓函數(shù) v=v(t)在過渡區(qū)內(nèi)的拐點(diǎn)，由高等數(shù)學(xué)知識(shí)知道，在拐點(diǎn)處，電壓函數(shù)的一次微分為最大值，二次微分為零?；谝陨显?，在測(cè)量系統(tǒng)中對(duì) CCD 輸出信號(hào)采用微分法處理，便于尋找被測(cè)工件的邊緣1011。微分法的波形圖如圖 2-

24、7 所示：2-7 微分法的波形2、4成像系統(tǒng)成像系統(tǒng)采用物方遠(yuǎn)心光路101320。在光電檢測(cè)中, 常常在生產(chǎn)線上對(duì)工件進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量或在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行靜態(tài)測(cè)量，如測(cè)量鋼絲直徑、玻璃管直徑或軸類零件等，為了提高測(cè)量精度，常采用遠(yuǎn)心光路和柯拉照明一起配合使用。對(duì)物體 (工件) 大小的測(cè)量,一般是將物體按一定倍率要求，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像在 CCD 的接收面上，然后對(duì) CCD 輸出信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。圖2.8 成像原理圖按照此種方法進(jìn)行物體線性尺寸測(cè)量時(shí)，光電器件與物鏡之間的距離應(yīng)保持不變，其測(cè)量精度在很大程度上取決于像平面與光電器件接收面的重合程度。由于在測(cè)量過程中，工件常常會(huì)沿光軸方向有所移動(dòng)，使像平面與光電接

25、收面不可能真正重合，因而產(chǎn)生了測(cè)量誤差如圖 2.8 所示。圖 2.8 中 B1B2為被測(cè)物體；B1B2表示被測(cè)物體像的大?。籑1M2為光電器件接收面，由于 B1B2與 M1M2二者不重合，使像點(diǎn) B1B2在 M1M2上形成彌散班，在 CCD 器件接收面上，實(shí)際測(cè)量像的大小為 M1M2，顯然它與實(shí)際的像長 B1B2是不同的。這就使測(cè)量產(chǎn)生了很大的測(cè)量誤差。為了消除這種誤差，可以通過控制主光線的方向來達(dá)到，我們?cè)谠O(shè)計(jì)成像物鏡時(shí)選擇了遠(yuǎn)心光路，如圖 2.9 所示：圖2.9 物方遠(yuǎn)心光路2、5 設(shè)計(jì)方案的論證與選擇采用光學(xué)衍射法測(cè)量細(xì)銅絲直徑在理論上已經(jīng)很成熟，但實(shí)際應(yīng)用中存在一定困難，特別是在測(cè)量精

26、度提高時(shí)，其中的關(guān)鍵困難在于：當(dāng)光經(jīng)衍射后產(chǎn)生的衍射圖樣微弱，信號(hào)的信噪比比較低，還由于衍射圖樣的銳度不大，條紋位置不明顯，給測(cè)量帶來很大困難。特別是在實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量過程中，造成測(cè)量結(jié)果不穩(wěn)定，重復(fù)性差。而且本次測(cè)量的細(xì)絲直徑為1mm，在這個(gè)直徑下不能形成明顯的衍射條紋，即衍射法在原理上存在不足。分光法在測(cè)量實(shí)質(zhì)上是干涉法測(cè)量但也有不足：1、如果細(xì)絲有垂直于測(cè)量光方向的晃動(dòng) ,且晃動(dòng)的幅度使投射陰影超出檢測(cè)窗口之外 ,將會(huì)改變陰影面積進(jìn)而產(chǎn)生較大的測(cè)量誤差； 2、光照在細(xì)絲上會(huì)產(chǎn)生微弱的衍射效應(yīng) ,衍射會(huì)導(dǎo)致線性度變差；3、環(huán)境光擾動(dòng)會(huì)降低信噪比 ,影響測(cè)量精度；4、光電三極管對(duì)溫度有一定的敏感

