（光学工程专业论文）石英玻璃管测量仪的数据采集系统设计.pdf

摘要 本课题是与廊坊久智光电子材料科技有限公司合作的项目，项目全称为“石 英玻璃管成品综合测量仪一，课题承担了测量系统中的数据采集与光电接收系统 的设计工作。石英玻璃管的综合参数测量是生产中的一个重要环节，是石英玻璃 管质量检测的重要依据。当前国内玻璃管生产商一般采用人工测量和激光扫描测 量，研制高精度、非接触的自动测量仪器是玻璃管生产行业的迫切需求。文中所 介绍的测量仪器采用线阵c c d 图像传感器为测量元件，采用步进电机带动玻璃 管转动和控制测量平台移动，实现对玻璃管进行大范围，多参数的非接触测量。 在v i s u a lc + + 6 0 的环境下开发了测量仪的软件，只要设定测量参数，就可实现 自动测量，完全替代了人工。通过实际测量，达到了测量精度、测量范围等要求。 论文主要讨论用c c d 非接触测量玻璃管尺寸的原理，对c c d 器件进行机械拼 接成像的设计、线阵c c d 器件的拼接技术以及拼接后的数据采集电路设计等。 课题主要完成的工作： l 、以理论分析为基础，提出了采用线阵c c d 器件进行机械拼接测量的设计思 想，采用a d 转换方式获取玻璃管边界信息和i s a 总线接口电路将所存数据 送入计算机进行分析、判断和计算出玻璃管的多种行为尺寸方面的参数。 2 、设计了c c d 光电接收系统的机械结构，使设备的安装稳定、调节方便、计量 精确。 3 、采用了现场可编程数字逻辑器件，设计了拼接的线阵c c d ( t c d l 5 0 0 c ) 的 同步驱动与数据采集电路，使电路具有小型化和便于安装、调试的优点。 4 、设计了基于i s a 总线的c c d 数据采集计算机接口卡及接口软件。 5 、设计了石英玻璃管综合参数测量仪的数据采集软件和部分控制软件。 关键词：线阵c c d ，石英玻璃管，机械拼接，i s a 总线 a b s t r a c t t h i ss u b j e c ti sc o o p e r a t e dw i t hj i u z h ip h o t o e l e c t r o nm a t e r i a lt e c h n o l o g yl t d i n l a n g f a n gc h i n a w h i c hf u l ln a m ei st h em e a s u r e m e n ts y s t e mo fp a r a m e t e r sf o rq u a r t z g l a s st u b e 两i st h e s i sd e s i g n e dt h ed a t ac o l l e c t i o na n dt h ep h o t o e l e c t r i cr e c e i v e ro f t h em e a s u r e m e n ts y s t e m p a r a m e t e r sm e a s u r e m e n tf o rq u a r t zg l a s st u b ew h i c hi sp a r t a n dp a r c e li nm a n u f a c t u r ep r o v i d e sab a s i cb a s i sf o rq u a l i t yi n s p e c t i n g c u r r e n t l y ， h o m ep r o d u c tl i n e su s em a n u a ls k i l la n dl a s e rs c a n n i n gt e c h n o l o g yt oi n s p e c tq u a r t z g l a s st u b e s ，d e v e l o p i n gh i g hp r e c i s i o na u t o m a t i cm e a s u r e m e n ta p p a r a t u sm e e t st h e d e m a n do fg l a s st u b em e r c h a n t s t h ei n s t r u m e n tw ed e v e l o p e dw h i c hm a k eu s eo ft h e l i n e rc c da n ds t e p - t y p ee l e c t r o m o t o r sc o n t r o l l i n gm a c h i n ec a nl a r g e l ym e a s u r e l a r g e s c a l ep a r a m e t e r so fg l a s st u b e s a n dy o uj u s th a v et os e tt h ed a t ao ft h e m e a s u r e dt u b e ，o u rs o f t w a r ed e s i g n e di ne n v i r o n m e n to fv i s u a lc + + 6 0f o r i n s t r u m e n tc a r lm e a s u r et u b e sa u t o m a t i c a l l y 。