测控仪器课程设计.doc

一、一、课课程程设计设计任任务务： ：1、目的和要求：、目的和要求：利用 CCD 图像传感器进行尺寸测量是 CCD 应用最广泛的领域之一本课程设计旨在从仪器总体设计思想出发，应用线阵 CCD 作为传感器，设计一套钢管外径测量系统CCD 简介：简介：CCD 图像传感器可直接将光学信号转换为数字电信号，实现图像的获取、存储、传输、处理和复现其特点是：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 电容或光敏二极管结构，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。

而线阵 CCD 就是本课程设计所要采用的传感器件2、主要内容：、主要内容：①、分析研究基于 CCD 的尺寸测量的工作原理②、基于工作原理确定系统总体方案③、进行全系统的总体设计并进行精度分析④、完成总体设计报告3、 、钢钢管直径管直径测测量系量系统统的技的技术术要求：要求：以线阵 CCD 图像传感器为核心的钢管外径测量系统可以用于控制钢管生产线，对钢管外径进行实时监测，并根据测量结果对钢管生产过程进行控制，以提高产品的合格率 测量系统的主要技术指标为：测量范围 60~100mm测量分辨率 0.01mm测量精度 0.05mm二、系二、系统统的工作原理：的工作原理：钢管直径测量系统的原理框图如（图（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图图 1 钢管测量系统原理框图钢管测量系统原理框图系统工作原理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：图图 2 基本原理图基本原理图（图（图 3））给出了测量系统图图图 3 平行光成像法测量系统图平行光成像法测量系统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（图 4））所示：图图 4要求：11A B100mm⑴22A B60mm⑵由（1） 、 （2）两式可得 CCD1、CCD2 的有效测量光敏元总长度1L、2L满足下式12L + L40mm⑶测量钢管外径时，由于钢管的遮挡部分没有光透过，如（图（图 4 4））可知，钢管外径：（4）111 122D=A Bn hn h式中： 是 CCD1 透光光敏元个数1n是 CCD1 光敏元空间尺寸1h是 CCD2 透光光敏元个数2n是 CCD2 光敏元空间尺寸2h三、三、仪仪器器总总体体设计设计1、 、线阵线阵 CCD 的的选择选择钢管外径的测量范围为 60～100mm，现令两 CCD 的固定间距54Lmm ，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 CCD TCD1501C 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 7μm×7μm；像元中心距为 7μm；有效像元总长为 35 mm；光谱响应范围为 400 nm-1000 nm．光谱响应峰值波长为 550 nm，灵敏度为 10．4 V／lx．s～15．6 V／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 CCD TCD1501C 的像元中心距为 7um，可知系统分辨率为 0.007mm40mm（5）满足（3）式设计要求2、 、 CCD1 和和 CCD2 相相对对位置的确定位置的确定如（图（图 4））所示，系统要求11A B100mm。

可设11A B115mm，由12L +L70mm可导出内缘距离：22A B45mm，满足22A B60mm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、光学系统设计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（图 5））图图 5 光路系统结构光路系统结构3.1）照明系统设计）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（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。

图图 6 柯拉照明原理图柯拉照明原理图聚光镜 4 的口径4D为使钢管得到均匀的照明；聚光镜 4 的口径要足够大4Dd式中，d为被测钢管直径光阑 3 的口径3D根据系统应满足拉赫不变量的要求即11 112222Jnu yJn u y式中，1n、2n为照明、成像系统物方介质折射率；1u、2u为聚光镜、成像系统的孔径角；1y、2y为灯丝、被测物体半高经过计算聚光镜 4 选为' 4f=200mm、f/1.8 的镜头，光源为 12V、100W 的白炽钨丝灯，灯丝尺寸为 4mm3mm3.2）成像系统）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（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图 7 成像系统原理图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'2 2y y式中，''23648 829.184yNmmm，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1，即 CCD 像元未得到充分利用物镜的相对孔径'D f（或数值孔径NA）由物镜的数值孔径 NA 为：0.61NA 式中：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sinNAnU和'''sinsinnUnU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；8 m确定物镜焦距'f由''''111l l llLllf    可求出物镜的焦距'f和成像系统的外形尺寸l和'l值视场角'2''ytgx式中：'x为 CCD 光敏面到物镜像方焦点的距离 孔径光阑2P的直径2D''' 222()DxtgUlf tgU物镜通光口径LD2()LDylU带入数据计算，本系统选用的'100fmm，f/2.8 的物镜，系统放大率1。

计算得：物距l=200mm，像距'l=200mm，共轭距L=400mm，物方孔径角U=2.4o，视场角2=12o，光阑2P的直径2D=8.4mm3.3）信号检测电路）信号检测电路3.3.1、二、二值值化化电电路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（图 8））图图 8 浮动阈值二值化电路浮动阈值二值化电路3.3.2、 、检测电检测电路路cF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cF作行同步脉冲 （图（图 9））中的计数器由行同步脉冲cF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图 9 检测电路检测电路3.3.3、信号的、信号的处处理理由于本系统采用双光路测量法，需要检测两路 CCD 信号，给两个 CCD 分别连接两个信号检测电路。

用计算机分别读出两个锁存器的值1N、2N被测钢管直径d：102012N LN LdL式中，1N、2N分别是被测钢管的像在 CCD1 和 CCD2 上所遮挡的像元数；1。