27、性 ,會(huì)隨溫度的變化而產(chǎn)生靈敏度的變化；5、分光法也不適合于與計(jì)算機(jī)的連接以及后續(xù)圖像采集與處理保存。以上不足使得反光法對(duì)現(xiàn)代化自動(dòng)化生產(chǎn)有一定的局限，但分光法在原理上不存在任何問題。與同類測(cè)量系統(tǒng)比較，CCD細(xì)絲直徑測(cè)量系統(tǒng)具有測(cè)量速度快，測(cè)量精度高，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)良特點(diǎn)，是一種非接觸式的測(cè)量系統(tǒng)，屬無損傷測(cè)量，不影響加工系統(tǒng)正常運(yùn)行，非常適合于生產(chǎn)線上尺寸的測(cè)量。該設(shè)計(jì)方案集成化程度高，可與計(jì)算機(jī)相聯(lián)，可進(jìn)行測(cè)量數(shù)據(jù)的集中采集和分析，以便進(jìn)行質(zhì)量分析和統(tǒng)計(jì)，并在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)質(zhì)量問題時(shí)進(jìn)行報(bào)警提示，便于控制和自動(dòng)化生產(chǎn)。綜合上述分析及我們小組的討論研究，我們決定采用CCD細(xì)絲直徑測(cè)試儀的

28、設(shè)計(jì)方案。3 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)3、1 整體系統(tǒng)設(shè)計(jì) 測(cè)量完整框圖如圖31所示。He-Ne 激光器發(fā)出的激光經(jīng)反射鏡 M1、擴(kuò)束系統(tǒng) M2 后形成均勻的測(cè)量光，測(cè)量光經(jīng)空間濾波器消除雜散光后入射被測(cè)量細(xì)絲，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)在探測(cè) (CCD) 上形成衍射條紋。CCD 將衍射圖樣轉(zhuǎn)換為電信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)整電路處理后進(jìn)入計(jì)算機(jī)，處理采集到的信號(hào)，求得衍射圖樣中暗點(diǎn)的分布尺寸。為保證測(cè)量精度，消除細(xì)絲抖動(dòng)帶來的誤差， CCD 的驅(qū)動(dòng)電路要保證 CCD 的積分時(shí)間足夠短。圖31 系統(tǒng)原理框圖3、2 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)3、2、1 光源測(cè)試中采用半導(dǎo)體激光器。半導(dǎo)體激光器又被稱為二極管激光器（LED ），是體積最小的激光器件，它

29、結(jié)構(gòu)簡單堅(jiān)固，便于直接調(diào)制。經(jīng)過多年的發(fā)展，半導(dǎo)體激光器件的可靠性壽命從幾分鐘增加到百萬小時(shí)，波長覆蓋從中紅外到近紫外，輸出功率從豪瓦直到百瓦水平。半導(dǎo)體激光器工作物質(zhì)是半導(dǎo)體材料，常用材料是砷化嫁，其結(jié)構(gòu)原理與發(fā)光二級(jí)管類似。半導(dǎo)體激光器作為檢測(cè)光源通常要求光源輸出光強(qiáng)的穩(wěn)定性好，引起激光光弧變化的因素有激光器電源穩(wěn)定性的好壞、激光器的結(jié)構(gòu)微小幾何量變化以及它隨工作時(shí)間的變化而產(chǎn)生的熱變形與應(yīng)力等。所以，激光器需要使用穩(wěn)壓電源。3、2、2 光源照明由于半導(dǎo)體激光器有源層橫截面的對(duì)稱和很小的線度，半導(dǎo)體的遠(yuǎn)場(chǎng)光斑即不對(duì)稱又具有很大的光束發(fā)散角，且發(fā)散角不同，垂直于結(jié)平面方向的發(fā)散角很大，一般高

30、達(dá) 50°，平行于結(jié)平面方向的發(fā)散角也有 10°。 所以應(yīng)用半導(dǎo)體激光器的光學(xué)系統(tǒng)需考慮激光束的準(zhǔn)直、 像差的校正和橢圓光束的整形，因而需設(shè)計(jì)準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)和整形光學(xué)系統(tǒng)。3、2、3 成像光學(xué)系統(tǒng)由于生產(chǎn)線上細(xì)絲的擺動(dòng)造成物距改變，從而使像平面與光電接受面不可能真正重合，帶來測(cè)量誤差。為消除其對(duì)測(cè)量的影響，提高測(cè)量精度，成像系統(tǒng)中我們采用物方遠(yuǎn)心光路，如圖32所示圖32 遠(yuǎn)心光路圖物方遠(yuǎn)心光路的基本原則為：在物鏡的像方焦面處設(shè)置孔徑光闌，即為物鏡的出瞳，其入瞳位于無窮遠(yuǎn)處。 物體上各點(diǎn)發(fā)出的光束經(jīng)物鏡后，其主光線必通過光闌中心所在的像方焦點(diǎn) F'，而其物方主光線均平行

