ccd非接触式测径系统的设计及误差分析

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1、CCD非接触式测径系统的设计及误差分析CCD非接触式测径系统的设计及误差分析CCD非接触式测径系统的设计及误差分析CCD非接触式测径系统的设计及误差分析CCD非接触式测径系统的设计及误差分析工程技术武汉船舶职业技术学院学报2008年第6期CCD非接触式测径系统的设计及误差分析戴梦楠(武汉软件工程职业学院,湖北武汉430205)摘要线阵CCD是一种新型的光电传感器件,它在实时测量方面有着广泛的应用,本文介绍一种CCD非接触式测径系统的原理及系统的组成,并在此基础上讨论了采用线阵CCD作为光电转换器件在实时测量物体时的系统误

2、差,进而提出减少这些误差的措施.关键词线阵CCD测径系统;系统误差;非接触式中图分类号TG87文献标志码A文章编号1671—8100(2008)06一OO48一O4随着科学技术的不断发展,大规模的自动化生产,对被加工零件几何尺寸的测量要求速度快,精度高,非接触,动态和自动化.在这种情况下,研制出一种零件尺寸自动测量系统,实现产品零件尺寸的快速动态测量和分选,提高测量和检测速度,减少测量过程中所带来的人为误差,以便适应当前自动化生产的需要,提高经济效益,减轻以至解除工人繁重的检测工作.以往在线测量几何尺寸,由于光电转换器件

3、的局限性,使测量系统不仅机构复杂,而且在性能方面也难以满足精度和速度方面越来越高的要求.目前CCD器件的应用,使这些问题得到了很好的解决.由于CCD本身具有的自扫描,高分辨率,高灵敏度以及结构紧凑,象素位置准确等特性,CCD尺寸测量技术作为一种非常有效的非接触检测方法被广泛应用在工件尺寸在线检测,这种测量方法无需配置复杂的机械运动机构,从而减少了产生系统误差的来源.1CCD测径的工作原理采用光学投影成像,CCD器件光电接收的外径测量原理是:通过光学系统将被测工件的直径尺寸以一定的,准确的倍率成像于CCD光敏面上,对CCD

4、输出信号进行A/D转换,送往计算机,实现相应的测量.计算公为一其中,d——被测工件直径值;a——ccD光敏元尺寸;——光学成像系统放大率;N——被测件经光学系统成像后在CCD光敏区所遮挡的光敏元数.测量原理系统的工作原理框图如图1.图1测量原理图1.1照明系统测量外径原理,并不是对外径的尺寸直接度量,直接测量的是外径在CCD像敏单元上的图像尺寸.由于被测件自身不发光,因而,光学系统必须包含照明系统.对照明系统有三个要求:一,光源应发射与CCD光谱响应特性相匹配的光;二,光源光强不能超出CCD的最低响应度与饱和曝光量之间的

5、范围;三,像面上的照度要稳定,均匀,以防止超出CCD的动态范围.成像系统应把工件按一定的倍率要求成像在CCD的像敏面上,且成像质量要好.1.2光学系统最常用的三种光学系统,分别是平行光照明不通过成像系统,用平行光照明的成像系统,激光照明系统.考虑到是平行光照明系统是线径测量收稿日期:2008—0620作者简介:戴梦楠,女,武汉软件工程职业学院助教,学士学位,主要从事激光,光电检测技术工作.48CCD非接触式测径系统的设计及误差分析戴梦楠的标准系统,且精度较高,经过比较,我们采用平行光成像法,如图2所示.待测物透镜CCI)

6、图2平行光成像法成像系统放大倍率一般大于1,由于孑L径光阑置于成像物镜的后焦面上,形成远心光路,使线阵上得到的细丝像宽度不随细丝前后摆动而变化.又采用平行光照明,使细丝前后摆动在线阵上造成的影像边缘过渡区很小,即可得到边缘清晰的像.1.3CCD器件采用光学投影成像法测量直径,将被测件的图像信号转变成电信号.这一过程我们是用电荷耦合器件CCD完成的,CCD通过像敏元上的像敏单元将图像照度信号,在光积分期间转变成电荷信号贮存于像敏单元势阱中,再转移到移位寄存器,在驱动脉冲的作用下按顺序移出器件称为视频信号.1.4CCD视频信

7、号的处理在不要求图像灰度的系统中,为提高处理速度和降低成本尽可能采用二值化图形处理方法.光学系统把被测对象成像在CCD光敏单元上,由于被测物与背景在光强上的变化反映在CCD视频信号中对应的图像尺寸边界处会有明显的电平变化,通过二值化处理把CCD视频信号中图像尺寸部分与背景部分分离成二值电平.实现CCD视频信号二值化的方法很多,一般都采用硬件电路来实现.其中数值量化法是经过A/D转换将CCD输出的反映光强信息的电压值进行量化处理,然后借助于计算机并结合一定的算法,对量化的数据进行处理,可以得到精确的测量值的一种方法.信号的

8、A/D数据采集与计算机接口的方式很多,本实验所用的A/D数据采集卡是采用ISA总线接口方式.2测径系统的总体结构高精度稳定光源电源采用天津大学为CCD光电精密测量仪器中所配的光源.光源:为了和CCD的光谱曲线相配合,使CCD的光谱响应最大,采用功率为3w的白炽灯.摄像物镜:选取的摄像物镜光的焦距为85mm.孔径光阑: