（光学工程专业论文）非接触式轮胎不圆度检测技术研究.pdf

中文摘要 轮胎是人们生产和生活不可缺少的重要物资，也是每个国家常备的战略物 资。轮胎检测技术是轮胎生产过程中不可缺少的技术之一，轮胎不圆度是检测轮 胎质量的一个重要指标，国内现有的轮胎不圆度检测系统多为机械结构，检测速 度慢，检测精度低，易损坏，安装复杂。一些轮胎生产厂家为了提高生产效率， 从国外进口轮胎不圆度检测设备。进口设备存在价格昂贵，维修费用高，而且维 修难度大等缺点，无形中增加了轮胎的生产成本。本文基于光电检测技术，设计 了适用于轮胎不圆度检测的非接触式检测系统，实现了对轮胎不圆度的检测，误 差精度控制在o 1 m m ，达到了轮胎不圆度的检测的要求。 本文主要完成了以下工作： 1 、在分析国内外轮胎不圆度检测方法的特点和发展现状的基础上，提出了 非接触式轮胎不圆度检测系统的整体设计方案，将激光三角测量法应用于轮胎不 圆度检测之中。 2 、完成检测系统各部分的设计和研制，包括光学系统、c c d 采集部分、嵌 入式控制单元和数据处理单元。 3 、完成基于t m s 3 2 0 c 5 5 0 9 a 的嵌入式控制软件，实现了轮胎表面凹陷花纹 及橡胶须信息滤除功能，并进行了上位机操作软件的设计和调试工作。 4 、提出了双c c d 相机校正偏心误差的方法，对系统进行了标定。 5 、完成了相关的测试实验，验证了非接触式轮胎不圆度检测系统的功能和 性能指标。 关键词：轮胎检测三角法不圆度c c d d s p a b s t r a c t t i r ei sa ni m p o r t a n ta n di n d i s p e n s a b l em a t e r i a li nd a i l yl i f e a tt h es a m et i m e ，i ti st h e s t r a t e g i cm a t e r i a l si ne a c hc o u n t r y t i r ed e t e c t i o nt e c h n o l o g yi sv e r yi m p o r t a n ti nt h e p r o c e s so ft h et i r ep r o d u c t i o n t h eo v a l i t yo f t h et i r ei so n ei n d i c a t o ro ft h et i r eq u a l i t y t h ea v a i l a b l et i r e sd e t e c tm e t h o d sa r et h em e c h a n i c a ls t r u c t u r ei nc h i n an o w t h e s e m e t h o d sa r e s l o w d e t e c t i o n ，l o w - p r e c i s i o n ，e a s y t ob e d a m a g e da n d i n s t a ll a t i o n c o m p l e x i t y t oi n c r e a s ep r o d u c t i v i t y , s o m et i r em a n u f a c t u r e r sb u yt h eo v a l i t yd e t e c t i o n e q u i p m e n t sa b r o a d i m p o r t e de q u i p m e n ti sn o to n l ye x p e n s i v e ，b u ta l s oh i g hm a i n t e n a n c e c o s ta n dm a i n t e n a n c ei sd i f f i c u l t i n c r e a s et h ec o s t so ft i r ep r o d u c t i o n b a s e do i lt h e p h o t o e l e c t r i c ，d e s i g n e dan o n - c o n t a c td e t e c t i o nm e t h o dt oc h e c kt h eo v a l i t yo ft i r e g e t t h eg l o b eo fd e t e c t i o nt h et i r eo v a l i t y p r e c i s i o nc o n t r o lo fe r r o ri nt h e0 1m m ，r e a c h e dt i r e o v a l i t yd e t e c t i o nr e q u i r e m e n t s t h i st h e s i sm a i n l yf o c u s e so nt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： 1 、b a s eo nt h ea n a l y s i so fav a r i e t yo fd e t e c t i o nm e t h o d s ，d e s i g n e da n o n c o n t a c td e t e c t i o ns y s t e mt oc h e c kt h eo v a l i t yo f t h et i r e 2 、 c o m p l e t e dt h ed e s i g no fa l lp a r t so ft h i ss y s t e m ，i n c l u d et h em e c h a n i c a l s t r u c t u r e ，o p t i c a ls y s t e m ，c c dc i r c u i t ，e m b e d d e ds y s t e ma n dt h ed i g i t a lp r o c e s s c i r c u i t 3 、 c o m p l e t e d t h es o f t w a r ei nt h ee m b e d d e d s y s t e m b a s eo nt h e t m s 3 2 0 c 5 5 0 9 a c o m p l e t e dt h ef u n c t i o no fr e m o v i n gt h et i r es u r f a c et e x t u r ea n d o t h e ru s e l e s si n f o r m a t i o na n dc o m p l e t e dt h es o f t w a r ei nt h ep cs y s t e m 4 、d e s i g n e dad u a l c c dc a m e r as y s t e mt oe l i m i n a t es y s t e me c c e n t r i c i t ye r r o r , c a l i b r a t e dt h i ss y s t e m 5 、 c o m p l e t e dt h er e l e v a n tt e s t i n ge x p e r i m e n t s ，v e r i f yt h i st i r eo v a l i t yd e t e c t i o n s y s t e mf u n c t i o na n di n d i c a t o r s k e yw o r d s ：t i r ed e t e c t i o nt r i g o n o m e t r yo v a l i t yc c dd s p 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，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨盗盘堂或其他教育机构的学位或证 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 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：葫签字日期：7 ，7 年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞壅盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 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) 学位论文作者签名：劢磊 7 签字日期：2 即7 年多月j 日 导师签名：鼢砰 签字日期：泐罗年6 月，日 第一章绪论 第一章绪论 随着国民经济的发展，我国汽车的数量在以每年大约1 0 的速度递增。汽车的 关键部件之一轮胎的需求量也相应迅速增加，轮胎产量迅速提高，至2 0 0 7 年全年中 国轮胎产量为5 5 6 4 9 亿条【l 】。轮胎也是重要战略物资，轮胎行业在我国国民经济中 占有重要地位，不仅关系国计民生，而且战时轮胎是军车、导弹不可缺少的交通运 输配套产品，是实施战略战术供给的重要工具。即使是第三世界的小国家，也有自 己的轮胎厂，以供战时轮胎需要，足见轮胎产品的重要性。 目前国内生产的轮胎质量和国外同类产品相比存在着较大差距，其中轮胎检测 技术落后是制约我国轮胎质量提高的一个重要因素，尤其是对轮胎不圆度检测技术 的研究在国内尚属起步阶段，而国外已经将这项技术广泛应用于轮胎生产检测中。 国内许多厂家使用的轮胎不圆度检测方法还是传统的，人工的方法检测，检测技术 手段落后。即使引进国外的先进检测设备，也因为成本高，维修费用高，维修技术 复杂的原因，不能充分发挥所引进设备的功能。 轮胎不圆度是轮胎生产的一个重要指标，直接影响到轮胎使用过程中轮胎的寿 命以及车辆和人员的安全。所以开发研制一套精度高，速度快，安装简便，体积小， 价格便宜的非接触式轮胎不圆度检测系统，不但可以填补国内这一领域的空白，而 且可以提高我国轮胎生产的质量，增加国内轮胎厂家的竞争力。 1 1 轮胎不圆度检测技术概述 不圆度是几何量检测中经常需要检测的形状误差参判引。圆形轮胎表面在生产 过程中由于橡胶受热不均等原因所生产的轮胎存在确定性的波动和随机扰动，导致 轮胎胎面与标准圆存在一定的误差。轮胎不圆度检测就是检测出轮胎不圆度数据， 检测的数据作为轮胎好坏的一个重要指标，从而指导轮胎生产过程，提高轮胎的生 产质量。不圆度较差的轮胎在使用过程中，会导致轮胎受力不均匀，轮胎表面磨损 不均匀，从而减少了轮胎的使用寿命，甚至危及车辆和人员的生命安全。 目前国内还没有非接触式轮胎不圆度检测的成熟设备，轮胎不圆度检测设备依 赖进1 ：3 ，许多厂家仍旧使用机械式( 接触式) 随动机的轮胎不圆度检测设备，甚至更 第一章绪论 加落后的电容传感式检测设备。这些设备不但测量精度低而且设备寿命短、检测速 度慢、人力成本高。同时随着轮胎种类的增多，以及轮胎标准的不断提高，老旧的 检测方法无法满足今天大批量高效率的轮胎生产要求。 l 、机械式( 接触式) 检测设备 机械式( 接触式) 随动机，使用机械结构设计，由探头、动连接装置以及仪表 组成，检测时，由探头与轮胎被测表面接触，探头内部的机械结构保证轮胎旋转时 探针与被测表面充分接触。检测时，探头固定在和轮胎一定距离的位置，保证探针 与被测表面接触，当轮胎表面发生径向或者侧向位移的时候，探针随着表面的位移 发生上下移动，在仪表中可以显示和记录轮胎径向和侧向位移，从而反映出轮胎不 圆度，以及轮胎表面的形状的变化。该设备的优点在于使用机械结构，零件易更换， 成本低，结构简单。但是缺点也是很明显的，必须在轮胎的清洁通道内进行检测， 在轮胎纹理以及胎面部分有凹槽的地方或者有大的突起就会损坏探针，降低检测的 精度，严重情况下会损坏设备，由于使用接触式方式检测，限制了检测速度，使得 检测速度较慢，同时机械结构保养需要花费大量人力和物力。在今天随着生产效率 不断提高的这种机械式接触式的检测系统显然无法满足高精度的、高速度的检测 需要。 2 、基于电容传感器的检测设备 电容式检测系统是使用电容传感器作为其主要的检测部件，电容传感器就是根 据不同非电学量的特点设计成的有关转换被测的力学量，如位移，力，速度等转换 成电容变化的传感器。 电容表达式： n岱 c 2 一d ( 1 - 1 ) s 表示极板完全遮盖的面积，d 表示两极板间的距离，s 表示板间介质的介电常数， c 表示电容量。 根据电容表达式可以将电容传感器分为以下三类： ( 1 ) 改变极板遮盖面积的电容传感器。 ( 2 ) 改变介质介电常数的电容传感器。 ( 3 ) 改变极板间距离的电容传感器。 改变极板遮盖面积的电容传感器，主要利用非电学物力量的改变导致极板遮盖面积 大小的改变，这种改变反映在电容量的变化上，从而检测出非电学物理量的变化。 2 第一章绪论 主要用于对线位移变化的检测上。电容式轮胎不圆度检测系统就是根据这个原理对 轮胎不圆度进行检测的。 改变介质介电常数的电容传感器，主要是利用化学的方法改变电容的介电常 数，从而改变电容值的传感器，电容值的变化量就反映了被检测量的变化，这种传 感器多用于检测液体。而不用于轮胎不圆度检测系统中。 改变极板间距离的电容传感器，通过改变极板间的距离，导致电容的改变。电 容的改变量就反映被测对象的变化量。这种传感器，随着极板间距离的变大，误差 也同时变大，并且需要在被测对象上安装极板，一般用于小工件的检测。 电容式传感器有成本低，检测范围大等优点，但是缺点也同样突出，如检测的 重复性较差，每次检测的结果都有一定偏差，电容检测的速度受环境影响较大，所 以限制了轮胎生产效率的提高。 3 、基于p s d 传感器检测设备 p s d 传感器检测设备主要采用光学三角检测方法来检测物体表面形状的变化。 检测时，由传感器输出的光束经聚焦，成为一极细小的光点投射到检测体表面，在 被测体表面形成一个光点，这个光点通过成像物镜，在光学线性检波器上形成一个 图像，图像的在p s d 的感光面上产生光生电流，电流通过两边的导线输出，通过计 算电流量的差值，就可计算出传感器与检测体表面的距离。检测值在控制器里进行 数字处理后由模拟、数字或串口输出。 p s d 设备的检测精度受环境光的影响较大，对检测现场的光照要求较高，可重 复性较差，另外设计由于是电流输出，无法分辨背景噪声，同时使用一段时间就需 要重新校正，可重复性较差。并且p s d 的轮胎不圆度检测系统，国内目前也没有相 关的产品出现。大多是进口国外的产品，所以价格昂贵，维修成本高。致使许多轮 胎生产厂商无法投入大量的财力购买相关设备，仍旧使用老式的机械随动机检测轮 胎不圆度，严重影响了轮胎生产的效率，阻碍了产品质量的提高。 国内正在加紧这方面的研发工作，其中以青岛高校软控为最主要的开发者， 开发q l p b 系列不圆度检测系统试验样机，该设备检测精度能达到轮胎不圆度检测 的标准，但是设备结构复杂，体积庞大，相对价格比较高，比国外的先进设备有着 较大的差距。 综上所述，轮胎不圆度测试的方法有接触式和非接触式两种，其中接触式检 测方法，在使用过程中受到的影响因素比较多，检测精度低，检测速度慢，无法满 足现代轮胎生产标准，而非接触式检测方法【4 】，不但受环境的影响小，而且由于不 和被测物体接触，所以不受被测物体表面的形状，不洁度的等因素的影响，并且速 第一章绪论 度快效率高，非接触检测方法在轮胎不圆度在线检测方面有着广泛的应用价值和应 用前景。 本文基于线阵c c d 传感器检测技术，设计一种精度高、稳定性好、成本低、 效率高、安装方便、自动化程度高的非接触式轮胎不圆度在线检测系统方案。 1 2 论文的主要工作 本课题以轮胎不圆度检测作为研究对象，根据其高精度、高效率、安装方便、 自动化程度高的要求设计了非接触轮胎不圆度检测系统。 本文主要完成了以下几个方面的工作： 1 、在分析国内外轮胎不圆度检测方法的特点和发展现状的基础上，提出了非 接触轮胎不圆度检测系统的整体设计方案，将激光三角检测应用于轮胎不圆度检测 之中。 2 、完成检测系统各部分的设计和研制。包括光学系统、c c d 采集部分、嵌入 式控制系统和数据处理单元。 3 、完成基于t m s 3 2 0 c 5 5 0 9 a 的嵌入式控制软件，实现了轮胎表面纹理及橡胶 须信息滤除功能，并进行了上位机操作软件的设计和调试。 4 、提出了双c c d 摄像机校正偏心误差的方法，对系统进行了标定。 5 、完成了相关的测试实验，验证了非接触轮胎不圆度检测系统的功能和性能 指标。 4 第二章检测原理及总体方案设计 第二章检测原理及总体方案设计 本章结合上一章对不圆度检测系统发展现状的研究，根据系统设计要求分 析被测对象性质以及系统设计原理，提出系统的总体设计方案。在系统中光学 结构采用激光三角检测法，硬件设计采用基于t m s 3 2 0 c 5 5 0 9 a 的高速数据处理 系统。 2 1 检测系统设计要求 根据实际检测的需要，系统需要达到以下基本的参数指标： l 、检测距离： 典型距离为5 5 0 m m ，可根据具体情况进行小范围的调整。 2 、检测范围： 0 - 2 0 0 m m ，轮胎在发生此范围内的径向位移时都能进行检测。 3 、分辨率： 0 1 m m ，也就是系统能分辨被测轮胎表面发生的径向位移的最小位移量。 4 、检测速率： 7 2 0 次s 。 5 、安装方便： c c d 相机和激光装在一起构成探测模块，该模块作为独立单元安装在主 框架上，改变位置时只需将探测模块位置改变即可。 2 2 检测对象本质分析 轮胎不圆度检测的本质就是对过圆心截面的直径变化量的测量，激光光点 照射在轮胎胎面需要检测的位置，检测系统安装在距离胎面指定距离的位置， 轮胎随转台匀速旋转。采集系统采集轮胎胎面旋转一周的径向位移量信息，数 字处理电路记录位移信息并根据该信息计算出轮胎不圆度。本系统使用双c c d 相 机对称安装的检测方式，两台相机同时采集轮胎相对两个位置的径向位移量。 利用所采集的数据通过相应的算法，可以有效校正偏心造成的误差。 第二章检测原理及总体方案设计 2 3 系统检测原理分析 2 3 1 三角法检测原理 激光三角法检测技术是一种非接触式检测方式，被广泛的应用于工业在线 检测领域。该方法的特点具有较远距离( 一般在1 0 0 m m 左右) 与较高的速度和较 高精度综合优势，检测点小，适用范围广，不受被测材料性质的限制适用于 大多数不透明的物体的测量。近年来该方法用于检测位移，在国外备受重视， 开发研制出许多系列产品。其方法是用一束激光照射到被测物面上，由物体表 面散射或反射光测出其像点位置。再通过光电传感器c c d ( 电荷耦合器件) 将光 信号转换为电信号。在物体移动时，像点做相应移动通过检测像点的位置变 化，求出物体的位移量。 激光三角法可以分为斜入射光束法和垂直入射光束法两种【5 1 。 1 、斜入射光束法 斜入射光束法就是激光器与被测物体表面m 成夹角口入射到被测物体表 面，镜头主光轴与激光入射方向平行，如图2 1 所示。这种检测方法的特点是，激 光入射到被测物体表面m 上，由于被测物体表面为漫反射面，光斑在物体表面 发生漫反射，探测器将光斑的像通过成像规律成在c c d 像元面上，为了满足激 光光点运动时在c c d 上成像不发生离焦现象，选择激光入射光线与c c d 主光轴 成9 0 0 夹角的时候为参考平面，当光斑在被测物体表面发生位移d 的时候，光斑 在c c d 上所成的像也同样在发生相应的位移d ，根据d 的大小，计算出被测物体 表面的径向位移。 计算公式： 旦：ts(2-1) _ _ _ 一一_ 一 _ ds 由公式( 2 1 ) 、( 2 2 ) 可以得n - d = ds i n 口 d ：= d s s i n t z s 6 ( 2 2 ) ( 2 - 3 ) 第二章检测原理及总体方案设计 c c d 镜l 图2 1 激光斜入射三角检测法 s 一成像透镜的物距： s 一成像透镜的像距； d 一被测物体表面径向位移量； d 一被测物体表面移动时，激光光点在光轴方向上的移动量； d 一被测物体表面发生位移时，光点在c c d 上所成像的位移量； 2 、激光直入射三角检测法 激光直入射三角检测法【7 】【8 1 就是激光器垂直照射到被测物体表面，探测器与 被测物体表面成倾斜角口，如图2 2 所示。这种方法的特点是激光器垂直照射被 测物体表面，在物体表面发生漫反射，形成弥散斑，弥散斑通过透镜成像在c c d 像元面上。为了计算方便我们选择光点成像于c c d 中心位置为参考点，口取4 5 0 ， 检测时，被测物体表面发生位移量d ，弥散斑在物体运动时的轨迹与镜头主光轴 同样成夹角口，透过成像公式可以精确得到被测物面上的激光光点在于镜头主 光轴方向上的投影的轨迹，在c c d 上移动的距离，该距离由数据处理部分记录， 根据c c d 上激光点偏移的距离就可以计算出被测物面发生的位移。 计算公式： 竺一旦 ( 2 4 ) _ _ 一一_ 一 、 d s d = d s i n 口 ( 2 - 5 ) 第二章检测原理及总体方案设计 图2 - 2 激光直入射三角检测法 由公式( 2 - 4 ) 、( 2 5 ) 、( 2 6 ) 可得： d = d s i nb s d s i n8 d 5 了五百 l c c d 激光器 ( 2 - 6 ) ( 2 7 ) 驴一被测物体的径向位移量； d 一被测物体径向位移量d 在透镜主光轴上的投影； s 一透镜的像距： s 一透镜的物距； d 一激光光点在c c d 上所成的像的位移量； d c c d 上像在垂直于主光轴的面上的投影； 萨激光入射方向与透镜主光轴成的夹角； c c d 相对垂直主光轴方向的夹角； 激光直入射三角检测法与激光斜入射三角检测法相比有以下不同点：激光 直入射三角检测法中，激光光点所运动的轨迹与主光轴有一定的夹角，如果c c d 安装与主光轴垂直，则对成像物镜的景深要求较高，在被测物体运动过程中， 所成的像发生离焦现象比较明显，必须通过光学设计减少离焦带来的误差，否 第二章检测原理及总体方案设计 则不利于后续算法的设计，在本文的后面章节会仔细讨论这个问题。而激光斜 入射三角法中激光的光点的运动轨迹与主光轴垂直，所以运动中每个物点位置 都能在c c d 上成清晰的像，斜入射激光三角法比激光直入射三角测量法精度 高。但是，由于激光的斜入射，如果被测物体表面发生变形所成光斑同样发生 形变，就会形成不规则光斑。当轮胎表面有明显的凹凸变化时，光斑的形状就 变得不可测，不利于光斑中心点的定位。另外由于斜入射，激光器与探测器安 装距离较远，造成设备的体积庞大，不利于设备的集成化与小型化。 所以在轮胎不圆度检测当中我们选用激光直入射三角检测法。在激光直入 射三角检测法中，由于激光光点的轨迹与透镜主光轴成夹角口，按照成像关系可 以得知c c d 的像敏面与透镜主光轴的成夹角，所以在c c d 安装时必须与透 镜的主光轴成夹角矽，这样才能最大程度减小激光光点在c c d 上所成像的离焦 现象，如图2 3 所示。 h n久 西 一 土 hon ， d xx f fx d x j l ， x ( i x o 计算公式： 图2 3 光学成像关系 h = d x t a n9 h = d x t a n 矽 h x 七l h j x j + f j x 一 f x j 墨：上 x 0 ( 2 8 ) ( 2 - 9 ) ( 2 - 1 0 ) ( 2 - 11 ) ( 2 1 2 ) 第二章检测原理及总体方案设计 令，则有k ：t a n 8 t a n 矽 x = 凰一d x ( 2 1 3 ) ( 2 - 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) 赢( x o - x ) t a n 8 ：吾与 ( 2 1 6 ) 一= = 一 - ( 一x ) t a n 矽x + 、 k 万( x o 鬲- x ) ：等(2-17)xx f ( 一。) 。+ 。 卜 k 再( x o - x ) 2 孕x + 万f ( 等一筝) 筝 。” 设o ，0 点上垂轴放大率为 肛丢= t a n 0 ： t a n 矽 ( 2 1 9 ) ( 2 - 2 0 ) 从公式中( 2 2 0 ) 中可知，激光光点运动轨迹和主光轴的夹角与c c d 倾斜角 只和c c d 不倾斜时的垂轴放大率有关。根据公式( 2 2 0 ) 很容易确定c c d 的 倾斜角度，当c c d 倾斜满足这个角度条件时，可以很好的校正检测过程中物距 变化导致的像点的离焦现象。三角法检测中，光学结构可以不改变，选择不同 的传感器，得到的检测效果也不相同，所以传感器的选择也显得格外重要。通 常使用的光学传感器主要有c c d 、p s d 、c m o s 三种。 2 3 2c c d 传感器原理 c c d 传感器( c h a 唱ec o u p l e sd e v i c e s ) ，又称为充电耦合器件n 引，其突出特点 是以电荷信号为载体，不同于大多数以电流或者电压为信号载体的器件。c c d 的主要功能是电荷的存储和电荷的转移，因此c c d 的基本工作原理就是信号电 荷的产生、存储、转移和检测。 厂一厂 删 坠n 一 = 凰 旦哪 i、 砉| 协x誊 第二章检测原理及总体方案设计 c c d 按光敏面的像元排列方式可以分为线阵c c d 和面阵c c d ；按电荷转移 位置可以分为表面沟道c c d ( 简称为s c c d ) 和体沟道c c d ( 简称b c c d ) ； 按成像色彩可以分为彩色c c d 和非彩色c c d 。一般工业检测多使用线阵非彩 色c c d 。 构成c c d 的基本单元是m o s ( m e t a lo x i d es e m i c o n d u c t o r 氧化半导体金属) 结构。由p 型半导体、氧化层、金属栅极电极组成。这三个部分构成一个像敏 单元，在成像上表示一个像素点。像敏单元感光产生光生电荷，光生电荷量的 大小代表了光强的大小。c c d 的分辨率就是由像敏单元的大小决定的，现代工 艺可以将c c d 像敏单元的大小控制在4 7 朋4 7 朋甚至更低的水平，这就大 大提高了c c d 的分辨率。 c c d 就是将单个的像元排成行和列，组成像元阵列，加上转移栅和移位寄 存器等辅助器件组成的，如图2 4 所示。 图2 - 4c c d 内部结构图 像敏单元感光形成的电荷通过c c d 转移栅转移到移位寄存器中，由时钟信 号驱动c c d 转移栅，将信号从像敏单元转移到移位寄存器中，再由驱动时钟信 号把移位寄存器中的电荷逐个输出。 由于c c d 成行列分布，行列像元的个数是确定的，所以感光像敏单元的位 置和个数可以精确的确定，在三角法检测中激光光点的像成在c c d 像敏单元面 上，使c c d 像敏单元感光产生光生电荷，通过判断光点的像素数可以判断激光 光点大小，形状等几何量；通过在判断感光像元的位置可以判断激光光点位置 的变化；通过电荷大小可以判断激光光点的光强大小以及分布。 第二章检测原理及总体方案设计 2 3 3p s d 传感器原理 p s d ( p o s i t i o ns e n s i n gd e v i c e ) 3 l 称为位置敏感传感器，汞j m p n 结中横向光电 动势效应的硅光电器件，是一种连续型的模拟器件。