光電檢測(cè)課程設(shè)計(jì)---基于ccd的外圓錐度的非接觸式測(cè)量

1、<p><b>　　光電檢測(cè)課程設(shè)計(jì)</b></p><p>　　題 目: 基于CCD的外圓錐度的非接觸式測(cè)量</p><p>　　專 業(yè): 測(cè)控技術(shù)與儀器 </p><p>　　組 員: </p>&l

2、t;p>　　指導(dǎo)老師: </p><p>　　2012年12月24日</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要2</b></p><p><b>　　一、研究背景3</b>&

3、lt;/p><p><b>　　1、絕對(duì)測(cè)量3</b></p><p><b>　　2、相對(duì)測(cè)量3</b></p><p>　　3、非接觸式測(cè)量與接觸式測(cè)量的比較4</p><p>　　二、外圓錐度測(cè)量方法4</p><p><b>　　1、錐度的定義4<

4、;/b></p><p>　　2、錐度的測(cè)量方法4</p><p>　　三、系統(tǒng)組成及工作原理5</p><p><b>　　1、光學(xué)系統(tǒng)6</b></p><p><b>　?。?）測(cè)量原理6</b></p><p>　?。?）CCD的基本功能6</p

5、><p>　　（3）CCD的選用7</p><p>　　1)從CCD器件的分辨率方面分析7</p><p>　　3)從CCD器件的使用率方面分析8</p><p><b>　　2、機(jī)械結(jié)構(gòu)8</b></p><p><b>　?。?）旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)8</b></p>

6、;<p><b>　?。?）掃描機(jī)構(gòu)9</b></p><p><b>　　3、電路設(shè)計(jì)9</b></p><p>　?。?）CCD驅(qū)動(dòng)電路9</p><p>　?。?）二值化電路10</p><p>　?。?）脈沖填充和計(jì)數(shù)11</p><p>　　

7、4、數(shù)據(jù)采集與計(jì)算機(jī)接口11</p><p><b>　　四、精度分析11</b></p><p><b>　　五、總結(jié)12</b></p><p><b>　　六、參考文獻(xiàn)12</b></p><p><b>　　摘要</b></p>

8、<p>　　本文在分析了傳統(tǒng)接觸式測(cè)量外圓錐度的一系列弊端基礎(chǔ)上，考慮利用非接觸式測(cè)量方法：利用線陣CCD MN3611傳感器設(shè)計(jì)在線非接觸工件錐度測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括光、機(jī)、電、算四部分，相輔相成，缺一不可。光學(xué)系統(tǒng)將被測(cè)工件成像在CCD的光敏面上；經(jīng)過(guò)CCD驅(qū)動(dòng)電路和二值化處理以及連接計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，再將采集到的數(shù)據(jù)帶入公式計(jì)算，便可得到被測(cè)工件外圓錐度；而且，機(jī)械系統(tǒng)中的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可以具有誤差平均作用，提高測(cè)量精度

9、。</p><p>　　關(guān)鍵詞：線陣CCD；非接觸式測(cè)量；物方遠(yuǎn)心光路；對(duì)稱讀數(shù)</p><p><b>　　研究背景</b></p><p>　　目前對(duì)于外圓錐度的測(cè)量方法大多為接觸式測(cè)量，又可分為絕對(duì)測(cè)量和相對(duì)測(cè)量。</p><p><b>　　1、絕對(duì)測(cè)量</b></p><

10、;p>　　所謂絕對(duì)測(cè)量是指被測(cè)量和標(biāo)準(zhǔn)量直接比較后得到被測(cè)量絕對(duì)值的測(cè)量。如在平臺(tái)上用兩直徑相等的圓柱和量塊測(cè)量外圓錐，如圖1。將圓錐的小端朝下放置在平臺(tái)上，然后在平臺(tái)上的錐體兩側(cè)放上圓柱A、B，測(cè)量出尺寸。再將圓柱用兩等高量塊h墊高，并測(cè)出。由圖可知：</p><p>　　圖1：外圓錐錐度測(cè)量</p><p><b>　　2、相對(duì)測(cè)量</b></p>

11、;<p>　　所謂相對(duì)測(cè)量（比較測(cè)量）是指被測(cè)量和標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較后只確定被測(cè)量相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)量的偏差值的測(cè)量。如用正弦尺測(cè)外圓錐錐度或萬(wàn)能工具顯微鏡坐標(biāo)法測(cè)量錐度。下圖為萬(wàn)能工具顯微鏡坐標(biāo)法測(cè)量錐度：</p><p>　　圖2：用萬(wàn)能工具顯微鏡測(cè)量錐度</p><p>　　上圖是在萬(wàn)能工具顯微鏡上借助測(cè)量刀對(duì)準(zhǔn)錐體零件進(jìn)行測(cè)量的例子。測(cè)量時(shí)，由萬(wàn)能工具顯微鏡的橫向讀數(shù)裝置分別測(cè)出