豇l i sp a p e rd i s c u s s e dt h ep r i n c i p l e 馕毅 c c du s e di nm e a s u r i n gg l a s st u b e s c c dm e c h a n i c a ls p l i c e de q u i p m e n tf o ri m a g i n g s y s t e ma n dd a t ac o l l e c t i o nc i r c u i to fc c d t h em a i nt a s k so f t h i s 俑e s i sa r el i s t e da sf o l l o w s ： 1 w eb r i n gf o r w a r das c h e m eo fg l a s st u b em e a s u r e m e n ts y s t e mc o m p r i s e do f m u l t i c c d sc h i p ，a pc o n v e r s i o n ，s t a t i cm e m o r i e sa n di s a - i n t e r f a c ei m a g i n g p r o c e s s i n gc a r d 2 d e s i g n e dp r e c i s ea n df l e x i b l em e c h a n i c sf o rm u l t i - c c d sr e c e i v e r 3 c o n t r i v e dt c d l5 0 0 cd r i v e r se m p l o y i n gf p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l el o g i c g a t ea r r a y ) 4 d e s i g n e dt h ei s a i n t e r f a c ed a t ac o l l e c t i o nc i r c u i to fc c d 5 d e v e l o p e dt h ei m a g i n gc o l l e c t i n gs o f t w a r eo fc c df o rt h em e a s u r i n g i n s t r u m e n ta n d p a r t i a lc o n t r o ls o f t w a r e 。 k e yw o r d s ：l i n e a rc c d ，q u a r t zg l a s st u b e ，m e c h a n i c a ls p l i c e d , i s ai n t e r f a c e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他入已经发表 或撰写过的研究成果，氇不包含戈获褥苤鲞叁堂或其他教育机构麓学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了舞确的说明并表示了谢意。 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解蕉鎏蠢鲎有关傺磐、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞蠢堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进符检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 一虢a 覆 签字e 期：捌年文月刁爨 导师签名： 签字日期：如吣7 年2 月 z 7 目 有夕欲一乏 第一章绪论 第一章绪论 1 1 石英玻璃管成品综合参数测量的背景和现状 课题属横向的合作开发项目，项目主要内容是研制石英玻璃管成品的综合 参数测试仪器。仪器能够对外径2 0 - - 5 0 m m ，壁厚2 8 m m ，长5 0 1 5 0 0 m m 的石 英玻璃管进行多种参数的非接触测量，如外径、壁厚、偏壁厚和弯曲度等多种 参数进行测量，且具有测量精度高，范围广，测量参数多等特点。 石英玻璃是s i 0 2 单一组分玻璃，具有优越的物理、化学性能；高纯度、化 学稳定、光谱透过宽、抗热冲击、耐高温变形、耐射线辐照、电气绝缘性高 等。在非晶态材料中，只有高硅氧玻璃( v y c o r ) 与石英玻璃的性能接近，其他任 何玻璃材料都不具有如此全面的应用性能。石英玻璃是一种重要的工业材料，在 电光源、冶金、化工、电子、光纤、激光、航天和核技术领域广泛应用。石英材 料及制品是现代电子信息产业的基础材料，而用其制造的高纯度高精度透明石 英玻璃管是一种非常优良的基础材料，具有一系列优良的物理、化学性能，例 如：耐高温，耐腐蚀，热稳定性好，透光性能好，电气绝缘性能好等。