基于CCD的大范围衍射法细丝直径测量系统研究与设计

发表于 2018-5-17 23:10

近些年来，伴随着半导体技术与光电子学科技的迅速发展，在各个领域中广泛应用着大量光电器件。其中，电荷耦合器件（CCD）由于具有光电转换、像元尺寸小、几何精度高、性能稳定等优点，被大量用于非接触式直径测量领域。相对于接触式的直径测量方式，非接触直径测量具有测试速度快，精度高，对环境要求低等特点，因此使用范围较广。

本文对基于线阵CCD 的非接触直径测量系统进行了较为全面的研究，并结合本课题的特点（即针对直径为60mm 的特定材料进行测量），提出了适合本课题的具体设计方案，本方案中没有采用常见的光学成像系统，而是直接采用发光二极管作为光源照明。

直径测量系统在现代工业生产中应用十分广泛，对直径实现高精度和快速测量在工业控制、工业生产中有着重要的应用价值，基于CCD的非接触式直径测量方法可以在不损害被测物物理性质的前提下完成对待测物的测量，测量速度快、精度高，而且对测量环境没有特殊要求，在现代工业生产中应用十分广泛。本文在保证测量精度的前提下以增大测量范围为主要目的，在查阅大量国内外文献，详细分析国内外的研究现状的基础上，主要完成了以下几方面的研究内容：
(1)提出了两套测量方法共用一套成像光路的测量系统。该系统运用光幕法和衍射法测量细圆柱体直径，从而提高了系统的测量范围，实验结果表明共用成像系统的两种测量方法在测量细圆柱体直径可以在保证测量精度的前提下，增大了测量范围。
(2)研制了一套基于CCD的大范围细圆柱体直径测量系统。测量系统选用氦氖激光器和大功率LED作为光源，面阵CCD相机作为接收器。系统的测量范围是0．04--40mm．系统研究了透射式成像光路和反射式成像光路的区别，并分析了针对远心成像系统对待测物空间位置的要求。
(3)根据常用的CCD标定方法，以及标定后的测量结果的误差分析，提出二次曲线标定方法，在测量范围内二次曲线标定方法有效减小了对于直径在O．5．1．5mm范围内的细丝直径测量结果误差。
(4)针对测量系统里的两种测量方法，设计相应的图像处理及数据分析程序，并在MATLAB环境下设计图形用户界面，从而达到测量结果实时显示。

1．3课题主要研究内容
本课题的主要工作是研究基于CCD的直径测量系统，以解决国内测量仪测量范围单一、测量精度低等问题，可实现实时测量、在线显示测量精度与误差大小等。以满足现代工业技术对不同圆柱体高精度的在线测量。论文的主要研究内容如下：
(1)研究分析基于CCD的直径测量技术的国内外发展现状，结合课题满足测量直径为40微米N40毫米的圆柱体的实际需要，选择基于投影法和衍射法测量圆柱直径，并研制相应的测量系统。
(2)在分析光幕法测量原理和衍射法测量原理的基础上，研究传统的测量模型。针对传统模型存在的问题以及测量范围广泛的需求，设计反射式光路的成像系统，从而满足不同测量方法共用一套成像系统。并且对比传统投射光路，探究反射式光路的优越性。
(3)针对圆柱体投影法和衍射法得到的图样，进行数据处理，以及误差矫正。
一次修正系统误差和二次修正系统误差，详细分析各种因素对所的图像的影响，如投影法测量中光束的平行、待测物所处的位置变化、边界衍射等对边界的影响，衍射法测量中自噪声、LD光源的高斯特性、细圆柱体空间位置及外界扰动和焦点光斑等对细圆柱体衍射花样的形成的影响。
(4)针对小直径的圆柱体衍射花样的噪声问题，使用小波滤波处理，然后与真实值进行对比。并基于MATLAB中的GUI设计数据处理界面，以达到实时监测的目的。
(5)对本课题的研究成果进行总结，对该系统的应用前景进行展望。

2．1 引言
2系统工作原理及整体方案设计
本论文的核心思想就是设计一种基于CCD的直径测量系统，该测量系统测量范围广，0．04mm-40mm，并可实现实时显示、在线测量。为了达到高精度、低误差，我们采用衍射测量方法测量直径范围为0．04—0．5mm的细丝，采用光幕法测量直径范围为0．5—40mm的细圆柱。
本系统由光源，扩束准直系统，成像系统，计算机处理系统组成。

光源的选择，作为测量光源，其发光强度和高信噪比是比较重要的参数，是衡量
光源在测量系统中对测量精度影响的重要标准，目前，光源种类繁多，适用的场合及
系统也不相同，所以在使用光源时，应考虑到根据不同的使用目的和系统要求来选
择不同的光源，还要考虑二者的光谱匹配情况。这里介绍可供选择的两种光源：LED
光源和激光光源。
LED光源的特性主要有如下几点：
(1)光源的尺寸和形状灵活性大。(2)寿命长。由于光源在用于在线测量系统中时，往往要求光源照射持续时间足够长，便于数据的不间断采集。(3)响应时间短，可以使工作过程中没有延迟。(4)光源颜色多选。(5)成本低，体积小，重量轻。激光光源具有单色性好、能量集中、光强稳定性好、便于调制、结构简单的特点，并且对激光器功率进行调节，光斑亮度改变灵敏，亮度较均匀，基本符合实验使用要求。而且LED光源频谱较宽，不利于衍射边界的提取。所以实验中选择激光作为衍射测量的光源，具体选用的是大恒新纪元科技股份有限公司型号为DH—HNl200的氦氖激光器。由于投影法测量实验中光幕的光能分布对实验结果有影响【51，所以选用了大恒公司型号为GCI一060401的大功率LED作为光源。
光路中扩束准直系统、成像系统、CCD接收系统的具体选型会在后续测量原理中介绍。

CCD相机选择，传统的基于CCD的非接触式直径测量装置采用的图像传感器都是线阵CCD，只能接收一维图像信息，测量时需要严格保证细圆柱体与线阵CCD的位置垂直，这不但对测量装置自身的精度有着苛刻的要求、对测量工件的位置亦要求绝对静止，增加了测量的难度，并且测量的精度也不能得到保证。而在实际测量中保证二者绝对垂直基本是不可能做到的，因此采集的图像都多多少少会偏离CCD的中线，此时线阵CCD采集到的光强分布与实际的光强分布有一定的出入，直接用于后续处理计算将直接影响测量结果的精度。在测量系统中采用面阵CCD作为图像传感器，不但弥补了线阵CCD在测量中的局限性，并能完全不用考虑二者是否垂直这一苛刻条件。当然采用面阵CCD作为细圆柱体衍射花样的接收器件也有其不足：线阵CCD可以直接得到特征信息，而面阵CCD接收的图像必须经过提取才能得到有效信息，对测量系统的数据处理速度有相当的要求。所以根据以上分析可知，在基于CCD的非接触式直径测量系统中使用面阵CCD作为图像接收设备十分必要。所以我们选择了面阵CCD相机，像元数为1280x1024。光路中扩束准直系统、成像系统等的具体选型会在后续测量原理中介绍。

2．2基于CCD测量系统整体方案设计
传统的非接触式直径测量系统测量往往都是基于一种测量方法的，这样会导致测量范围单一，很难广泛应用。所以我们提出了基于两种测量方法(投影法和衍射法)的直径测量系统，这两种测量方法共用成像系统，这样测量时只需要更换光源就可以测量直径为0．04mm～0．5mm的细丝和直径在0．5mm～40mm范围的细圆柱体。
传统的投影法测量直径和衍射测量方法的原理图如图2—1和图2．2所示，传统光路比较复杂，所以为简化光路，我们用远心镜头代替了成像光路，选用的是大恒GCO一23远心镜头。远心镜头由前后组镜头组合而成，前后组镜头的共焦面处装有光阑，使其主光线在物方及像方均与光轴平行，入瞳和出瞳在无穷远。在物面、像面略不垂直于光轴或稍有离焦的情况下可保证恒定的透视测量及恒定的放大率，这系列产品的另一个特点是具有较长的焦深，能达几个毫米，可广泛适用于各种精密测量。