12、大端和小端直徑D和d：由縱向讀數(shù)裝置測(cè)出尺寸，則有圖中可知：</p><p>　　3、非接觸式測(cè)量與接觸式測(cè)量的比較</p><p>　　無(wú)論是相對(duì)測(cè)量還是絕對(duì)測(cè)量，它們的精度都非常高，適合于檢測(cè)錐度誤差，但是并不適合于生產(chǎn)過(guò)程中快速和方便的檢測(cè)。</p><p>　　以上列舉的絕對(duì)測(cè)量方法，在獲得所需的錐度值時(shí)需要高精度的平臺(tái)和量塊組，而且在組合這些量塊的時(shí)候也是

13、相當(dāng)不方便的，測(cè)量速度和測(cè)量效率都是非常低下的，不適合于生產(chǎn)的快速化。另外，測(cè)量所需要的量塊的價(jià)格和保養(yǎng)維護(hù)等成本都是相當(dāng)昂貴的。</p><p>　　而對(duì)于相對(duì)測(cè)量的正弦尺測(cè)量錐度的方法，除了有絕對(duì)測(cè)量的缺點(diǎn)外，在使用指示表找錐體上的返回點(diǎn)時(shí)也是非常困難的，而且易引入人的主觀誤差，使得其重復(fù)性差；而利用萬(wàn)能工具顯微鏡測(cè)量外錐錐度的方法除了使用昂貴的萬(wàn)能工具顯微鏡外，其用于對(duì)準(zhǔn)錐體的測(cè)量刀上的刻線也是極易磨損掉的

14、，所以萬(wàn)能工具顯微鏡不適合于進(jìn)行大批量的準(zhǔn)度測(cè)量。</p><p>　　綜上所述，我們可以得出現(xiàn)有的外錐錐度測(cè)量方法中共有的一些缺點(diǎn)：</p><p>　?、俨贿m合于快速測(cè)量，效率低下；</p><p>　　②不適合于大批量測(cè)量，只適合實(shí)驗(yàn)室的錐度誤差的檢測(cè)；</p><p>　　③測(cè)量成本較高，測(cè)量設(shè)備維護(hù)要求高；</p>&

15、lt;p><b>　?、軠y(cè)量環(huán)境要求高。</b></p><p>　　針對(duì)接觸式測(cè)量的以上缺點(diǎn)，我們小組一致認(rèn)為利用CCD進(jìn)行外圓錐度非接觸式測(cè)量可以克服這些問(wèn)題。因?yàn)槲覀兪窃谶M(jìn)行錐度測(cè)量，并不是在進(jìn)行錐度誤差的檢測(cè)。所以，即便精度可能略有下降，但依然能在公差范圍內(nèi)滿足使用要求。</p><p><b>　　外圓錐度測(cè)量方法</b><

16、/p><p><b>　　1、錐度的定義</b></p><p>　　錐度是指圓錐的底面直徑與錐體高度之比；如果是圓臺(tái)，則為上、下兩底圓的直徑差與錐臺(tái)高度之比值。因此，錐度測(cè)量其實(shí)就是測(cè)量角度a的正切值。故測(cè)量錐體的錐度可以轉(zhuǎn)變?yōu)闇y(cè)量角度a的大小。</p><p><b>　　2、錐度的測(cè)量方法</b></p>

17、<p>　　利用的原理主要是兩條具有水平刻度尺的平行線切割被測(cè)物體而對(duì)其傾斜角度進(jìn)行測(cè)量。下圖為測(cè)量原理的數(shù)學(xué)模型圖。</p><p>　　圖3: 錐度測(cè)量原理圖</p><p>　　其中：p，q兩直線表示兩條相互平行的像敏單元陣列</p><p>　　m表示兩條相互平行的像敏單元陣列之間的間隔</p><p>　　n表示物體邊界在

18、傳感器上測(cè)得的偏移量</p><p>　　則依據(jù)相應(yīng)的關(guān)系可求得該錐體的錐度，用a角的正切值表示：</p><p>　　三、系統(tǒng)組成及工作原理</p><p>　　光電檢測(cè)系統(tǒng)主要由光、機(jī)、電、算四部分組成。其主要測(cè)量原理圖如下：</p><p>　　圖4： 系統(tǒng)的測(cè)量原理圖</p><p><b>　　1、

19、光學(xué)系統(tǒng)</b></p><p><b>　　（1）測(cè)量原理</b></p><p>　　測(cè)量光路圖如下所示：</p><p>　　圖5： 光學(xué)系統(tǒng)測(cè)量原理圖 </p><p>　　點(diǎn)光源（普通的鈉光燈即可，因?yàn)镃CD無(wú)論是正面照射還是背面照射在可見光區(qū)域的響應(yīng)度都是非常高的）發(fā)出的光

20、，由集光鏡會(huì)聚后，經(jīng)過(guò)聚光鏡前焦點(diǎn)處的光闌一，然后經(jīng)過(guò)聚光鏡變成平行光均勻照射在被測(cè)錐體上。其投影通過(guò)物鏡和光闌二成像于CCD接收器件上。</p><p>　　在照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，涉及到光源的選擇和照明方式。由于該照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)依據(jù)是通過(guò)測(cè)量被檢測(cè)物體的像來(lái)測(cè)量被檢測(cè)物體的特征參數(shù)，故本系統(tǒng)采用柯拉遠(yuǎn)心照明系統(tǒng)和物方遠(yuǎn)心光路成像系統(tǒng)，系統(tǒng)中有兩組共軛關(guān)系（見上圖），改變光闌3的大小,可控制成像系統(tǒng)中的孔徑角的大小；

21、改變集光鏡2的鏡框大小,可改變照明系統(tǒng)的孔徑角的大小,從而控制被照物面的范圍。</p><p>　　由于被測(cè)錐體所成的像與物大小是倍的關(guān)系，所以像與物的錐度相同，故測(cè)得在CCD上所成像的錐度即被測(cè)錐體的錐度。</p><p>　?。?）CCD的基本功能</p><p>　　CCD(英文全稱：Charge-coupled Device)，電荷耦合器件，其輸出信號(hào)包含C

22、CD個(gè)像元所接收光強(qiáng)度的分布和像元位置的信息，使它在物體尺寸和形狀檢測(cè)中顯示出十分重要的應(yīng)用價(jià)值。</p><p>　　CCD輸出信號(hào)的二值化處理常用于物體外形尺寸、物體位置、物體震動(dòng)等的測(cè)量。當(dāng)被均勻照明的被測(cè)物體通過(guò)成像到CCD的像敏面上時(shí)，被測(cè)物體像黑白分明的光強(qiáng)分布使得相應(yīng)像敏單元上存儲(chǔ)載荷了被測(cè)物尺寸、形狀信息的電荷包，通過(guò)CCD及其驅(qū)動(dòng)器將載有尺寸信息的電荷包轉(zhuǎn)換時(shí)序電壓信號(hào)，輸出相應(yīng)的波形。然后，根

23、據(jù)波形，可以測(cè)得物體在像方的相應(yīng)尺寸，然后再根據(jù)成像物鏡的物像關(guān)系和所求被測(cè)量的相應(yīng)關(guān)系，求得所求量。</p><p><b>　?。?）CCD的選用</b></p><p>　　在本測(cè)量系統(tǒng)使用過(guò)程中，主要需要選用的器件是CCD接收器件。CCD接收器件主要有線陣CCD，彩色線陣CCD和面陣CCD。</p><p>　　1)從CCD器件的分辨率

24、方面分析</p><p>　　由上面測(cè)量錐度的數(shù)學(xué)關(guān)系式 知，需要測(cè)量的量就是兩條相互平行的像敏單元陣列之間的間隔m和兩像敏單元陣列上像元感光躍變像元位置的偏移量n。因此，這種測(cè)量方式的角度分辨率就可表示為：</p><p>　　其中，t表示同列像元的中心距。</p><p>　　因此，CCD影響測(cè)量錐度的主要兩個(gè)參數(shù)是：同列像元的中心距t和兩條相互平行的像敏單元陣

25、列之間的間隔m。由以上分辨率公式可知，如果想獲得較高的分辨率，則需要越小越好，即同列像元的中心距t越小越好，兩條相互平行的像敏單元陣列之間的間隔m越大越好。因此，我們從這兩方面分析線陣CCD，彩色線陣CCD和面陣CCD在測(cè)量過(guò)程中的分辨率。</p><p>　　首先，考慮同列像元的中心距t。</p><p>　　由于，同列像元的中心距t的大小，主要是由CCD器件制作工藝決定的，現(xiàn)有的工藝水

26、平能達(dá)到的穩(wěn)定水平在7。因此對(duì)于三種CCD的比較選用過(guò)程中基本不用考慮這一點(diǎn)，因?yàn)槿呋旧鲜窍嗤摹?lt;/p><p>　　其次，我們要考慮的是兩條相互平行的像敏單元陣列之間的間隔m。</p><p>　　對(duì)于彩色線陣CCD器件是由三條相互平行的像敏單元陣列構(gòu)成，R、G、B三條列陣傳感器與被測(cè)物的軸線基本垂直，用分離最遠(yuǎn)的R、G陣列傳感器作為兩條相互平行的像敏單元陣列之間的間隔m。而相鄰感

27、光單元陣列的間距為64為已知量，則R、G陣列傳感器的間隔距離為兩倍的已知間距，即128。</p><p>　　對(duì)于單個(gè)線陣CCD不能測(cè)得二維信息量，必須配以掃描運(yùn)動(dòng)，并且為了能確定圖像每一像素點(diǎn)在被測(cè)件上的對(duì)應(yīng)位置，還必須配以光柵等器件以記錄線陣CCD每一掃描行的坐標(biāo)。利用此裝置可以獲得較大的m值。在此過(guò)程中，線陣CCD在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下水平前移，按照固定的時(shí)間間隔采集一行圖像。從理論上講，電機(jī)運(yùn)動(dòng)速度應(yīng)該是勻速的，C

28、CD采集圖像的時(shí)間間隔所取決的光積分時(shí)間也應(yīng)該是相等的，因此行距應(yīng)該是相等的。但由于電機(jī)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)、啟停過(guò)程中速度的變化，特別是機(jī)械傳動(dòng)部分的誤差都會(huì)影響采集行距的一致性。同時(shí)，線陣CCD自身光積分時(shí)間也會(huì)影響采集行距。所以在一定程度上光柵器件測(cè)得m值雖然可以做的很大，但是對(duì)最后的分辨率有一定的影響。然而可以從算法上克服掃描運(yùn)動(dòng)的影響，使機(jī)械傳動(dòng)的誤差不致對(duì)精度影響非常大。 較分辨率而言，線陣CCD測(cè)量的分辨率高于彩色線陣CCD。&

29、lt;/p><p>　　而對(duì)于面陣CCD的 m值，相對(duì)于同列像元的中心距t也是非常大。下表為一般面陣CCD的靶面尺寸:</p><p>　　表一:面陣CCD的一般靶面尺寸</p><p>　　理論上面陣CCD的最小分辨角是非常高的，但實(shí)際上面陣CCD像元間距制造精度卻限制了它的分辨率。而線陣CCD的掃描行的坐標(biāo)由光柵提供，高精度的光柵尺的示值精度可高于面陣CCD像元間距

30、的制造精度，從這個(gè)意義上講，線陣CCD獲取的圖像在掃描方向上的精度可高于面陣CCD圖像。因此，較二者，線陣CCD加上高精度的光柵在錐度測(cè)量系統(tǒng)中的測(cè)量分辨率高于面陣CCD。</p><p>　　通過(guò)比較分析，線陣CCD加上高精度光柵的測(cè)量分辨率高于彩色線陣CCD和面陣CCD。2)從CCD器件的成本方面分析</p><p>　　線陣CCD的突出優(yōu)點(diǎn)除了分辨率高外，便是價(jià)格低廉。線陣CCD加上

31、掃描機(jī)構(gòu)（包含高精度的光柵尺）及位置反饋環(huán)節(jié)，其成本仍然大大低于同等面積、同等分辨率的面陣CCD。</p><p>　　彩色線陣CCD器件由3條相互平行的像敏單元陣列構(gòu)成，且制造工藝保證三條平行的光敏單元陣列的首尾及像元尺寸的精度較高。所以，線陣CCD的價(jià)格明顯低于彩色線陣CCD。然而，線陣CCD在測(cè)量過(guò)程中需要以高精度的光柵尺為基礎(chǔ)的反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在成本上就高于彩色線陣CCD一點(diǎn)。</p><

32、;p>　　通過(guò)比較分析，彩色線陣CCD在成本上略顯優(yōu)勢(shì)，但也和利用線陣CCD進(jìn)行測(cè)量差不多，但是二者成本明顯低于面陣CCD的成本。</p><p>　　3)從CCD器件的使用率方面分析</p><p>　　線陣CCD系統(tǒng)是利用掃描機(jī)構(gòu)帶著線陣CCD掃描，其使用效率可用計(jì)算機(jī)里面的一詞句“分時(shí)復(fù)用”來(lái)形容。而彩色線陣CCD則是利用相距較遠(yuǎn)的R、G兩陣列進(jìn)行接收測(cè)量，其中的B列完全沒用。