石英玻 璃由于具有上述优良的理化性能，因此被广泛的应用于电光源、半导体、光通 信、军工、冶金、建材、化学、机械、电力、环保等领域。与我们合作开发的 公司为我国最早从事石英材料生产的厂家之一，它相继开发与生产出光纤预制 棒用套管，纯掺杂管，复合掺杂管，高纯度、高精度透明石英玻璃管、棒材， 还有石英玻璃仪器、型材和石英坩埚等多种系列产品。主要应用于光通信、激 光、半导体制造业和军工、科研等领域【l j 。 石英玻璃管及其他石英制品的参数检测是生产中的一个重要环节，关系着 产品的质量，实时的参数检测可以控制生产过程中玻璃管的拉制速度、吹气量 及合格品筛选等，提高产品的合格率与后续深加工的计算依据。目前玻璃管的 检测方法主要有人工测量，激光扫描测量等。人工测量主要用游标卡尺千分尺 等工具测量，存在测量误差大，不能测量较长玻璃管的各个截面的壁厚与弯曲 度等缺点。激光扫描测量是在玻璃管转动中对其动态扫描，利用多光束干涉的 原理计算参数。由于激光测量是动态测量，因此测量精度不高，尤其表现在对 玻璃管弯曲度的测量。此外，传统激光测量的传动系统中一般采用主电机带动 玻璃管与从动轴转动。由于所测玻璃管的直径大，壁厚薄，机械强度低，这种 传动机构的转动惯量所产生的扭转力矩较大，容易在玻璃管由转动到静止状态 变化时受扭矩的作用而使之破碎。 第一章绪论 1 2 课题意义 从1 9 7 0 年美国贝尔实验室第一只电荷耦合器件( c c d ) 以来，依靠成熟的 m o s 集成电路工艺，c c d 技术得到了迅速发展。由于线阵c c d 图像传感器具 有高分辨率、高灵敏度、像素位置信息强、结构紧凑及其自扫描等特性，所以利 用线阵c c d 测量具有非接触、无磨损、不引入测量的附加误差、测量精度高、 速度快、实时性强并易与计算机进行数据交换等优点。课题研制的石英玻璃管成 品综合测量仪正是使用线阵c c d 作为测量头，利用计算机处理采集数据和图像、 提取边沿、检测数据，对玻璃管高速连续地测量；此外，测量仪还采用了双步进 电极同步驱动玻璃管转动，平移步进电极驱动测量头移动，可以测量玻璃管长度 的各个部分和每个部分的各个截面。与其他的测量法相比，该测量仪具有非接触， 测量精度高，速度快，测量参数多，操作方便等一系列优点，它必将取代现有的 测量方法，具有很大的实际应用价值和广泛的应用前景。总之，我们所研究的石 英玻璃管成品综合测量仪具有重大意义： 1 采用线阵c c d 图像传感器作测量元件，测量精度高、速度快、应用方便 灵活，易于计算机接口，方便计算机控制。 2 本测量仪由计算机控制自动测量，极大的杜绝了人为因素的影响，实现 了检测的智能化。因此，提高了生产效率，减少了不良品的数量，从而为相关产 业降低了成本。 3 本测量仪编制了良好的操作软件，便于工人操作，适合工厂使用，对减 少工人劳动强度有重要意义。 3 本测量仪因为采用非接触光电测量方式，对被测物没有影响，对于光电 探头也不存在磨损的问题，不必要定期更换检测探头，只要定期为光电探头除尘 即可。 4 由于国外类似的玻璃管非接触测量仪器价格昂贵，国内企业很少使用， 本项目的开发解决了此难题，填补了国内此项技术的空白。 1 3 课题工作内容 在理论分析的基础上，提出了基于线阵c c d 工作原理并结合了可编程逻辑 器件( f p g a c p l d ) 技术和i s a 总线技术的石英玻璃管参数数据采集方案。 1 设计石英玻璃管成品综合测量仪的c c d 光电检测系统。 2 根据被测玻璃管的外径和壁厚测量范围的要求，设计两个线阵t c d l 5 0 0 c 的机械拼接结构。 2 第一章绪论 3 设计线阵c c d ( t c d l 5 0 0 c 器件) 的驱动电路，a d 数字转换电路，存储 电路，基于i s a 总线的数据采集接口电路。电路中采用现场可编程数字逻辑器 件c p l d 器件e p m 7 1 2 8 为硬件设计载体，使驱动电路具有小型化、和易于安装 调试的优点。 4 设计基于v c 6 0 软件平台的玻璃管参数数据采集程序，此程序是石英玻璃 管成品综合测量仪软件的一部分，主要负责数据采集和观测成像。软件包括c c d 数据采集模块和c c d 成像实时观测模块。并根据软件提供的c c d 成像后输出 的波形调整两个线阵c c d 器件在光电接收系统中的位置，达到能够满足课题对 测量范圈与测量精度豹要求。 3 第二章c c d 的工作原理和拼接技术 第二章c c d 的工作原理和拼接技术 线阵c c d 图像传感器的种类繁多。根据此项目中被测玻璃管的外径和壁厚 尺寸范围以及所定的光学系统的放大倍率，在此测量仪中使用了两片线阵c c d ( t c d l 5 0 0 c ) ，它的像敏单元数多、长度长、高灵敏度、高动态范围的特 性，符合本项目的需要，具体分析见第三章。在进入课题设计之前，应首先来 了解c c d 的工作原理。 2 1 c c d 的基本工作原理【2 】【3 】 电荷耦合摄像器件( c c d - - c h a r g e dc o u p l e dd e v i c e ) 的突出特点是以电荷 为信号的载体，而不同于其他大多数器件是以电流或者电压为信号的载体。 c c d 的基本功能是电荷的存储和电荷的转移。因此，c c d 的基本工作过程主要 是信号电荷的产生、存储、转移和检测。 ， 2 1 1 c c d 工作原理简介 c c d 器件的工作原理可简单概括如下：在c c d 摄像器件的感光面上，分布 有几十万甚至几百万个独立的铝电极，各自对应一个像素和势阱。当外界的光 学景物通过光学系统的成像物镜成像于c c d 的感光面上，使c c d 内部产生电子 一空穴对。其中，少数载流子被电场吸引到势阱中，形成电荷包。电荷包中电 荷的数量与该处的光照强度成正比，这样就把景物的亮暗变成了电荷包中的电 荷多少，也就是将光学图像变成了由电荷包中电荷的多少来描述的电子图像， 完成了光像到电像的转换。随后，在外加时钟脉冲的驱动下，各个势阱中的电 荷包按一定顺序从c c d 中转移出去，形成图像信号输出到外电路。 2 1 2 c c d 器件的结构原理 c c d 器件是由几十万个单元按一定排列制成的有序阵列，每个单元的核心 结构如图2 1 m o s 结构单元的构成及势阱储存的信号电荷。由金属、绝缘层、半 导体构成的称为m o s 结构单元，每一m o s 单元构成一个像素。工作原理如图 2 2 势阱深度与的关系及电荷填充量所示。与电子势阱深度的关系；电子势 阱内可存储电子电荷，称为电荷包。势阱内电荷包有向势阱深处转移的特性。当 m o s 结构金属电极加上正电压( 称为栅压v g ) 时，图中在p 型半导体内部空穴被 排斥，在绝缘层界面下形成一个空间电荷区( 耗尽层) 。随着增高，耗 4 第二章c c d 的工作原理和拼接技术 嬲结构单元构成燃结构荦元的势阱及储存信- 蟹电荷 图2 - im o s 结构单元的构成及势阱储存的信号电荷 尽层深度增加，半导体内电子势能变 低，电子有向电子势能低处移动的特 点，因此耗尽层对电子象一个陷阱一 样，称之为电子势阱。电子势阱可以 用来存放电子，电子电荷是通过光注 入或电注入方式注入的外来信号电 荷。电荷量大小由外来信号决定，与 栅压无关。势阱内存储的电子电荷 通常称为电荷包。其特点是：增加， 势阱变深；减小，势阱变浅，势阱 中的电子有向势阱深处移动的特点。 2 1 3 c c d 信号电荷的注入 势阱深度与的关系及电荷填充量 图2 - 2 势阱深度与的关系及 电荷填充量 势阱内的电荷包是由光敏材料受光照射后激发，产生电子空穴对，空穴被 排斥后，电子则作为反映光强的载体一电荷包被收集、注入到势阱中，这就是 c c d 器件的光电变换过程。势阱中电荷包内电荷数量的多少与对应像素的亮度 和积累的时间成正比。在c c d 中，电荷注入的方法有很多，归纳起来，可分为 光注入和电注入两类。当光照射到c c d 硅片上时，在栅极附近的半导体体内产 生电子空穴对，多数载流子被栅极电压排斥，少数载流子则被收集在势阱中形 成信号电荷。光注入方式又可分为正面照射式与背面照射式。所谓电注入就是 c c d 通过输入结构对信号电压或电流进行采样，然后将信号电压或电流转换为 信号电荷注入到响应的势阱中。电注入的方法很多，常用的有电流注入法和电 压注入法。 2 1 4 c c d 信号电荷的转移 势阱内电荷包转移是通过相邻m o s 单元结构上v g 的变化来实现的。相邻 的v g 上所加的有规律的脉冲电压，称之为时钟驱动。利用势阱内电荷包有向 第二章c c d 的工作原理和拼接技术 势阱更深处移动的属性，有规律的改变驱动电压的高低，可使电荷包按要求转 移。通常有三相时钟驱动、二相时钟驱动和四相时钟驱动等几种方式，都是依 靠相应的时钟脉冲序列控制电压高低来实现。因为项目所用的c c d 是二相时钟 驱动，在此简单介绍一下两相时钟驱动的原理。对于单层金属化电极结构，为 了保证电荷定向转移，驱动脉冲至少需要三相。当信号电荷自第2 个电极向第3 个电极转移时，在第1 个电极下面形成势垒，以阻止电荷倒流。如果想用二相 脉冲驱动，就必须在电极结构中设计并制造出某种不对称性，即由电极结构本 身保证电荷转移的定向性。产生这种不对称性最常用的方法，是利用绝缘层厚 度不同的台阶以及离子注入产生的势垒。常见的有两相电极结构有二相硅- 铝交 叠栅结构和阶梯状氧化物结c r l 构。图2 3 是阶梯状氧化物结c r 2 构的一种两相工艺结构，由于 不同厚度的电极会形成深浅 不同的势阱，这样在两相对称 脉冲的作用下，势阱中的电荷 就会按一定方向移动，这就是 c c d 两相脉冲驱动的基本原 理。 2 1 5 c c d 信号电荷的输出 图2 3 具有阶梯氧化物的两相结构 每个c c d 像敏下面势阱内的电荷包 转移后，需顺序向外电路输出，并转换成 信号电流或电压，再由外电路放大和处 理。目前的输出电荷信号的方式主要是电 流输出电路，常用的电路结构为反偏二极 管c c d 输出方式。结构如图2 - 4 反偏二极 管c c d 输出结构所示，在一个作为负载 的电容上可得到相应的离散的负极性脉冲 电压，形成负极性图像信号。 a 1 魅a b s 醴 图2 - 4 反偏二极管c c d 输出结构 2 2 c c d 的主要特性参数2 】【3 】 2 2 1 驱动频率 c c d 器件必须在驱动脉冲的作用下完成信号电荷的转移，输出信号电荷。 6 第二章c c d 的工作原理和拼接技术 驱动频率一般泛指加在转移栅上的脉冲巾1 或由2 的频率。 