传统的非接触式测量方法光路中成像部分均采用透射式，即待测物所成图像直接经过成像透镜成在CCD上，这种成像光路可使CCD上所成图像边界清晰，不过由于我们的待测物体直径变化范围广，而且远心透镜的工作距离是一个定值，所以当更换待测物时会导致待测物到远心透镜的距离发生变化，从而使CCD上图像边界变得不清晰，影响测量。而且如果光源的平行光准直度不够也会引起很大误差。其次更重要的是关于衍射测量中，由于激光光强大，所以中央亮纹会使CCD上的感光元件过于饱和，从而激发周围感光元件，影响衍射条纹的后续处理。综合以上考虑，我们提出并选用了反射式成像光路，这样待测物体位置变化并不会改变远心镜头的工作距离，所以从原理上分析选择反射式成像光路更佳，两种成像光路的测量结果比较会在后续章节的数据分析里进行。

光幕法直径测量方法一般有放大成像法和平行光成像法，由于我们设计的测量系统需要测量范围尽量大，测量范围又受到成像透镜尺寸制约，所以光幕法光源选用平行光。要获得平行光需要扩束准直系统，为了简化光路扩束准直系统也选用了圆心透镜，这样整个光路得到了简化。

光幕法直径测量方法中，LED光源发出的光通过球透镜汇聚到远心镜头1，再通过远心镜头扩束为平行光束，平行光束被待测物体遮挡后形成阴影区，从而白屏上会形成阴影图样，白屏上的阴影图样会通过半透半反镜、远心镜头2成像在CCD相机上，从而通过计算机采集到阴影图像。根据成像原理可知，采集到图像中的阴影宽度与待测物体直径成正比。相机得到的是像素1280x1024的图片，我们只要对相机的像素进行标定，再确定阴影部分宽度的像素数就可以得到待测物体直径。

被测物经远心透镜在CCD相机上成像，像的尺寸与被测物实际尺寸成一定的比例。设图像中阴影部分宽度所占像素数为N，比例系数为k，则被测物体的实际尺寸D可由D=埘来表示，k表示每个像素所代表的实际尺寸，它与光学成像系统的放大倍率、CCD象元尺寸等因素有关。丁对应于像所占的象元数量与单个象元尺寸的乘积，也就是测量得到的待测物直径。求k值的过程也叫定标。

定标的具体方法是：先把一个已知尺寸为厶的标准物体放在被测目标位置，得到该物体的像所占据的CCD象元数“，从k=厶／眠可以得到系统的k值，然后再把被测目标三。置于该位置，测出对应的CCD象元数Ⅳ，，由三。=埘。就可以最终算出三，值。定标需要光学系统保持恒定，即系统各部件之间工作距离和相对位置不能改变，如有改变，则测量前需要重新定标。我们选定的反射式成像光路固定了待测物及成像光路的位置，这样系统标定只需要标定一次，为我们在线实时测量奠定了基础。
这种标定方法成为一次标定法，这种标定方法简单，不过系统误差不可忽略，所以可以引入系统误差，在标定时修正部分误差，即二次标定法【15】。二次标定中待测物直径三，与图像中阴影所占像素数札满足

完整的pdf格式文档51黑下载地址：

4 硕士学论文 48页北京交通大学.pdf (5.71 MB, 下载次数: 20)

帐号		自动登录	找回密码
密码			立即注册