33、如果我們只使用面陣的CCD其中兩列來(lái)進(jìn)行測(cè)量，面陣CCD的使用率是最低的，不過(guò)如果在算法上改進(jìn)精度（例如，利用間隔數(shù)據(jù)采集來(lái)平均求測(cè)量的錐度），使用效率也是非常高的。</p><p>　　通過(guò)比較分析，線陣CCD的使用率和面陣CCD的使用率高于彩色線陣CCD。</p><p>　　綜合以上幾點(diǎn)的分析，我們小組決定使用線陣CCD作為接收器件完成我們的錐度測(cè)量，并選用MN3611作為線陣CCD

34、 器件。 </p><p><b>　　2、機(jī)械結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　我們小組設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中除了必要的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，還有：</p><p><b>　?。?）旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)</b></p><p>　　為了進(jìn)一步減小測(cè)量誤差，我們小組設(shè)計(jì)了一個(gè)物體多次測(cè)量的方法。將被測(cè)物基本垂直固定在一個(gè)旋轉(zhuǎn)機(jī)

35、構(gòu)上，旋轉(zhuǎn)一定的角度測(cè)量一次，然后計(jì)算其平均值作為最終輸出值。每次可測(cè)得對(duì)稱的兩角度，所以只需旋轉(zhuǎn)半周即可，即將180度分成幾等分即可（大致可以45度一分，共分4次）。</p><p>　　旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是很成熟的產(chǎn)品，只是自動(dòng)化時(shí)，是選用普通的電機(jī)還是選用步進(jìn)電機(jī)。經(jīng)小組討論后，由于我們只是需要在不同的地方多次測(cè)得角度然后求取平均值，并不需要精確的角度信息。所以決定選取普通電機(jī)。</p><p&g

36、t;　　相應(yīng)的控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)是由msc-51單片機(jī)控制執(zhí)行的。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)不需要非常高的精度，所以在控制旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，我們只有編制程序輸出對(duì)應(yīng)長(zhǎng)時(shí)間的方波，然后將這方波放大控制前面選用的電機(jī)即可。例如下面是一個(gè)2秒為周期，占空比為50%的方波，由單片機(jī)的P1.0口輸出。</p><p><b>　　ORG 0000H</b></p><p><b>　　AJMP M

37、AIN</b></p><p><b>　　ORG 000BH</b></p><p><b>　　AJMP PI</b></p><p><b>　　MAIN:</b></p><p>　　MOV R7,#0AH</p><p>　　MOV

38、 TOMD,#01H</p><p>　　MOV TH0,#3CH</p><p>　　MOV TL0,#0B0H</p><p><b>　　CLR F0</b></p><p><b>　　SETB ET0</b></p><p><b>　　SETB EA&l

39、t;/b></p><p><b>　　SETBTR0</b></p><p><b>　　LJMP $</b></p><p><b>　　PI:</b></p><p><b>　　JB F0,L1</b></p><p>

40、;　　DJNZ R7,L2</p><p><b>　　SETB F0</b></p><p><b>　　SJMP L2</b></p><p><b>　　L1:</b></p><p><b>　　CPL P1.0</b></p>&l

41、t;p>　　MOV R7,#0AH</p><p><b>　　CLR F0</b></p><p><b>　　L2:</b></p><p>　　MOV TH0,#3CH</p><p>　　MOV TL0,#0B0H</p><p><b>　　RETI

42、</b></p><p><b>　?。?）掃描機(jī)構(gòu)</b></p><p>　　其實(shí)，該系統(tǒng)的掃描機(jī)構(gòu)并不是純粹的掃描機(jī)構(gòu)，只是實(shí)現(xiàn)線陣CCD在垂直方向?qū)崿F(xiàn)一定的位移，即m值。測(cè)量一次就在該方向上移動(dòng)一個(gè)距離，一般這距離不能太大，在幾個(gè)毫米的范圍內(nèi)就足夠了。因?yàn)樘?，這段距離的測(cè)量誤差就大了，最后將直接反應(yīng)到最終的測(cè)量結(jié)果中去。在這個(gè)過(guò)程中，利用機(jī)械微動(dòng)

43、裝置實(shí)現(xiàn)這短距離，然后利用高精度光柵尺測(cè)量作為反饋。實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下圖：</p><p>　　圖6： 線陣CCD利用掃描機(jī)構(gòu)獲得m值的過(guò)程圖</p><p>　　對(duì)于光柵尺的選擇:例如，柵線為50線對(duì)/mm的光柵尺，其光柵柵距為0.02mm，若采用四細(xì)分后便可得到分辨率為5μm的計(jì)數(shù)脈沖，這在工業(yè)普通測(cè)控中已達(dá)到了很高精度。由于位移是一個(gè)矢量，即要檢測(cè)其大小，又要檢測(cè)其方向，因此至少需要兩路相

