玻璃管內(nèi)外徑測量儀

1、課程設計(論文)題目：玻璃管內(nèi)、外徑尺寸測試儀系 別： 光電信息系 專 業(yè)： 光電信息工程 班 級： 學 生： 學 號： 任課教師： 2015年11月目 錄1 緒論31.1 綜述31.2 CCD的發(fā)展史31.3 CCD的功能特性31.4 CCD的主要應用41.5 CCD的基本工作原理41.6 本文主要研究工作52 利用線陣CCD進行玻璃管外徑尺寸測量的測量方法6 3 光學系統(tǒng)的選型說明7 3.1 CCD的選擇具有采樣保持輸出電路的線陣TCD1500C7 3.2 光源及成像物鏡選擇84 CCD用于玻璃管尺寸測量的原理105 測量儀的設計原理126 總結和體會13參考文獻141 緒論1.1綜述 C

2、CD廣泛應用在數(shù)碼攝影、天文學，尤其是光學遙測技術、光學與頻譜望遠鏡和高速攝影技術，如Lucky imaging。CCD在攝像機、數(shù)碼相機和掃描儀中應用廣泛，只不過攝像機中使用的是點陣CCD，即包括x、y兩個方向用于攝取平面圖像，而掃描儀中使用的是線性CCD，它只有x一個方向，y方向掃描由掃描儀的機械裝置來完成。1.2 CCD的發(fā)展史 CCD是于1969年由美國貝爾實驗室（Bell Labs）的維拉波義耳(Willard S. Boyle）和喬治史密斯（GeorgeE. Smith）所發(fā)明的。當時貝爾實驗室正在發(fā)展影像電話和半導體氣泡式內(nèi)存。將這兩種新技術結合起來后，波義耳和史密斯得出一種裝置

3、，他們命名為“電荷氣泡元件”（Charge Bubble Devices）。這種裝置的特性就是它能沿著一片半導體的表面?zhèn)鬟f電荷，便嘗試用來做為記憶裝置，當時只能從暫存器用“注入”電荷的方式輸入記憶。但隨即發(fā)現(xiàn)光電效應能使此種元件表面產(chǎn)生電荷，而組成數(shù)位影像。 到了70年代，貝爾實驗室的研究員已經(jīng)能用簡單的線性裝置捕捉影像，CCD就此誕生。有幾家公司接續(xù)此一發(fā)明，著手進行進一步的研究，包括快捷半導體（Fairchild Semiconductor）、美國無線電公司（RCA）和德州儀器（Texas Instruments）。其中快捷半導體的產(chǎn)品領先上市，于1974年發(fā)表500單元的線性裝置和100

4、x100像素的平面裝置。1.3 CCD的功能特性 CCD圖像傳感器可直接將光學信號轉換為模擬電流信號，電流信號經(jīng)過放大和模數(shù)轉換，實現(xiàn)圖像的獲取、存儲、傳輸、處理和復現(xiàn)。其顯著特點是：1.體積小重量輕；2.功耗小，工作電壓低，抗沖擊與震動，性能穩(wěn)定，壽命長；3.靈敏度高，噪聲低，動態(tài)范圍大；4.響應速度快，有自掃描功能，圖像畸變小，無殘像；5.應用超大規(guī)模集成電路工藝技術生產(chǎn)，像素集成度高，尺寸精確，商品化生產(chǎn)成本低。因此，許多采用光學方法測量外徑的儀器，把CCD器件作為光電接收器。 CCD從功能上可分為線陣CCD和面陣CCD兩大類。線陣CCD通常將CCD內(nèi)部電極分成數(shù)組，每組稱為一相，并施加

5、同樣的時鐘脈沖。所需相數(shù)由CCD芯片內(nèi)部結構決定，結構相異的CCD可滿足不同場合的使用要求。線陣CCD有單溝道和雙溝道之分，其光敏區(qū)是MOS電容或光明二極管結構，生產(chǎn)工藝相對較簡單。它由光敏區(qū)陣列與移位寄存器掃描電路組成，特點是處理信息速度快，外圍電路簡單，易實現(xiàn)實時控制，但獲取信息量小，不能處理復雜的圖像（線陣CCD如右圖所示）。面陣CCD的結構要復雜得多，它由很多光敏區(qū)排列成一個方陣，并以一定的形式連接成一個器件，獲取信息量大，能處理復雜的圖像。1.4 CCD的主要應用 四十年來，CCD器件及其應用技術的研究取得了驚人的進展，特別是在圖像傳感和非接觸測量領域的發(fā)展更為迅速。隨著CCD技術和

