前期报告基于线阵CCD的直径检测系统设计.doc

河北工业大学城市学院本科毕业设计（论文）前期报告河北工业大学城市学院本科毕业设计（论文）前期报告毕业设计（论文）题目：基于线阵CCD的直径检测系统设计专业：测控技术与仪器学生信息：105263、康磊、测控C104指导教师信息：教师号、万峰、副教授报告提交日期：2014/3/22直径检测的几种方法1接触式测量将对于部分形状规则的物体，某些长度端点位置模糊，或不易确定，如圆柱体、乒乓球的直径，圆锥体的高等，需要借助于三角板或桌面将待测物体卡住，把不可直接测量的长度转移到刻度尺上，从而直接测出该长度，这种测量方法叫做“卡测法”。游标卡尺是工业上常用的测量长度的仪器，它由尺身及能在尺身上滑动的游标组成。常用游标卡尺按其精度可分为3种：即0.1毫米、0.05毫米和0.02毫米。螺旋测微器又称千分尺（micrometer）、螺旋测微仪、分厘卡，是比游标卡尺更精密的测量长度的工具，用它测长度可以准确到0.01mm，测量范围为几个厘米。2非接触式测量非接触式测量技术是随着近年来光学和电子元件的广泛应用而发展起来的，其测量基于光学原理，具有高效率、无破坏性、工作距离大等特点，可以对物体进行静态或动态的测量。此类技术应用在产品质量检测和工艺控制中，可大大节约生产成本，缩短产品的研制周期，大大提高产品的质量，因而倍受人们的青睐。CCD（Charge-coupled Device），电荷耦合元件，也称CCD图像传感器。CCD的作用就像胶片一样，但它是把光信号转换成电荷信号。CCD上有许多排列整齐的光电二极管，能感应光线，并将光信号转变成电信号，经外部采样放大及模数转换电路转换成数字图像信号。CCD图像传感器可直接将光学信号转换为模拟电流信号，电流信号经过放大和模数转换，实现图像的获取、存储、传输、处理和复现。其显著特点是：1.体积小重量轻；2.功耗小，工作电压低，抗冲击与震动，性能稳定，寿命长；3.灵敏度高，噪声低，动态范围大；4.响应速度快，有自扫描功能，图像畸变小，无残像；5.应用超大规模集成电路工艺技术生产，像素集成度高，尺寸精确，商品化生产成本低。CCD的研究现状和应用前景CCD广泛应用在数码照相机、医用显微内窥镜等方面，在车辆中加装CCD摄像机提高了行车安全。利用CCD 可以进行光谱能量检测，文字识别0CR，标识识别0MR，图像识别OPR，该技术可广泛应用于公安交通、存车场警卫监控、高速公路自动收费等。目前，随着大规模微细加工技术的发展， CCD像素高密度集成技术取得了突破性的进展，为计量领域应用CCD打下了良好的基础。CCD作为一种易于与计算机连接的传感器，在位移检测、运动速度测量、热加工温度场模拟、激光加工研究、光谱分析、无损探伤等方面都有广泛的应用前景，在工业检测与自动控制应用中将发挥更重要的作用。CCD传感器在焊缝跟踪自动化系统中，已成功地应用于平面的焊缝跟踪，在未来的发展趋势中，运用CCD传感器在进行船体、储汽罐等复杂几何形状、三维几何形状的焊接跟踪实时控制中，更易于实现焊接实时控制，而且可以实现任意形状的焊缝实时跟踪，将起到更重要的作用。它在三维测量系统的开发和应用。CAD，CAM，多煤体应用和虚拟现实系统中都有广阔的应用前景。它将促使铝制造业向机器人自动检测与控制、智能化测量、柔性集成制造系统、无人加工车间方向发展更进一步。随着电脑网络系统的发展，CCD传感器作为电脑前端和图象输入系统，它将以不可阻挡的发展势头深入到各种电脑应用的方方面面。在军事上，CCD图像传感器(尤其是非可见光图像传感器，如X射线成像器，电子束成像器。