一、驱动频率的下限 在信号电荷的转移过程中为了避免由于热激发少数载流子对注入信号电荷 的干扰，注入信号电荷从一个电极转移到另一个电极所用的时间必须小于少数载 流子的平均寿命。可见，c c d 的驱动脉冲频率的下限与少数载流子的寿命有关， 而载流子的平均寿命与其件的工作温度有关，工作温度越高，热激发少数载流子 的平均寿命越短，驱动脉冲频率的下限越高。 二、驱动频率的上限 当驱动频率升高时，驱动脉冲驱使电荷从一个电极转移到另一个电极的时间应大 于电荷从一个电极转移到另一个电极的固有时间，才能保证电荷的完全转移，否 则，信号电荷跟不上驱动脉冲的变化，将会使转移效率大大下降。这就是电荷自 身的转移时间对驱动脉冲频率上限的限制。由于电荷转移的快慢与裁流子迁移 率、电极长度、衬底杂质的浓度和温度等因素有关。因此，对于相同的结构设计 的n 沟道c c d 比p 沟道c c d 的工作频率高。 2 2 2 动态范围 动态范围d r 的定义为： d r ：堡 麟 ( 2 一1 ) 其中沩饱和输出电压，v d e , r 为有效像元的平均暗电流输出电压。在正常 工作条件下，c c d 检测器的所有像元经历同时曝光，式( 2 一1 ) 表示的是单个检 测像元的动态范围，即简单动态范围。c c d 的简单动态范围非常大，宽达1 0 个 数量级。以7 5 0 0 a 的红光光子为例，c c d 可在l 毫秒积分时间内对光强达每秒5 1 0 9 个光子的光束响应。可以对每秒7 x1 0 。2 个光子的光源响应。而且在整个动 态范围响应内，都能保持线性响应。t c d l 5 0 0 c 的动态范围d r = 1 5 0 0 ，对于这样 大的动态范围必须选用合适的a d 对c c d 的信号进行转换，如果选用8 位的a d 它的分辨率仅为2 5 6 ，很难高精度地分辨玻璃管内、外径的信息变化，不能实现 课题要求的测量精度。为此，项目采用了1 2 位的a d 转换器件，使它的分辨率 达到4 0 9 6 ( 1 5 0 0 ) ，满足测量要求。 2 2 3 分辨率 分辨率是图像传感器的重要特性。线阵c c d 摄像器件向更多位光敏单元发 展，现在已有2 5 6 x1 、1 0 2 4 1 、2 0 4 8 x1 、2 1 6 0 l 、27 0 0 l 、5 0 0 0 xl 、 5 3 4 0 xl 、7 5 0 0 l 、2 7 0 0 3 、5 3 4 0 3 、1 05 5 0 3 等多种。像元位数越高的器 第二章c c d 的工作原理和拼接技术 件具有更高的分辨率。尤其是用于物体尺寸测量中，采用高位数光敏单元的线 阵c c d 器件可以获得更高的测量精度。另外，当采用机械扫描装置时，亦可以 用线阵c c d 摄像器件得到二维图像的视频信号。扫描所获得的第二维信号的分 辨率取决于扫描速度与c c d 光敏单元的高度等因素。 2 3 电荷耦合摄像器件【2 】 、 电荷耦合摄像器件就是用于摄像或像敏的c c d ，又简称为i c c d ，i c c d 有 线型和面型两大类。线阵c c d 由光敏阵列与移位寄存器组成，光敏阵列呈线性 排列，在光的作用下产生光生电荷存储于光敏m o s 电容势阱中。按一定的方式 将一维线阵c c d 的光敏单元及移位寄存器排列成二维阵列，即可构成二维面阵 c c d 。二者都需要用光学成像系统将景物成像在c c d 的像敏面上。像敏面将照 在每一像敏单元上的图像照度信号转变成少数载流子密度信号存储于像敏单元 ( m o s 电容) 中。然后，再转移到c c d 的移位寄存器( 转移电极下的势阱) 中， 在驱动脉冲的作用下顺序地移出器件，成为视频信号。 对于线阵器件，它可以直接接收一维光信息，而不能直接将二维图像转变 为视频信号输出。为了得到整个二维图像的视频信号，就必须用扫描的方法实 现。 在项目中只需测量玻璃管的一维尺寸，只要使用线阵c c d 将玻璃管的一维 尺寸信息成像到c c d 上即可，所以在项目中使用了线阵c c dt c d l 5 0 0 c 。由 于t c d l5 0 0 c 是双沟道的线阵c c d ，下面只介绍一下双沟道线阵c c d 的原理。 图2 5 为双沟道线阵c c d 摄像器件。它具有两列c c d 模拟移位寄存器a 与b ，分列在像敏阵列的两边。当转移栅a 与b 为高电位( 对于n 沟道器件) 时， 图2 - - 5 双沟道线阵o c d 的结构 8 第二章c c d 的工作原理和拼接技术 光敏阵列势阱里积存的信号电荷包将同时按箭头指定的方向分别转移到对应的 模拟移位寄存器内，然后在驱动脉冲的作用下分别向右转移，最后经输出放大 器以视频信号方式输出。显然，同样像敏单元的双沟道线阵c c d 要比单沟道线 阵c c d 的转移次数少一半，转移时间缩短一半，它的总转移效率大大提高。因 此，在要求提高c c d 的工作速度和提高转移效率的情况下，常采用双沟道的方 式。对于一般的情况来说高于2 5 6 位的线阵c c d 大多为双沟道的器件。然而， 双沟道器件的奇、偶信号电荷分别从通过a 、b 两个模拟移位寄存器和两个输 出放大器输出。由于两个模拟移位寄存器和两个输出放大器的参数不可能完全 一致，就必然会造成奇、偶输出信号的不均匀性。