44、位不同的光電信號(hào)。為了消除共模干擾、直流分量和偶次諧波，通常采用由低漂移運(yùn)放構(gòu)成的差分放大器。由4個(gè)光敏器件獲得的4路光電信號(hào)分別送到2只差分放大器輸入端，從差分放大器輸出的兩路信號(hào)其相位差為π/2，為得到判向和計(jì)數(shù)脈沖，需對(duì)這兩路信號(hào)進(jìn)行整形，首先把它們整形為占空比為1：1的方波。然后，通過(guò)對(duì)方波的相位進(jìn)行判別比較，就可以得到光柵尺的移動(dòng)方向。通過(guò)對(duì)方波脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，可以得到光柵尺的位移和速度。</p><p>

45、;　　我們小組從現(xiàn)有的一些傳感器公司也了解了一些。例如，日本有名的基恩士（KEYENCE）公司中的一些產(chǎn)品。我們選用了他們公司的MWS12 小型數(shù)字量規(guī)（光柵尺）。</p><p>　　MWS12 是精密的小型光柵測(cè)量系統(tǒng),適用于小量程的精密測(cè)量. 尤其適用于測(cè)量, 機(jī)器人技術(shù), 醫(yī)療設(shè)備,精密現(xiàn)代化加工設(shè)備. 通常用于連續(xù)的厚度測(cè)量. MWS12 光柵尺將直線的位移變化轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào). 脈沖信號(hào)的數(shù)量對(duì)應(yīng)移動(dòng)的

46、距離，脈沖頻率則反應(yīng)了運(yùn)動(dòng)速度。MWS12 本體部分由一套精密直線滾珠軸承，復(fù)位彈簧，玻璃光柵，LED光照系統(tǒng)組成。</p><p>　　MWS12輸出信號(hào)為矩形方波。A，B相 相差90°的兩路波形，能夠指示出移動(dòng)距離以及方向。</p><p>　　EF 輸出信號(hào) (向光柵尺內(nèi)部移動(dòng)時(shí)) </p><p>　　圖7： EF輸出信號(hào)</p&g

47、t;<p>　　下表是該光柵尺的一些技術(shù)特性:</p><p>　　表二：MWS12 小型數(shù)字量規(guī)（光柵尺）技術(shù)特性</p><p><b>　　3、電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　（1）CCD驅(qū)動(dòng)電路</p><p>　　我們已經(jīng)選用了MN3611作為線陣CCD 器件。所以我們需要設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路即該

48、器件的驅(qū)動(dòng)電路。</p><p>　　采用兩相脈沖驅(qū)動(dòng)，且驅(qū)動(dòng)脈沖頻率可調(diào)( 由CPLD 實(shí)現(xiàn))。器件工作時(shí)，RS為復(fù)位脈沖，標(biāo)準(zhǔn)值為1 MHz; CR1和CR2為雙相驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘，時(shí)鐘頻率標(biāo)準(zhǔn)值為0．5 MHz; SH為轉(zhuǎn)移脈沖，脈沖寬度標(biāo)準(zhǔn)值為1 000 ns。當(dāng)線陣CCD 器件MN3611 工作時(shí)，需要提供四路脈沖，分別是轉(zhuǎn)移脈沖SH、驅(qū)動(dòng)脈沖CR1和CR2、復(fù)位脈沖RS，其時(shí)序由CPLD 來(lái)實(shí)現(xiàn)。CPLD 輸

49、出的四路脈沖經(jīng)反相驅(qū)動(dòng)器反相后疊加到MN3611 的相位管腳上。在這四路驅(qū)動(dòng)脈沖的作用下，該器件將輸出OS 信號(hào)( 即經(jīng)過(guò)光積分的有效電信號(hào)) 和DOS 信號(hào)( 即補(bǔ)償信號(hào)) 。硬件線路的連接如圖：</p><p>　　圖8：MN3611驅(qū)動(dòng)電路線路連接圖</p><p><b>　　（2）二值化電路</b></p><p>　　在CCD輸出的

50、視頻電壓信號(hào)中，低電平部分表示實(shí)際工件尺寸的大小，高電平部分表征背景光信號(hào)的大小，也就是說(shuō)，工件與背景光信號(hào)的差異在CCD輸出信號(hào)中體現(xiàn)為電平的明顯變化。因此，需要通過(guò)二值化處理，把CCD視頻信號(hào)中工件尺寸部分與背景光部分分離成二值電平。實(shí)現(xiàn)CCD視頻信號(hào)二值化的方法主要有固定閾值法、浮動(dòng)閾值法和微分法，一般用硬件電路實(shí)現(xiàn)。無(wú)論采用哪種信號(hào)處理方式，都是為了從CCD的輸出信號(hào)中提取真正表示被測(cè)工件邊界的特征點(diǎn)。我們采用固定閾值法實(shí)現(xiàn)二值