6、理論的不斷發(fā)展，CCD技術應用的廣度與深度必將越來越大。CCD是使用一種高感光度的半導體材料集成，它能夠根據(jù)照射在其面上的光線產(chǎn)生相應的電荷信號，在通過模數(shù)轉換器芯片轉換成“0”或“1”的數(shù)字信號，這種數(shù)字信號經(jīng)過壓縮和程序排列后，可由閃速存儲器或硬盤卡保存即收光信號轉換成計算機能識別的電子圖像信號，可對被測物體進行準確的測量、分析。 一般的CCD大多能感應紅外線，所以衍生出紅外線影像、夜視裝置、零照度（或趨近零照度）攝影機/照相機等。為了減低紅外線干擾，天文用CCD常以液態(tài)氮或半導體冷卻，因室溫下的物體會有紅外線的黑體輻射效應。CCD對紅外線的敏感度造成另一種效應，各種配備CCD的數(shù)碼相機或

7、錄影機若沒加裝紅外線濾鏡，很容易拍到遙控器發(fā)出的紅外線。降低溫度可減少電容陣列上的暗電流，增進CCD在低照度的敏感度，甚至對紫外線和可見光的敏感度也隨之提升（信噪比提高）。1.5 CCD的基本工作原理電荷耦合攝像器件（CCDCharged Coupled Device）的突出特點是以電荷為信號的載體，而不同于其他大多數(shù)器件是以電流或者電壓為信號的載體。CCD的基本功能是電荷的儲存和電荷的轉移。因此，CCD的基本工作過程主要是信號電荷的產(chǎn)生、存儲、轉移和檢測。 線陣CCD由光敏陣列與移位寄存器組成，光敏陣列呈線性排列，在光的作用下產(chǎn)生光生電荷存儲于光敏MOS電容勢阱中。按一定的方式將一維線陣 C

8、CD的光敏單元及移位寄存器排列成二維陣列，即可構成二維面陣CCD，二者都需要用光學成像系統(tǒng)將景物成像在CCD 的像敏面上。像敏面將照在每一像敏單元上的圖像照度信號轉變成少數(shù)載流子密度信號存儲于像敏單元中。然后，再轉移到CCD的移位寄存器中，在驅動脈沖的作用下順序地移出器件，成為視頻信號。 對于線陣器件，它可以直接接受一維光信息，而不能直接將二維圖像轉變?yōu)橐曨l信號輸出。為了得到整個二維圖像的視頻信號，就必須用掃描的方法實現(xiàn)。 在此次的項目中只需測量玻璃管的一維尺寸，只要使用線陣CCD將玻璃管的一維尺寸信息成像到CCD上即可，所以在項目中使用了線陣CCD TCD1500C。由于TCD1500C是雙

9、溝道的線陣CCD，下面內(nèi)容為介紹雙溝道線陣 CCD 的原理。 雙溝道線陣CCD攝像器件。它具有兩列CCD模擬移位寄存器A與B，分別在像敏陣列的兩邊。當轉移柵A與B為高電位時，光敏陣列勢阱里積存的信號電荷包將同時按箭頭制定的方向分別轉移到對應的模擬以為寄存器內(nèi)，然后在驅動脈沖的作用下分別向右轉移，最后經(jīng)輸出放大器一視頻信號方式輸出。顯然，同樣像敏單元的雙溝道線陣CCD要比單溝道線陣CCD的轉移次數(shù)少一半，轉移時間縮短一半，它的總轉移效率大大提高。因此，在要求提高CCD的工作速度和提高轉移效率的情況下，常采用雙溝道的方式。對于一般器件的情況來說高于256位的線陣CCD大多為雙溝道的期間。然而，雙溝

10、道器件的奇、偶信號電荷分別從通過A、B兩個模擬移位寄存器和兩個輸出放大器輸出。由于兩個模擬移位寄存器和兩個輸出放大器的參數(shù)不可能完全一致，就必然會造成奇、偶輸出信號的不均勻性。所以，又是為了確保像敏單元的一致關系特性好，在較多像敏單元的情況下也采用單溝道的結構。 1.6本文主要內(nèi)容此次課程設計依托光電子成像為基礎，應用線陣 CCD 圖像傳感器實現(xiàn)對待測物體尺寸的測量，并構建了一個圖形輪廓繪測系統(tǒng)。從而分析研究利用線陣 CCD 進行玻璃管外徑尺寸測量的測量方法，對線陣CCD做出正確的選擇，對光學系統(tǒng)的設計，實現(xiàn)玻璃管外徑尺寸檢測電路的硬件設計。以期進一步加深了我們對于光電子技術在科技領域應用的理