所以，有时为了确保像敏单 元的一致关系特性好，在较多像敏单元的情况下也采用单沟道的结构。 2 4 具有采样保持输出电路的线阵c c dt c d l 5 0 0 c 2 本项目采用的是t c d l 5 0 0 c ，这是从t c d l 5 0 0 c 的基本结构、工作原理及 测量要求等方面考虑的。t c d l 5 0 0 c 是一种典型的具有采样保持输出电路5 3 4 0 像素单元线阵c c d ，它的像元尺寸为7 l im 长、7 l im 高，中心距亦为7 i lm ， 像敏单元总长度为3 7 3 8 m m 。该器件常被用作非接触尺寸测量系统中的光电传 感器。本节只介绍t c d l 5 0 0 c 的基本参数，结构特点，t c d l 5 0 0 c 的驱动电路及 驱动脉冲和输出脉冲将在第五章详细介绍。 2 4 1 t c d l 5 0 0 cc c d t c d l 5 0 0 c 是一种高灵敏度、低暗电流、5 3 4 0 像元的线阵c c d 图象传感器。 该传感器可用于传真、图像扫描和o c r 。该器件 的内部信号预处理电路包含采样保持和输出预放 大电路。它包含一列5 3 4 0 像元的光敏二极管，当 扫描一张a 3 的图纸时，可达到1 6 线毫米 ( 4 0 0 d p i ) 的精度；或者当扫描一张a 4 的图纸 时，可达到2 4 线毫米( 6 0 0 d p i ) 的精度。图2 6 是1 5 0 0 c 的管脚图。 其特性如下： 像敏单元数目：5 3 4 0 像元 像敏单元大小：7 p m x 7 9 m ，中心距为7 弘m 光敏区域：采用高灵敏度、低暗电流的p n 结作为光敏单元 时钟：二相( 5 v ) 9 管脚分布图 顶视图 图2 - - 6 t c d l 5 0 0 c 管脚图 2 巾卵 啪 洲 恤 洲 第二章c c d 的工作原理和拼接技术 内部电路：包含采样保持电路，输出预放大电路 封装：采用2 2 脚d i p 封装 极限工作值：见表2 1 管脚定义：见表2 1 表2 1 t c d i5 0 0 c 极限工作值和管脚定义 特性描述符号工作范围单位 1 2 i 讨钟 时钟脉冲电压 v 白s h 转移栅 转移脉冲电压 v s hr s 复位栅 复位脉冲电压 v a ss p 采样保持栅 0 3 1 5v 采样保持脉冲电压 v s po s 信号输出 电源电压( 模拟) v a dd o s 补偿输出 电源电压( 驱动) v d dv a d 电源( 模拟) 工作温度t o m 2 5 6 0v d o电源( 驱动) 贮藏温度 - 4 0 1 0 0s s 地( 模拟) v s s地( 驱动) s w 末位时钟选择切换 n c未连接 2 4 2 t c d15 0 0 c 的基本结构 t c d l 5 0 0 c 的原理结构框图如图2 - 7 所示。它的主要特点是具有片内驱动器 和采样保持输出电路。片内驱动器使送入c c d 的驱动脉冲简化，它只需要外部驱 动电路提供一路驱动脉冲c r l ，片内驱动器便可生成c r l 与c r 2 。这样，t c d l 5 0 0 c 驱动器由转移脉冲s h 、复位脉冲r s 、采样脉冲s p 与驱动脉冲c r l 等四路脉冲构 成。其中采样脉冲s p 为采样保持电路的采样控制脉冲，引入采样保持电路后， o s 端输出的信号将变得平滑( 采样保持电路去掉了输出信号的脉冲成分) 。图2 9 中的w s 电极为末级( 模拟移位寄存器的最后一个转移电极) 选择电极，一般接 地。 1 0 第二章c c d 的工作原理和拼接技术 v d dw s 脑c r is ps h 图2 7t c d l5 0 0 c 结构原理图 2 5 线阵c c d 的拼接技术2 】 采用单片线阵c c d 作为光电接收器的光学成像尺寸测量法是国内外广泛应 用的方法。然而测量精度以及测量范围受到c c d 器件像素大小和数目的限制， 因此有必要把两片乃至多片c c d 拼接起来用到测量仪器中。线阵c c d 拼接方法 很多，例如机械拼接法、光学拼接法和芯片拼接法等，不同的拼接方法可以获 得不同的效果。本测量系统使用的是两个线阵c c d 的机械拼接，因此下面注重 介绍线阵c c d 的机械拼接方法。 2 5 1 机械拼接 一、机械拼接原理及误差 将两片或多片线阵 c c d 在测量显微镜下将其 首尾相拼在一起，叫做 c c d 的机械拼接，单光学 系统的线阵c c d 拼接如图 2 8 所示。这种方法工艺 简单，容易实现。但是， 由于线阵c c d 器件的两端 图2 8 单光学系统线阵c c d 拼接示意图 c c d l 一 各有若干个虚设单元，所以c c d 器件的有效像素单元比它的实际像素要少，而 且商品化的线阵c c d 器件除虚设单元外，还有其他电路、引线和封装结构，这 样机械拼接就不可能使两片线阵c c d 有效像元首尾完全搭接成一条直线，总是 一 迦 第二章c c d 的工作原理和拼接技术 分开一定的距离。尽管这种机械拼接有这 方面的不足，但它在大尺寸、高精度物体 尺寸的自动测量中仍具有重要的意义，并 被广泛应用。 