51、化，線陣CCD二值化電路圖如下所示。圖中，CCD輸出的放大視頻信號(hào)送入電壓比較器的同相輸入端，比較器的反相輸入端加可調(diào)電位器就構(gòu)成了固定閾值二值化電路。CCD視頻信號(hào)經(jīng)電壓比較器后輸出的是二值化方波信號(hào)。調(diào)節(jié)閾值電壓，方波脈沖的前、后沿將發(fā)生移動(dòng)，使脈沖寬度發(fā)生變化。我們可以通過(guò)兩次測(cè)量中電平明顯變化的像元位置的偏移來(lái)得到角度的精確值。 </p><p>　　圖9：線陣CCD二值化電路圖</p>&

52、lt;p>　?。?）脈沖填充和計(jì)數(shù)</p><p>　　一般在尺寸測(cè)量系統(tǒng)中是對(duì)代表尺寸的二值化信號(hào)所覆蓋的CCD像元數(shù)目進(jìn)行采集,這種方法由于受到光敏元距離的影響,測(cè)量精度比較低。例如,光敏元間距為d=7μm的CCD,計(jì)算出像元數(shù)目為N,則:D=Nd±2d,即誤差為2個(gè)光敏元間距14μm。為了提高測(cè)量精度,在經(jīng)過(guò)一系列電路處理將視頻信號(hào)進(jìn)行邊界提取并形成二值化方波后,用更高頻率的時(shí)鐘脈沖對(duì)二值化

53、信號(hào)的寬度進(jìn)行填充計(jì)數(shù),由于每個(gè)脈沖與CCD像元有確定的關(guān)系,用所記錄的脈沖數(shù)乘以脈沖當(dāng)量就可求得被測(cè)尺寸。</p><p>　　4、數(shù)據(jù)采集與計(jì)算機(jī)接口</p><p>　　CCD輸出的電荷信號(hào)不能直接進(jìn)行計(jì)數(shù)處理及用于尺寸計(jì)算。首先由于信號(hào)微弱,且存在高頻干擾,所以需要進(jìn)行濾波放大。另外,光源發(fā)光強(qiáng)度不穩(wěn)定,光路系統(tǒng)的調(diào)節(jié)也不可能盡善盡美，光帶邊緣存在一定色散,輸出信號(hào)在光照和陰影邊界

54、處存在著由明到暗的過(guò)渡。為了得到與工件尺寸相關(guān)的陰影部分尺寸，需要對(duì)CCD輸出視頻信號(hào)進(jìn)行二值化處理，將其轉(zhuǎn)化成矩形波，然后用脈沖填充,計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，再通過(guò)微機(jī)接口與微機(jī)相連，結(jié)合控制程序進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和信息處理。信號(hào)處理原理框圖如下所示：</p><p>　　圖10：CCD視頻信號(hào)處理的原理框圖 </p><p>　　線陣成像器件有基于PC總線的線陣CCD數(shù)據(jù)采集卡，基于PCI總線的線陣CC

55、D數(shù)據(jù)采集卡和基于USB總線的數(shù)據(jù)采集接口等。目前，高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要采用PCI總線和USB總線。盡管PCI總線數(shù)據(jù)傳輸具有許多優(yōu)點(diǎn)，但它在使用過(guò)程中安裝麻煩、易受機(jī)箱內(nèi)環(huán)境的干擾，受到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源、插槽數(shù)量限制，不易擴(kuò)展。因此，利用USB總線設(shè)計(jì)高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可提高系統(tǒng)的普遍適應(yīng)性。</p><p>　　將數(shù)據(jù)輸入到電腦后的控制處理即為上位機(jī)和下位機(jī)的操作。機(jī)發(fā)出的命令首先給下位機(jī)，下位機(jī)再根據(jù)此命令解

56、釋成相應(yīng)時(shí)序信號(hào)直接控制相應(yīng)設(shè)備。下位機(jī)不時(shí)讀取設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)（一般為模擬量），轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)反饋給上位機(jī)。</p><p><b>　　四、精度分析</b></p><p>　　要測(cè)圓臺(tái)ABCD的錐度，前面已經(jīng)說(shuō)明只需測(cè)量角度a的值，如下圖。但是由于放置的時(shí)候圓臺(tái)的軸線并不是理論的垂直于CCD的列陣，因?yàn)?lt;/p><p>　　圓臺(tái)會(huì)在固定架上有