31、于光軸。 如果物體 B1B2 正確的位于與光電器件接受面 M1M2 共軛的位置 A1，則在光電器件上像的長為 M1M2。 如果物體 B1B2 沿光軸有所移動(dòng)，位置改到 A2 處，其像面 B1'B2' 將與光電器件接受面不重合，而在光敏面上得到的是 B1 和 B2 彌散斑。 但在物方空間，由于物體上同一點(diǎn)發(fā)出的主光線方向不變，其像方主光線必通過像方焦點(diǎn) F'，因此光電器件接受面上的彌散斑中心仍通過 M1M2 點(diǎn)，從而提高了測(cè)量精度。4 精度分析4、1 光學(xué)系統(tǒng)對(duì)測(cè)量精度的影響分析4、1、1、衍射光照在細(xì)絲上會(huì)產(chǎn)生衍射效應(yīng) ,衍射會(huì)導(dǎo)致線性度變差。試驗(yàn)證明:在 20um 以

32、上,線性度是比較好的;在 20um 以下線性度較差 ,但Vi與d的正相關(guān)關(guān)系沒有改變 ,此時(shí)應(yīng)采用值運(yùn)算擬合法來提高精度。4、1、2、環(huán)境光擾動(dòng)環(huán)境光擾動(dòng)會(huì)降低信噪比,影響測(cè)量精度。在使用了濾波片后已濾除了大部分干擾光 ,再加上遮光罩可使環(huán)境光擾動(dòng)忽略不計(jì)。4、2 信號(hào)處理電路對(duì)測(cè)量精度的影響分析由于外界環(huán)境及電路自身元器件的不穩(wěn)定性，會(huì)使得測(cè)量結(jié)果偏離理想狀況。4、3 零點(diǎn)漂移對(duì)測(cè)量精度的影響1、什么是零點(diǎn)漂移現(xiàn)象：uI0，uO0的現(xiàn)象。2.產(chǎn)生原因：溫度變化，直流電源波動(dòng)，器件老化。其中晶體管的特性對(duì)溫度敏感是主要原因，故也稱零漂為溫漂。3.克服溫漂的方法：引入直流負(fù)反饋，溫度補(bǔ)償。典型電

33、路：差分放大電路4、4 被測(cè)工件的均勻性對(duì)測(cè)量精度的影響在生產(chǎn)過程中，軸類零件，電纜或電線的外徑有時(shí)不很均勻。被測(cè)工件經(jīng)過光照在CCD成像，線徑不等時(shí)則被照部分CCD輸出脈沖數(shù)與均勻被測(cè)工件被照部分的CCD輸出脈沖數(shù)不等，反應(yīng)到測(cè)量結(jié)果上就會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差，在設(shè)計(jì)中，我們采用對(duì)被測(cè)工件的多次測(cè)量，然后求取平均值的方法來消除這種誤差。粗大誤差也影響測(cè)量精度，但它是有外界條件的突然變化引起的，當(dāng)外界條件改變時(shí)引起CCD輸出信號(hào)的不穩(wěn)定，只要保證外界條件持續(xù)穩(wěn)定，則粗大誤差就很少發(fā)生。4、5 誤差分析在實(shí)驗(yàn)過程中，我們分別對(duì)直徑=1.0mm的標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行了三組測(cè)量，每一組采取多次重復(fù)測(cè)量，取平均值，并進(jìn)

34、行相應(yīng)的精度計(jì)算。4、6 儀器誤差 根據(jù)誤差合成理論知儀器總誤差為：5 總結(jié)5、1 設(shè)計(jì)總結(jié)本課題的研究是以線陣 CCD-光電傳感器 TCD1501D 及光學(xué)鏡頭為基礎(chǔ)構(gòu)建的光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)，對(duì) CCD 的輸出信號(hào)采用微分法提取被測(cè)工件的邊緣信息，由單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理完成測(cè)量工作。本文從光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)入手展開研究：包括測(cè)量直徑系統(tǒng)的構(gòu)建、線陣 CCD 測(cè)量器件的選擇、光學(xué)鏡頭的設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)組成的硬件電路、程序設(shè)計(jì)做了相應(yīng)的介紹。綜上所述，本課題的研究主要做了以下方面的工作：設(shè)計(jì)了基于線陣 CCD 的直徑測(cè)量系統(tǒng)。包括線陣 CCD 的選型，光源的選取，光學(xué)鏡頭的設(shè)計(jì)，介紹線陣 CCD