要将两个线阵c c d 的像敏单元阵列 拼接在同一平面内的同一条直线上是很不 容易的事情，需要四维的调整机构，只有 在工具显微镜下才能在一定的公差范围内 誓言淼导筹耋燃c 冁c d 蒿柔配9 机械一一图 意图。从图中可以看出，两线阵的不 共面引起的缈误差引起两个线阵c c d 像敏面接收图像的清晰度和横行放大倍 率p 的误差，两个线阵c c d 在两个方向上的偏夹角0 【与丫将引起投影误差，缸偏 差将引起直径测量不一致性。所以，对这些都要调整。 二、机械拼接实例分析及计算公式 当被测量的圆柱体等直径范围较大，测 量精度较高时，单个线阵c c d 很难实现宽 测量范围情况下的高精度要求。为此，必须 采用像敏单元数很多的线阵c c d 为光电探 测器，并采用复杂的细分技术，将精度提高 到满足仪器要求的程度。下面分析柱状物体 图2 1 0 三段成像测量区域 成像到两个线阵c c d 机械拼接结构的实例。柱状物在两个线阵c c d 上的成像情 况如图2 1 0 所示，第一种情况是被测物直径较小，用一个c c d 接收就可以了； 第二种情况被测直径的像恰能跨越两个c c d 的间隔；第三种情况是被测直径的 像落在如图2 1 0 的右图所示的位置上，这样就能避免由两个c c d 拼接处的盲区 造成的测量误差，影响测量仪器的工作。三个测量段的实现靠三种不同的被测件 的夹持器具实现。在本项目中，通过计算光路以及c c d 的拼接机构的调整，使 得所有被测玻璃管在拼接处的成像都如第三种情况所示。当被测直径的图像分别 落在两个线阵c c d 上，物体直径的计算公式如下所示： d ：丛! 盟型( 2 - 2 ) 8 式中，d 为被测直径；厶为c c d 像敏单元的中心距；为光学成像系统的横向 放大倍率；1 和2 分别为被测件的像遮挡每个c c d 的像敏单元数；三为两个 拼接c c d 末像敏单元与首像敏单元的间距。 1 2 第二章c c d 的工作原理和拼接技术 被测直径的像处在传感器上的位置情况可以根据两个输出的信号判断。第 一种情况下将没有任何边界现象。而第二种情况下，两个地输出信号均有一个 边界现象发生。需判断出是哪种情况，采用哪个公式进行计算。若图像出现前 两种以外的情况，应适当地调整被测直径的夹持器具，使之调整到上述两种情 况。在本项目中，两个线阵c c d 的拼接共用同一个光学系统，对应一个放大倍 率。两个c c d 之间的距离经过精确计算并固定不变。此外还设计了c c d 图像观 测软件和两个c c d 拼接机构的微调装置。通过观测软件提供的两个c c d 上的图 像，可以调整拼接机构的微调装置，调整c c d 的高度，从而使玻璃管上下壁成 像在两个c c d 上，具体分析见后面几章。 2 5 2 光学拼接 线阵c c d 器件焦平面的光学拼接是以分光的方法把光学系统接收的光线均 匀地分成两路，形成两个成像效果相同的焦平面，在每个平面对应的不同半视场 位置各放置c c d 器件，并使两器件的头尾有效像素搭接。这样成像镜头的像方 线视场由搭接起来的两个线阵c c d 有效像素所充满，达到了焦平面的光学拼接 目的。由于用分光的方法，c c d 器件的焦平面光学拼接不仅可以根据需要在c c d 任意始末像素位置处搭接，而且拼接后所有像素照度均匀，无渐晕现象。c c d 器件的焦平面光学拼接，采用立方棱镜分光和机械微调c c d 的技术方案。在具 体设计时，必须充分考虑分光棱镜、微调机械、防冲击与震动以及温度变化等多 个方面的要求：光学拼接有严格的技术要求和精密的机械结构。 1 3 第三章石英玻璃管参数测量的设计原理 第三章石英玻璃管参数测量的设计原理 3 1 项目测量指标及要求 3 1 1 石英玻璃管的参数介绍 图3 - 1 为石英玻璃管示意图，设n 为测量截面数，s l ，s 2 s n 为各测量截面。图 3 - 2 为测量截面示意图，m 为每个截面测量点数，p 1 ，p 2 p m 为各测量点。d 为玻璃 管外径，b 为壁厚( 下壁厚未画出) ，为玻璃管长度，s 为相邻截面间距离，口为相 邻测量点夹角，s = 0 + 1 ) ，0 = 3 6 0 。朋。测量仪采用一个步进电机带动测量头 移动，采用两个步进电机同步驱动玻璃管转动。当测量头移动距离s ，平移电机 转动= 世个步距角，世为步进电机转动单位步距角对应平台移动的距离。 步进电机的步距角指每给一个电脉冲信号电动机转子所应转过的角度的理论值 。设旋转电机步距角为a o ，则旋转电机每转夹角锣需步进步数，总之，s 和0 是 控制步进电机转速和步数的依据。项目要求计算的玻璃管参数为：外径、壁厚、 截面积、椭圆度、偏壁度和弯曲度。下面给出了外径、壁厚、弯曲度的计算公式， 其他参数在此不作讨论。 图3 1 玻璃管参数示意图 图3 - 2s l 截面示意图 外径： = 三n 舡，- 1 i _ m ； d f , = 1 p ， 式中，为所有测量点的外径平均值；d f 为每个测量点外径。 壁厚： = 吉喜 去纠 1 4 ( 3 - 2 ) 第三章石英玻璃管参数测量的设计原理 式中，为所有测量点的壁厚平均值；b ，为每个测量点壁厚。 弯曲度： 如图3 3 所示，将玻璃管放在平台上，使两端紧贴平面，转动管子用塞尺测 量拱起部分与平面之间的最大间隙，就 测量截面 是弯曲度。