11、解，為將來的實際工作打下堅實的基礎。2 利用線陣CCD進行玻璃管外徑尺寸測量的測量方法將置于準直平行光路中的透明玻璃管經(jīng)過遠心成像系統(tǒng)后，在像面（CCD 光敏面）形成一個反映玻璃管外徑幾何尺寸的影像，CCD視頻信號經(jīng)微機數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理后，可獲得玻璃管外徑。 設玻璃管外徑為R，內(nèi)徑為r，則一束平行光按透過玻璃管后的特性分為三部分。如圖 1 所示，h為入射光線與光軸的距離，n為玻璃折射率。 a. hR 部分。直接透射。 b. rhR時，光纖在玻璃管內(nèi)壁發(fā)生全反射、透射。經(jīng)數(shù)學推導可得出射光線與水平夾角 =180-2sin-1 （h/R)+sin-1h/(nR)-sin-1h/(nr) c.0h

12、r,光線在玻璃管內(nèi)壁發(fā)生折射、透射。經(jīng)數(shù)學推導可得出射光線與水平夾角 =2sin-1（h/r）+sin-1h/(nR)-sin-1（h/R)-sin-1h/(nr)實際證明，CCD成像法用于測量玻璃管內(nèi)外徑是可行的，配上微機后，能夠實現(xiàn)快速自動測量。3光學系統(tǒng)的選型說明3.1 CCD的選擇具有采樣保持輸出電路的線陣TCD1500C 本項目采用的是TCD1500C，這是從TCD1500C的基本結構、工作原理及測量要求等方面考慮的。TCD1500C是一種典型的具有采樣保持輸出電路5340像素單元線陣CCD，它的像元尺寸為7um長、7nm高，中心距離為7nm，像敏單元總長度為37.38mm。該器件被

13、用作非接觸尺寸測量系統(tǒng)中的光電傳感器。 TCD1500C是一種高靈敏度、低暗電流、5340像元的線陣CCD圖像傳感器。該傳感器可用于傳真、圖像掃描和OCR。該器件的內(nèi)部信號預處理電路包含采用保持和輸出預防大電路，它包含一系列5340像元的光敏二極管。圖2是1500C的管腳圖。 其特性如下： a.像敏單元數(shù)目：5340像元 b.箱門單元大?。?um*7um，中心距離7um c.光敏區(qū)域：采用高靈敏度、低暗電流的PN結作為光敏單元 d.時鐘：二相（5V） e.極限工作值：見表2-1 f.管腳定義：見表2-1若被測玻璃管的尺寸范圍較大、精度要求高，為了達到測量所有尺寸的玻璃管而不需要增添或更換測量系

14、統(tǒng)，必須選擇或設計好測量元件。本測量儀采用了兩個線陣TCD1500C的機械拼接結構作為測量頭。原因如下： 玻璃管外徑范圍：1850mm；內(nèi)徑范圍：1540mm；壁厚范圍：1.510mm;直徑和厚壁精度為0.01mm。最大相對測量精度為0.01/50=0.2，TCD1500C位5340像敏單元，像敏單元尺寸長7um、高7um。相當測量精度為1/5340=0.18，符合測量精度要求。成像系統(tǒng)光路圖如圖3.所示，M表示CCD有效像敏單元的長度，N表示第一個有效像敏單元到CCD器件一端的距離，S為兩個CCD器件之間的距離。我們將成像系統(tǒng)放大率定義為1.5，即=1.5/1.5=y/y=1.5，y和y分別

15、表示玻璃管直徑和直徑像的大小。最大為50mm，所以y最大為75mm，這樣大的像用一個CCD接受是不大可能的，因為目前常用CCD尺寸都很小，必須采用幾個CCD進行機械拼接的方法。TCD1500C像敏單元總長即M=37.38mm，N=6mm。如果用兩個1500C拼接，當S=0時，拼接的總長是Mx2+Nx2+S=86.7875mm，滿足要求。此外，兩個CCD器件之間的間隔很重要，為了使所有尺寸的玻璃管都用同一個成像系統(tǒng)測量，就必須使所有被測玻璃管的上下壁各成像在兩個CCD上。只有管的上下壁各成像在兩個CCD上，計算機軟件才能準確地對采集到的信號進行邊緣判斷，從而準確算出壁厚值。要達到此目的，只要使玻

16、璃管內(nèi)徑的最限制都能成像在兩個CCD上，玻璃管內(nèi)徑最小值是15mm，像為15mmX1.5=22.5mm，所以圖3中K必須小于22.5mm，本測量儀使用的CCD拼接裝置：S=2mm，K=2XN+S=1422.5mm，符合要求，在實際應用中也滿足要求。3.2光源及成像物鏡選擇 圖4為光源結構示意圖，圖中發(fā)光二級管 LED 發(fā)出的光經(jīng)過一片雙膠合透鏡L1，LED 成像于 L2 的物方焦平面上，光線經(jīng)過透鏡 L2 后平行射出，形成測量系統(tǒng)的平行照明光源。光源采用藍光 LED， 藍光非常接近 TCD1500C 的峰值響應波長 550nm，用藍光照明，可以提高 TCD1500C 的光譜響應靈敏度， 減少雜