红外线成像器)的应用会越来越广。它主要应用于夜视(微光夜视、红外夜视)、实时或近实时战术侦察 机载预警、导弹自动跟踪、高速飞行目标的轨迹测量等方面。并必将对现代军事工程技术产生巨大的影响。CCD经过长达35年的发展，大致的形状和运作方式都已经定型。CCD 的组成主要是由一个类似马赛克的网格、聚光镜片以及垫于最底下的电子线路矩阵所组成。目前有能力生产 CCD 的公司分别为：SONY、Philips、Kodak、Matsushita、Fuji和Sharp，大半是日本厂商。国内对CCD等精密仪器的加工工艺还有待进一步发展和改善。随着我国经济的发展，我国在精密仪器的生产制造和引进外国新技术、新工艺方面还会有长足的发展。CCD的应用前景仍十分广阔。CCD工作原理CCD从功能上可分为线阵CCD和面阵CCD两大类。线阵CCD通常将CCD内部电极分成数组，每组称为一相，并施加同样的时钟脉冲。所需相数由CCD芯片内部结构决定，结构相异的CCD可满足不同场合的使用要求。它由光敏区阵列与移位寄存器扫描电路组成，特点是处理信息速度快，外围电路简单，易实现实时控制，但获取信息量小，不能处理复杂的图像。CCD 是以电荷作为信号, 而不同于其他大多数器件是以电流或者电压为信号, 其基本功能是信号电荷的产生、存储、传输和检测。当光入射到 CCD 的光敏面时, CCD 首先完成光电转换, 即产生与入射光辐射量成线性关系的光电荷。CCD 的工作原理是被摄物体反射光线到 CCD 器件上, CCD 根据光的强弱积聚相应的电荷, 产生与光电荷量成正比的弱电压信号, 经过滤波、放大处理, 通过驱动电路输出一个能表示敏感物体光强弱的电信号或标准的视频信号。基于上述将一维光学信息转变为电信息输出的原理, 线阵 CCD 可以实现图像传感和尺寸测量的功能。图表 1测量系统结构图图 2中，照明系统射出的平行光信号经测量工件后，遮挡部分与未被遮挡部分在线阵 CCD光敏面上成不同的像，而遮挡部分所成的像即代表被测工件的直径尺寸，L和 L之间的关系由高斯公式表示3，如式 ( 1)所示。 式中 : d为被测工件直径大小 ; d为被测工件直径在 CCD成像中的大小; 为光学系统放大率 ; L为物距; L为像距 ; f为像方焦距。由式 ( 1)式( 3)可知，确定成像系统的像距、物距后，测出工件图像 d的大小，即可推导出工件的实际尺寸。因此，线阵 CCD测量工件尺寸的关键在于确定工件图像 d的大小。根据 CCD器件的工作原理，光信号经光敏元转换成与光强成正比的电荷，并存储于 CCD内部的金属氧化物半导体 MOS电容器中。然后，CCD器件在一定频率的时钟脉冲驱动下，实现已存储电荷的定向转移，即可在输出端获得表示被测工件大小的视频信号。视频信号中，每一个离散电压信号的大小均对应该光敏元接收到的光强，而信号输出的时序则对应 CCD光敏元位置的顺序。最终，被测工件的影像大小反映在 CCD输出信号中电压的高低上，即在 CCD中间被工件遮挡部分对应的光敏元输出电压为低，两侧未被遮挡的光敏元输出电压为高。这样，空间域分布的光学信息就被转化成按时间域分布的电压信号。 CCD输出的电压信号经过差动放大和滤波处理二值化后，可提取出表示影像 d大小的脉冲信号。该脉冲信号送入单片微型计算机系统 (单片机)，测出脉冲宽度，进而可求得被测尺寸的大小。若用 CCD的复位脉冲 (对应 CCD的光敏元 )对 d脉冲信号进行计数，则有 : 式中 : N为所计脉冲个数 (亦即工件影像 d所遮挡的 CCD像元个数 ) ; 为 CCD的像元尺寸。则由式 ( 1)式( 3)，即可推导计算工件尺寸的大小。光路原理设计图表 2光路原理图图1是CCD平行光投影法直径测量系统的光路示意图,光学系统由照明系统和成像系统两部分组成。光源1发出的光束通过集光镜2,会聚在光阑3。光阑3位于聚光镜的物方焦点处,所以经过聚光镜4后形成平行光,照射到被测工件5上。同时该平行光成像于像方无限远,它与物镜6的入瞳重合;再经物镜成像在孔径光阑7处。另外,集光镜2经聚光镜4成像在物面上,所以物面得到了均匀的照明。最后物体5经物镜6成像在CCD光敏元8上。由于物体对光信号的遮挡作用,理论上CCD器件将输出一个方波,求出图中阴影部分的大小即可得到被测物体的尺寸,如式(5)所示。D =fLd (5)图1 平行光投影法直径测量系统的光路原理图式中:D是被测物体的直径;d是光电接收器上阴影的尺寸;f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。本系统采用的是柯拉远心照明系统和物方远心光路成像系统2,系统中有两组共轭关系3,如图1中下方的文字说明。改变光阑3的大小,可控制成像系统中的孔径角的大小4;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5。驱动光路设计CCD器件需要3路以上驱动时序脉冲。各驱动脉冲必须严格满足相位时序要求,才能保证CCD器件正常工作。常规的驱动电路设计有以下几种方法:线阵CCD可以采用数字电路驱动、单片机I/O口驱动,或者选用可编程逻辑器件针。CCD的系列种类很多,不同生产商的CCD器件的驱动时序往往是差别很大。因此完成CCD通用驱动电路设计的关键在于区别各种不同的驱动时序。驱动脉冲可以用两个参数描述:1)脉冲宽度(描述驱动时序脉冲形状的参数,包括高电平宽度和低电平宽度);2)相位差(各个驱动脉冲之间的相位关系)。使 CCD 芯片正常工作的驱动电路主要有两大功能。一是产生 CCD 工作所需的多路时序脉冲, 二是对 CCD 输出的原始模, 包括增益放大、差分信号到单端信号的转换, 最后驱动器输出用户所需的模拟或视频信息。驱动文件包括脉冲总数、延迟时间、脉冲宽度等三种参数。将驱动时序中的每一个脉冲的宽度数据依次写入驱动文件。主控制器读取驱动脉冲文件的相关参数,并设定好相应的寄存器组,就可以按照驱动文件的要求产生驱动脉冲。所以通用驱动电路的基本组成包括主控制器、存储器、寄存器组三个部分,如图2所示。图表 3通用驱动电路基本组成 工作时间计划：3 月1日 3 月20 日 查阅相关技术资料，撰写前期报告3 月25日 4 月5 日 学习CCD的工作原理，学习Protel中期检查4 月7日 4 月17日 完成CCD驱动电路设计4 月19日 4 月26 日 编写单片机程序4 月28日 5月25 日 撰写毕业论文6 月04日 6 月10 日 毕业论文答辩主要参考文献：1 曹昕燕. CPLD在CMOS图像传感器驱动电路中的应用. 仪表技术与传感器 , 2005,(04)2 石城, 李振华, 夏泽飞, 杨应平. 基于VHDL的线阵图像传感器的驱动电路设计. 武汉理 工大学学报(信息与管理工程版) , 2006,(06) 3 张勇, 唐本奇, 肖志刚, 王祖军, 黄绍艳. 基于CPLD的CCD通用驱动电路设计方法. 核电子学与探测技术 , 2005,(02) 4 张金凤, 王海涌, 申功勋. 用CPLD实现线阵CCD的驱动. 测控技术 , 2005,(05) 5