公式如下： ： 图3 3 弯曲度示意图 3 1 2 测量范围与精度要求 4 = 玛一争( 3 - 3 ) 4 为弯曲度；为各测量点管壁与中 心值的距离；d 腓各测量点所在截面 的平均直径。 被测玻璃管外径范围：1 8 - - , 5 0 m m ；内径范围：1 5 - - - - 4 0 m m ；壁厚范围：1 5 1 0 r a m ； 长度范围：9 0 0 - 15 0 0 m m 以上。要求每支管子应选取不少于1 个测量截面，每 个测量截面应选取不少于1 个测量点。实际设计的要求是每支管子最少选取5 个 测量截面，每个测量截面最少选取6 个测量点。要求综合测量仪的精度为： ( 1 ) 直径精确到0 0 1 m m ，数据显示要显示到小数点后三位 ( 2 ) 壁厚精确到0 0 1 m m ，数据显示要显示到小数点后三位 ( 3 ) 截面积、椭圆度、偏壁度和弯曲度精确到小数点后两位，数据显示要显示 到小数点后三位 3 2c c d 用于玻璃管尺寸测量的原理【3 】【5 】 光源发出的平行光透过玻璃管后经成像物镜成像在线阵c c d 的光敏阵列 上，由于透射率和光在不同形状介质中的折射率的不同，使得通过玻璃管的像 在上下边缘处形 成两条暗带，中 间部分的投射光 相对较强，形成 亮带，两条暗带 的最外边的边界 距离为玻璃管外 图3 - 4c c d 输出的信号波形 1 5 第三章石英玻璃管参数测量的设计原理 径所成的像，中间亮带的宽度反映了玻璃管内径像的大小。两条暗带表示了玻 璃管上下壁的大小。图3 _ 4 是c c d 输出的玻璃管像的视频信号。l 和4 表示 了玻璃管的外径在c c d 上对应的像敏单元序号，：和。则是玻璃管的内径在 c c d 上对应的像敏单元序号，这些序号也表示了玻璃管内外径的位置信息。这 些载有位置信息的参数可计算弯曲度。显然，玻璃管外径和壁厚的值应为： d ：丝二丝垣 ( 3 4 ) b ；三f 亟= 型! 坚! + 亟二型i 丝! 2 l j ( 3 5 ) 图3 5 为玻璃管参数测量原理框图，通过光学系统将被测玻璃管的外径，壁厚尺 寸以一定的、准确的倍率成像于单片c c d 光敏面上，再通过接口电路对c c d 输 出信号进行处理，送入微机，实现相应的测量，以直径为例，测量公式为： d = 刮( 3 6 ) 其中：d 为被测直径； t ；t 为c c d 光敏面像元尺寸( 沿扫描方向) ； 为光学系统的放大率； a n 为被测件经光学系统成象后在c c d 光敏区所遮挡的光敏元数。 根据计算公式，测量分辨率a d = 卅，由此可以看出，光学系统的放大倍率越 大、像元尺寸越小，测量精度越高。然而，放大率太大，又会导致测量范围的减 小。为了提高测量精度，而又不缩小测量范围，本测量仪把两个c c d 拼接起来 作为光电接收器。此时，计算公式为： d = 删+ 厶) a n 为两个c c d 被工作图象所遮挡的光敏元总数； 血为c c d l 有效末像元与c c d 2 有效首像元的距离。 ( 3 7 ) 图3 5 玻璃管尺寸测量的原理 1 6 第三章石英玻璃管参数测量的设计原理 3 3 测量仪的设计原理 照明系统卜_ 刊玻璃管卜叫成像系统 玻璃管 夹持装置 步进电机 1 和2 c c d 拼接和1 ic c d 驱动器 微调装置i i 。 一 a d 转换与 数据缓存 i s a 总线接口 测量平台h 步进电机3ll 1 电机控制器k 一计算机软件卜- 叫测量结果输出 图3 6 测量仪原理方框图 根据项目提出的测量范围、精度要求以及现场条件，我们设计了测量仪的数 据采集系统，机械结构以及控制系统。整个测量仪的基本原理框图如图3 - 6 所示， 其中，照明系统采用l e d 光源产生平行光照射被测玻璃管。成像系统由成像物 镜光路组成。载有玻璃管尺寸信息的光射进成像系统后由物镜成像到c c d 感光 面。c c d 在驱动器控制下工作，并将c c d 输出的模拟信号送入a d 转换电路。 a d 转换后的数字信号送入存储器缓存，再由i s a 总线读入计算机内存。计算机 软件一方面对读入的数据计算各参数并输出；另一方面对控制步进电机的工作。 步进电机1 和2 控制玻璃管转动，可以测量玻璃管截面上的各个点。步进电机3 与丝杠连接，带动测量平台移动。整个光学系统放置在测量平台上，随着平台的 移动可以测量玻璃管的各个截面。 3 4 光学系统的选型说明 3 4 1c c d 的选择和机械拼接计算 由于被测玻璃管的尺寸范围大、精度要求高，为了达到测量所有尺寸的玻璃 管而不需要调整或更换测量系统，必须选择或设计好测量元件。本测量仪采用了 两个线阵c c d l 5 0 0 c 的机械拼接结构作为测量头。原因如下： 1 玻璃管外径范围：1 8 - - - , 5 0 m m ；内径范围：1 5 - - - , 4 0 m m ；壁厚范围：1 5 1 0 m m ； 直径和壁厚精度为0 0 1 m m 。最大相对测量精度为o o l 5 0 = 0 2 ，t c d l 5 0 0 c 为5 3 4 0 像敏单元，像敏单元尺寸为7 u m 长、7 u m 高。相对测量精度为 1 5 3 4 0 = o 1 8 ，符合测量精度的要求。 1 7 第三章石英玻璃管参数测量的设计原理 2 首先看图3 7 ，这是成像系统光路图