35、光學(xué)測(cè)量原理。在進(jìn)行光電測(cè)量裝置設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)分析，并用 ZEMAX 軟件設(shè)計(jì)了柯拉照明系統(tǒng)中的集光鏡、聚光鏡和成像物鏡。本論文從實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了使用 CCD 技術(shù)進(jìn)行非接觸測(cè)量，特別是對(duì)輸出信號(hào)不采用傳統(tǒng)意義上的閾值處理法，而采用微分法對(duì)工件的邊緣信號(hào)進(jìn)行提取，用 MSP430F149單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并編制相應(yīng)的程序。用 CCD 測(cè)徑系統(tǒng)對(duì)幾組直徑做實(shí)驗(yàn)研究，分析了測(cè)量系統(tǒng)的誤差。由測(cè)量結(jié)果可知，測(cè)量精度在±5m之內(nèi)。如果從以下幾個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)，可以得到更高的測(cè)量精度。光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、光學(xué)系統(tǒng)的準(zhǔn)確調(diào)節(jié)、鏡頭裝調(diào)和校驗(yàn)。測(cè)量時(shí)，若 CCD 感光面與像面不重合，CCD 將

36、接收到模糊的圖像信息，造成測(cè)量誤差，以后可以采用增加瞄準(zhǔn)部分來解決。CCD 傳感器的像元尺寸的幾何位置精度高，可靠性高，壽命長，適合較惡劣的自然環(huán)境，CCD 技術(shù)被應(yīng)用在幾乎所有的成像相關(guān)的領(lǐng)域，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及 CCD技術(shù)的研究和應(yīng)用，CCD 技術(shù)將得到普及和推廣。鑒于我小組成員的知識(shí)結(jié)構(gòu)及經(jīng)驗(yàn)有限，論文基于線陣 CCD 便攜式直徑測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)還存在許多不完善的地方，有待于在今后的研究中進(jìn)一步完善。也希望學(xué)校在這方面對(duì)學(xué)生多給予實(shí)踐上的幫助，脫離了實(shí)踐的設(shè)計(jì)往往是個(gè)空中樓閣，想要真正把這些問題做到還得大家的共同努力。5、2 學(xué)習(xí)體會(huì)經(jīng)過這次的課程設(shè)計(jì),我個(gè)人得到了不少的收獲,一方面加深

37、了我對(duì)課本理論的認(rèn)識(shí),另一方面也提高了實(shí)驗(yàn)操作能力。現(xiàn)在我總結(jié)了以下的體會(huì)和經(jīng)驗(yàn)。這次的課程設(shè)計(jì)跟我們以前做的課程設(shè)計(jì)有所不同，因?yàn)槲矣X得這次我是真真正正的自己親自去完成。所以是我覺得這次課程設(shè)計(jì)最寶貴，最深刻的。就是課程設(shè)計(jì)的過程全是我們自己動(dòng)手來完成的，這樣，我們就必須要弄懂課程設(shè)計(jì)的要求。在這里我深深體會(huì)到哲學(xué)上理論對(duì)實(shí)踐的指導(dǎo)作用：弄懂課程設(shè)計(jì)要求，而且體會(huì)到了課程設(shè)計(jì)的操作能力是靠自己親自動(dòng)手，親自開動(dòng)腦筋，親自去請(qǐng)教別人才能得到提高的。我們做課程設(shè)計(jì)絕對(duì)不能人云亦云，要有自己的看法，這樣我們就要有充分的準(zhǔn)備，若是做了也不知道是個(gè)什么課程設(shè)計(jì)，那么做了也是白做。課程設(shè)計(jì)總是與課本知識(shí)