57、一定程度的轉(zhuǎn)動(dòng)。假如繞圖中黑點(diǎn)</p><p>　　對(duì)應(yīng)的垂直于紙面的軸線轉(zhuǎn)動(dòng)了個(gè)角度c（轉(zhuǎn)動(dòng)后圓臺(tái)</p><p>　　軸線與理論軸線的夾角），此時(shí)如果再按照前面建立的數(shù)</p><p>　　學(xué)模型來(lái)計(jì)算將帶來(lái)非常大的誤差，嚴(yán)重影響測(cè)量精度。</p><p>　　因此，我們小組在解決這個(gè)問(wèn)題時(shí)候，借鑒了精</p><p&

58、gt;　　密測(cè)角儀上消除偏心誤差的對(duì)鏡讀數(shù)方法。我們同時(shí)</p><p>　　測(cè)量圓臺(tái)兩邊在CCD上成像的角度，</p><p>　　即可消除這種誤差，這也正是我們?cè)O(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械結(jié)構(gòu)</p><p>　　的作用。如右圖，我們?nèi)耘f利用前面建立的數(shù)學(xué)模型，</p><p>　　只是同時(shí)測(cè)量角度x，y。</p><p>　　依

59、數(shù)學(xué)關(guān)系，從圖中可知：</p><p><b>　　圖11：測(cè)量誤差圖</b></p><p>　　因此，，即為所測(cè)的角度。 </p><p>　　該系統(tǒng)的總的分辨率由前面的分析可知：MN3611作為線陣CCD 器件，其同列像元的中心距t為14μm。m值在這為光柵尺來(lái)回掃描設(shè)定的距離，我們選用的是MWS

60、12 小型數(shù)字量規(guī)（光柵尺），其測(cè)量范圍在12mm ，然而考慮到精度，我們的m值設(shè)定為10mm。其分辨率為0.1μm，準(zhǔn)確度為± 0.4μm / 12 mm。故最小分辨角即可求： </p><p>　　=arctan(14μm/10mm)=0.080度</p><p>　　t表

61、示同列像元的中心距。</p><p>　　m表示兩條相互平行的像敏單元陣列之間的間隔</p><p>　　按照前面也就是測(cè)量錐度的精度14μm/10mm=0.0014</p><p>　　該系統(tǒng)測(cè)量錐度的誤差主要來(lái)自光柵尺的精度和線陣CCD的制作精度，我們小組除了再選用器材上考慮到了選用高精度的器件外，我們還考慮到了兩者的誤差綜合匹配，和成本等問(wèn)題。另外，我們還在結(jié)

62、構(gòu)上設(shè)計(jì)了旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)來(lái)提高精度。前面已經(jīng)分析了，每旋轉(zhuǎn)45度測(cè)量一次，共用4次，每次兩個(gè)數(shù)。</p><p>　　表3：測(cè)量結(jié)果的處理方式</p><p><b>　　五、總結(jié)</b></p><p>　　本文利用線陣CCD MN3611傳感器幾何位置精度高、可靠性高、壽命長(zhǎng)、適合較惡劣環(huán)境的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了在線非接觸工件錐度測(cè)量系統(tǒng)。系統(tǒng)包括光、機(jī)

63、、電、算四部分，光學(xué)系統(tǒng)將被測(cè)工件成像在CCD的光敏面上；經(jīng)過(guò)CCD驅(qū)動(dòng)電路和二值化處理以及連接計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，再將采集到的數(shù)據(jù)帶入公式計(jì)算，便可得到被測(cè)工件外圓錐度；而且，機(jī)械系統(tǒng)中的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可以具有誤差平均作用。如果進(jìn)一步提高光學(xué)系統(tǒng)的加工和裝調(diào)精度，就能保證CCD感光面與像面的完全重合；若對(duì)CCD輸出視頻信號(hào)采用浮動(dòng)閾值法進(jìn)行二值化處理，可進(jìn)一步提高系統(tǒng)的測(cè)試精度。</p><p><b>　

64、　六、參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]王彩霞. 線陣CCD非接觸直徑測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　[2]劉國(guó)旗.一種通用量具測(cè)量外圓錐度的方法</p><p>　　[3]雷玉堂.葉聲華.光電檢測(cè)技術(shù).中國(guó)計(jì)量出版社.2009.5</p><p>　　[4]鄭理.CCD投影法直徑測(cè)量系統(tǒng)的信號(hào)處理電路.2009.TM