线阵CCD对表面粗糙度的在线测量

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线阵CCD对表面粗糙度的在线测量学生：王雪梅学号：2120110645专业：光学工程日期：2012年1月8日 目录一、引言二、表面粗糙度测量原理三、表面粗糙度测量系统的结构四、线阵CCD的工作原理五、表面粗糙度的测量过程六、总结一、引言1、表面粗糙度的概念表面粗糙度是加工表面上具有的较小间距和峰谷所组成的微观几何形状特性，它一般取决于所采用的加工方式和工艺规范。表面粗糙度与机械零件的耐磨性、配合性质的稳定性、抗疲劳能力、抗腐蚀性、接触刚度、振动和噪声等有密切关系，对机械产品的使用寿命和可靠性有重要影响。2、表面粗糙度的表示方法在国家标准GB3505-83中有关表面粗糙度的评定参数共有27个，目前常用的六个参数分别是：轮廓算术平均偏差Ra、轮廓微观不平度十点高度Rz、轮廓最大高度Ry、轮廓微观不平度的平均间距Sm、轮廓的单峰平均间距S和轮廓支承长度率tp。其中Ra、Rz与Ry是与微观不平度高度有关的参数，Ra表征了表面粗糙度的实用性能，是世界各国普遍采用的参数，Ry表征了表面微观不平度的局部特性；Sm和S是与微观不平度间距有关的参数，能对表面加工纹理的细密程度做出评价；tp是与微观不平度形状有关的参数，它可以评定表面的耐磨性能。3、表面粗糙度的测量方法传统的表面粗糙度测量的方法主要为触针法，该方法具有测量直观、高精度、高可靠性、多参数等优点，但鉴于其接触式的测量原理，会损坏被测表面，无法检测微小的表面缺陷，并因触针磨损及测量速度的限制，不宜在线实时检测。 随着计算机和机器视觉技术的发展，图像处理与分析方法水平不断地提高，使基于机器视觉成像方法的表面测量技术成为物体表面特征在线测量的一个新手段。由于机器视觉表面在线测量具有非接触、设备简单、对现场环境要求不高、通用性好、易于实现等诸多优点，目前已经受到人们的广泛关注。以下以激光散射原理以及利用线阵CCD成像为例讲述提取表面粗糙度的方法。一、表面粗糙度测量原理当一束光以一定的角度入射到粗糙物体表面时，根据光的几何原理，光线会被物体散射和反射，散射光和反射光的强弱与物体的表面粗糙程度有关。反射光集中在一个很小的面积上，形成一个光斑；散射光分布在反射光斑的周围，形成由许多光点组成的光带。若物体表面比较光滑，反射光斑的光能比较强，散射光带比较窄；反之，若物体表面比较粗糙，反射光斑的光能比较弱，散射光带则比较宽。这一现象定性地说明了散射光能的强弱和物体表面的粗糙程度有关。理论和实践都证明，散射光分布曲线的形状与表面粗糙度有关。以光散射理论为基础，利用光散射特征值法测量表面粗糙度。其原理是由于物体表面不是理想的光滑表面，所以当一束光照射到物体表面上时，除一部分光被反射外，另一部分光被散射，形成一束离散光。研究表明，由被测物体表面反射、散射的离散光的强度呈高斯分布，其概率分布函数为(1)式中，为散射角，为散射角所对应的散射光强度。分布曲线的方差为（2）式中，为平均值（3）在实际测量系统中，是用CCD接收反射光信号。由于测量孔径的限制，实际测量系统不可能也没必要接收整个空间的散射光，同时CCD的各光敏单元也是离散的。这时值应该用离散的散射光特征值来表示（4） 式中，，，是光学常数，为CCD光敏单元数，为第单元的光强。用于描述被测表面的散射光分布情况，称为“光散射特征值”，可作为光散射法测量表面粗糙度的数学模型。用已知表面粗糙度参数的试件作为表面粗糙度标准样块，测得对应的值，即可建立光散射特征值和表面粗糙度关系曲线，从而实现利用光散射特征值法测量工件表面粗糙度。一、表面粗糙度测量系统的结构图1测量装置光路图1、光源该系统采用的光源是由半导体激光器发出的激光束，这是由于激光的稳定性较强，受外界影响小。激光束通过准直光纤和聚焦透镜，减小激光的发散角，并使其能量集中于一点。2、滤光片使经被测工件表面散射后的测量光束因偏振分光镜的阻拦而无法返回激光器，从而避免了光束反射回光的影响。3、对CCD的选择 （1）CCD与CMOS的比较与选择由于CMOS光电传感器集成度高，各光电传感元件、电路之间距离很近，相互之间的光、电、磁干扰较严重，噪声对图像质量影响很大，所以在像素同等的条件下，CCD的成像比CMOS的成像要优越一些，我们选用CCD成像器件。（2）线阵CCD与面阵CCD的比较与选择面阵CCD可以获得二维图像的信息，而且比较直观，而线阵CCD要获得二维图像就必须要有辅助机械直线运动；线阵CCD比面阵CCD具有更高分辨力，更能满足般工业测量对视场的需求；线阵CCD比面阵CCD具有更高的响应频率，便于在运动中测量，对环境要求也不高；此外，线阵CCD比面阵CCD成本低。因此，表面粗糙度的在线测量选用线阵CCD。四、线阵CCD的工作原理以TCD1206UD型线阵CCD为例，它是一种高灵敏度、低暗电流、2160像元的线阵CCD图像传感器，为典型的二相线阵CCD。它由2236个pn结光电二级管构成光敏元阵列，其中前64个和后12个是用作暗电流检测而被遮蔽的，中间的2160个光电二级管是曝光像敏单元。图2TCD1206UD型线阵CCD结构 光积分时间存储电荷转移时间图3驱动脉冲由于结构上的安排，OS端首先输出13个虚设单元信号，再输出51个暗信号，然后才连续输出S1到S2160的有效象素单元信号。第S2160信号输出后，又输出9个暗信号，再输出2个奇偶的检测信号，以后便是空驱动。空驱动数可以是任意的。是、的周期。图4CCD驱动接口电路图四、表面粗糙度的测量过程零件的加工方法有很多，不同加工方法，零件的表面粗糙度不同。这里选取一种加工方法的一组表面粗糙度已知的零件，测量其光散射特征值，可得出 关系曲线，则通过测量未知表面粗糙度零件的，根据关系，可算出其表面粗糙度。具体过程如下：半导体激光器发出的光束经过准直聚焦后照射到被测工件表面，光束会发生反射和散射，用线阵CCD接收工件表面的反射光斑和散射光斑，将其转换成按时间分布的模拟信号，通过转换电路，模拟信号转换为数字信号，图像采集卡将这些数字信号进行图像恢复，计算机采集并保存数据，然后运用辅助软件计算出光散射特征值，即可建立光散射特征值和表面粗糙度关系曲线，再利用曲线关系得到不同光散射特征值下的表面粗糙度参数。四、总结采用线阵CCD进行表面粗糙度的测量，由于是非接触测量，因此，测量速度快、抗干扰性强，测量系统结果稳定可靠，可重复性好，适于在线测量。该测量方法还可实现对内孔、凹槽、大型叶轮、轴承滚道表面等一些复杂形状表面的非接触实时在线检测，在在线检测领域具有相当大的发展潜力。