ccd测量光纤直径系统设计

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1、CCD测量光纤直径系统设计SA11009045张海滨CCD成像测量技术是测量方法中的一个较新的分支,其特点是利用CCD(电荷耦合器件)对被测物体进行光学成像,然后采用图像处理技术完成非接触测量。利用CCD对光纤直径进行测量采用的就是这种技术，本设计采用CCD平行光投影法，即通过照明光路用平行光将被测工件投影在CCD光敏元件上成像，从而通过像的尺寸获得物体的尺寸。CCD以脉冲的形式输出视频信号，每一个离散电压信号的大小对应着该光敏元接收光强的强弱，而信号的时序则对应CCD光敏元位置的顺序。CCD用自身电子扫描方式完成信息从空间域到时间域的变换。但是经过CCD输出与被测直径

2、相对应的离散电信号，但此信号幅值较低，质量也较差，必须对其进行滤波、放大、整形、二值化等处理后才能输出给微机进行计算分析。所以本次作业将重点对CCD输出信号的后续工作如滤波电路、二值化电路和微机接口等模块进行分析设计。一、测量光学系统设计上图为利用远心光路进行CCD的测量光路原理，D是被测物体的直径；d是光电接收器上阴影的尺寸；是物镜6的焦距；L’是光电接收器8与透镜6像方焦点间的距离。可以计算得到被测物体的直径：CCD成像视场的位置变化对测量会产生很大的影响，因此需要在能够保证被测物体成像物距不变，然而物方远心光路可以部分消除被测物体成像物距微小变化所产生的影响，柯拉

3、照明可以使物体得到均匀地照明，在光学系统中一般对成像质量和测量精度要求较高的系统均采用柯拉照明方式，因此可以采用柯拉照明和物方远心光路组成的光学系统来测量被测工件的直径。而且可以通过改变光阑3的大小，可控制成像系统中的孔径角的大小；改变集光镜2的镜框大小，可改变照明系统的孔径角的大小，从而控制被照物面的范围。一、信号处理部分设计CCD输出的视频信号不能直接进行汁数处理及用于尺寸计算。首先由于信号微弱，且存在高频干扰，所以需要进行滤波放大。另外，光源发光强度不稳定，光路系统的调节也不可能尽善尽美，光带边缘存在一定色散，输出信号在光照和阴影边界处存在着由明到暗的过渡。为了得

4、到与工件尺寸相关的阴影部分尺寸，需要对CCD输出视频信号进行二值化处理，将其转化成矩形波，然后用脉冲填充，计数器汁数，再通过微机接口与微机相连，结合控制程序进行数据采集和信息处理。因而整个信号处理阶段的流程框图可以用下图表示：经过测量系统后，CCD成像系统输出的时序视频信号应当如下图所示：可以知道CCD输出信号是时钟频率为1MHz的小脉冲信号，幅值很小且叠加在一直流电平上，还有噪声存在，阴影区和和光照区分界模糊，此信号不能直接进行计数。首先应通过电容隔直，变成只有交流的信号。二、滤波器选用接下来对信号进行滤波和放大处理，由于我们需要滤掉小脉冲信号，为高频成分，所以选用一

5、低通滤波器来实现。而该信号幅值非常小，所以采用有源滤波器来对信号进行放大处理，因为有源滤波器除了具有滤波功能外，还能够实现信号的放大和缓冲作用；有源滤波器里面有采样系统，根据采样结果，施加以大小相同，方向相反的谐波电流，予以抵消，所以，其滤波能力和效果在一定范围内是可变的，适用于信号处理；而且有源滤波器具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波，具有高度可控性和快速响应的特点。滤波过程中，需要对通带以外的频率成分实现较快的衰减，二阶滤波器能够实现40db/十倍频的衰减速度，响应较快。综合上述描述，滤波器可以选用二阶有源低通滤波器。根据题意，电路需要实现的功能有：电压从5

6、00mv到3-5V的增益，频率成分1MHz的滤除。所以滤波器的主要设计参数可以设定如下：截止频率2KHz；而滤波器的品质因数不可过小，常见的压控型有源滤波器的Q与增益A有关系：Q=1/3-A，所以增益不超过3，若要达到题目要求的10倍增益，可以在滤波器的后方级联一个放大电路，比如取Q=0.707，得到滤波器的放大增益为1.5，级联的方法电路放大倍数A1=6即可满足要求。二阶低通滤波器传递函数：其中：A0为滤波器增益，为特征频率，Q为品质因数。二阶有源低通滤波器基础电路级联一个反相放大电路一、信号处理方法经过滤波放大后的信号波形可以用下图近似表示：（1）、二值化处理（不采

7、用A/D转换）由于需要测量测量光纤直径，就需要知道CCD成像的阴影轮廓位置，而实际七在成像面的投影像轮廓的亮度分布不是突变的，而是有一个由暗到明的过渡过程。过渡过程所占的脉冲个数越少，也就越有利于暗明界线的正确判断。用远心光路照明时，可以认为像的真正轮廓大约在最大亮度的50％处，用二值化方法来判断影像的实际位置和尺寸。这里可以采用比较法，比较法采用电压比较器，是实现二值化处理最简单的方法。将CCD经滤波放大处理的视频信号送往该比较器的同相端，用一个电平作为阈值送到该比较器的反相端，对CCD视频信号进行切割。这样在比较器的输出端就可以得到信