38、相關(guān)的，比如：此次的課程設(shè)計(jì)就必須回顧課本的知識(shí)，知道課程設(shè)計(jì)將要面對(duì)的難題、運(yùn)用的什么物理量，寫報(bào)告時(shí)怎么處理這些物理量。在課程設(shè)計(jì)過程中，我們應(yīng)該盡量減少思路上的盲區(qū)以提高課程設(shè)計(jì)的效率，有的人一開始就趕著做，結(jié)果卻越做越忙，主要就是這個(gè)原因。我也曾經(jīng)犯過這樣的錯(cuò)誤。 我們做課程設(shè)計(jì)不要一成不變和墨守成規(guī)，應(yīng)該有改良創(chuàng)新的精神。實(shí)際上，在弄懂了課程設(shè)計(jì)原理的基礎(chǔ)上，我們的時(shí)間是充分的，做課程設(shè)計(jì)應(yīng)該是游刃有余的，如果說創(chuàng)新對(duì)于我們來說是件難事，那改良總是有可能的。比如說，在做課程設(shè)計(jì)時(shí)，我們可以通過不同思路、不同方法來解決。在課程設(shè)計(jì)的過程中我們要培養(yǎng)自己的獨(dú)立分析問題和解決問題的能力。培

39、養(yǎng)這種能力的前題是你對(duì)此次課程設(shè)計(jì)的態(tài)度。如果你在課程設(shè)計(jì)這方面很隨便，抱著等老師教你怎么做，拿同學(xué)的報(bào)告去抄，盡管你的成績會(huì)很高，但對(duì)將來工作是不利的。在這次的課程設(shè)計(jì)中，我對(duì)一些測(cè)試硬件、軟件及其使用有了更深刻的認(rèn)識(shí)。本人認(rèn)為，在做這次的課程設(shè)計(jì)中，學(xué)習(xí)ZMAX軟件、光電儀器設(shè)計(jì)知識(shí)等知識(shí)，是一件很有趣的事情，因?yàn)閆MAX軟件是一個(gè)很好的軟件，它能夠?qū)Ω鞣N測(cè)試結(jié)果進(jìn)行準(zhǔn)確的分析實(shí)在是太神奇了，所以我覺得ZMAX軟件的起到非常重要的作用。最后，通過這次的課程設(shè)計(jì)我不但對(duì)理論知識(shí)有了更加深的理解，對(duì)于實(shí)際的操作也有了質(zhì)的飛躍。經(jīng)過這次的課程設(shè)計(jì)，我們整體對(duì)各個(gè)方面都得到了不少的提高，希望以后學(xué)

40、校和系里能夠開設(shè)更多類似的課程設(shè)計(jì)，能夠讓我們得到更好的鍛煉。參考文獻(xiàn)1 Harry prunk.The latest development in measuring equipment for online quality control at the cable extrusionJ.Wire Journal International,2000,7:104111.2 張國玉，安志勇，李成志等.雙光束激光掃描尺寸測(cè)量系統(tǒng)J.半導(dǎo)體光電，1998，5（16）：320323.3 鄧景珊，張力，朱永茂等.核電站燃料2 UO 芯塊直徑在線激光掃描測(cè)量J.應(yīng)用激光，2001，3（21）：18018

41、2.4 李慧鵬，王軍，張軍，唐文彥.一種新型非接觸式線徑測(cè)量系統(tǒng)J.儀器儀表學(xué)報(bào)，2004，25（4）：209211.5 徐熙平，姜會(huì)林，張國玉著.光電尺寸檢測(cè)技術(shù)及應(yīng)用M.吉林省科學(xué)技術(shù)出版社，2004，622.5徐春梅.提高 CCD 用于非接觸式測(cè)量小精度的研究及其模擬實(shí)驗(yàn).河北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2000.1.6 康華光著.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分M（第四版）.高等教育出版社，1987.8.7 佟首峰，阮錦，郝志航.CCD 圖像傳感器降噪技術(shù)的研究J.光學(xué)精密工程，2000，8 張林，李永新，胡學(xué)友.基于相關(guān)雙采樣的 CCD 視頻信號(hào)處理研究J.宇航計(jì)測(cè)技術(shù)，20079黃美玲，張伯珩，邊川平，李露瑤，達(dá)選福.相關(guān)雙采樣技術(shù)在航天相機(jī)中的應(yīng)用研究J.傳感器技術(shù)，200510 李藝琳，馮勇，安澄全.用相關(guān)雙采樣技術(shù)提高 CCD 輸出信號(hào)的信噪比J.電測(cè)與儀表，1999，第 5 期11 佐藤一郎著.集成運(yùn)算放大器電路設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)M.學(xué)術(shù)期刊出版社，1989 年第 1 版.12 費(fèi)業(yè)泰.誤差理論與數(shù)據(jù)處理M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，199813 郁道銀，談恒英主編.工程光學(xué)M.機(jī)械工業(yè)出版社.14 吳福田，馮