17、光干擾。成像物鏡的選擇必須考慮各種因素，由于本測量儀采用了 兩片線陣 CCD100機械拼接結構，而 1500 長度達到 37.38mm，所以選擇視場較大的成像物鏡。一般照相機的攝影物鏡在最佳像面上的有效視場大于 43mm， 基本滿足各種類型線陣 CCD和一些特殊面陣 CCD 的攝像要求。本測量儀使用的成像物鏡：通光口徑 D=82mm，光圈數(shù) F=1.4 可調(diào)，物距無窮遠焦距 f=150mm。由于采用平行光照明，選擇物鏡口徑必須大于玻璃管外徑最大值。此外，根據(jù)測量現(xiàn)場和測量平臺尺寸，焦距150mm 最合適。4 CCD用于玻璃管尺寸測量的原理 光源發(fā)出的平行光透過玻璃管后經(jīng)過成像物鏡成像在線陣 C

18、CD 的光敏陣列上， 由于透射率和光在不同形狀介質(zhì)中的折射率的不同，是的通過玻璃管的像在上下邊緣處形成兩條暗帶，中間部分的透射光相對較強，形成亮帶，兩條暗帶的最外邊的邊界距離為玻璃管外徑所成的像， 中間亮帶的寬度反應了 玻璃管內(nèi)徑像的大小。兩條暗帶表示了玻璃管上下壁的大小。圖 9 是 CCD 輸出的玻璃管像的視頻信號。 N 1和 N 4表示了玻璃管的外徑在 CCD上對應的像敏單元序號， N2和 N3則是玻璃管的內(nèi)徑在 CCD 上對應的像敏單元序號，這些序號表示出了玻璃管內(nèi)外徑的位置信息。 顯然玻璃管的外徑值為：圖 10 為玻璃管參數(shù)測量原理框圖， 通過光學系統(tǒng)將被測玻璃管的外徑尺寸以一定的、

19、準確的倍率成像于單片 CCD 光敏面上， 再通過接口電路對 CCD 輸出信號進行處理， 送入微機， 實現(xiàn)相應的測量， 直徑測量公式：其中： d 為被測直徑； 為 CCD 光敏面像元尺寸； 為光學系統(tǒng)的放大率； 為被測件經(jīng)光學系統(tǒng)成像后在 CCD 光敏區(qū)所遮擋的光敏元數(shù)。 根據(jù)計算公式測量分辨率 d =a/， 由此可以看出， 光學系統(tǒng)的放大倍率越大、 像元尺寸越小， 測量精度越高。 然而， 放大率太大， 又會導致測量范圍的減小。 為了 提高測量精度， 而又不縮小測量范圍， 本測量儀把兩個 CCD 拼接起來作為光電接收器。 此時， 計算公式為:其中：為兩個 CCD 被工作圖像所遮擋的光敏總元數(shù)；

20、s 為 CCD1 有效末像元與 CCD2 有效首像元的距離。5 測量儀的設計原理根據(jù)項目 ， 我們設計了 測量儀的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)， 機械結構以及控制系統(tǒng)。 整個測量儀的基本原理框圖如圖 11 所示， 其中， 照明系統(tǒng)采用 LED 光源產(chǎn)生平行光照射被測玻璃管。 成像系統(tǒng)由成像物鏡光路組成。 載有玻璃管尺寸信息的光射進成像系統(tǒng)后由物鏡成像到 CCD 感光面。 CCD 在驅動器控制下工作， 并將 CCD 輸出的模擬信號送入 AD 轉換電路。 AD 轉換后的數(shù)字信號送入存儲器緩存， 再由 ISA總線讀入計算機內(nèi)存。 計算機軟件一方面對讀入的數(shù)據(jù)計算各參數(shù)并輸出； 另一方面對控制步進電機的工作。 步進電機 1 和 2 控制玻璃管轉動， 可以測量玻璃管截面上的各個點。 步進電機 3 與絲杠連接， 帶動測量平臺移動。 整個光學系統(tǒng)放置在測量平臺上， 隨著平臺的移動可以測量玻璃管的各個截面?？偨Y和體會通過這次課程設計，我發(fā)現(xiàn)了自身存在的不足之處，雖然感覺理論上已經(jīng)掌握，但在運用到實踐的