p s d 感光面是一块电极板， 分别有两端的引线输出电流信号。其结构原理，如图2 5 所示。 r l i i 入射光 厂 s 】 1 | ；l | ； ；| l l：l l i 图2 - 5p s d 传感器结构 r 2 当p s d 光敏面受到一入射光点照射时，在两端电极上输出方向相反、反比 于入射光斑位置到各自电极间距离的光电流，。和，：，当坐标原点选在p s d 中 心时，输出电流可表示为： 1 】= 厶x ( 一s ) x 2 l ( 2 - 2 1 ) 1 2 = ox ( l + s ) x 2 l ( 2 2 2 ) i o = ，l + ，2 ( 2 - 2 3 ) 由上式可知，光照产生的电流，。和，：是光能量。与位置的函数，由于光 源光功率的波动及光源与p s d 间距离的变化，所以，。并不是一个恒定值。实际 应用中，为消除波动的影响，通常把输出电流的差与和相除作为位置检测信号， 即： s = l ( ，2 1 1 ) ( ，2 + ，1 ) ( 2 - 2 4 ) 因此，只要检测出，和，：，即可确定光点所在的位置。 2 3 4c m o s 传感器原理 c o m s ( c o m p l e m e n t a r ym e t a lo x i d es e m i c o n d u c t o r ) ，又称为互补金属氧化物半 导体，是现代半导体工业生产的一项常用技术，c m o s 传感器就是利用半导体 制作工艺方法将光敏元件、放大器、a d 转换、存储器、数字处理器和计算机接 口电路等集成在一块，生产的c m o s 图像传感器，这种器件具有结构简单、功 能多、成品率高，价格低廉的优势，有着广泛的应用前景。 c m o s 器件多为面阵结构，像敏单元阵列按x 和y 方向上排列成方阵，方阵 第二章检测原理及总体方案设计 中的每个像敏单元都有它在x ，y 方向上的地址，并可分别有两个方向的地址译码 器进行选择；每一列像敏单元都对应一个列放大器，列放大器的输出信号分别 接到x 方向地址控制器进行选择的模拟多路开关，并输出至输出放大器；输出放 大器的输出信号送a d 转换器进行数模转换，经预处理电路处理后通过接口电路 输出。 信号输出时，在y 方向地址译码器的控制下，依次顺序接通每行像敏单元上 的模拟开关，信号将通过行开关传送到列线上，再通过x 方向地址译码器的控制， 传送到放大器，在c m o s 图像传感器的同一芯片中可以设置其他数字处理电路。 例如，可以进行自动曝光处理、非均匀性补偿、白平衡处理、黑电平控制等处 理电路，甚至将具有可编程功能的d s p 器件制作在一起，形成具有多种功能的 传感器件。所以c m o s 器件配置灵活，使用方便，但是分辨率比不上线阵c c d ， 所以一般不用于高速工业现场检测上。 通过比较上述三款传感器的优缺点可以得知，在工业检测领域p s d 的用途 也很广泛，主要用于精度较低位置的检测中，由于p s d 只对光强敏感，而对激 光的光斑大小形状没有要求，所以当采用直入射三角法测量时，p s d 不需要倾 斜，降低了机械设计的复杂度，然而，p s d 输出的是电流信号，当温度、湿度 等环境变化就会影响电流的输出，p s d 对环境光的要求比较高，外界的环境光 也在p s d 上产生电流，这些信号不能像c c d j g 样通过后续的数字处理方法消除， 只能通过模拟电路消除，增加了电路的设计难度，只有在外界环境光得到有效 抑制的情况时才有较好的检测精度，但在环境光无法消除时，检测的精度大大 减弱。在工业现场光环境比较复杂，所以使用p s d 进行检测时，要保证检测系 统良好的光环境。 c o m s 传感器存在，成像质量差、分辨率低、像元单元尺寸小、填充率低、 响应速度慢的缺点，但是随着半导体制作工艺的不断提高，c m o s 传感器的性 能不断提高，逐渐和c c d 的传感器接近。相比之下c o m s 传感器的成像质量还 是比c c d 低，并且在信噪比和敏感度上与c c d 相比还有较大差距，但是其价格 优势明显，功耗低。所以广泛应用在低端数码相机，摄像头，手机等电子产品 中。 c c d 在工业检测中使用最为广泛，尤其是线阵c c d ，具有高分辨率、高采 集速率、以及高灵敏性、稳定性好、成像效果好和响应速度快等优点。所以线 阵c c d 广泛应用于各种工业，军事等对检测精度和检测速度有严格要求的非接 触检测系统中。 根据上述分析可知使用c c d 可以满足系统设计要求，所以本系统选择c c d 传感器作为感光器件。系统采用三角检测法配合c c d 构成探测结构单元，后续 第二章检测原理及总体方案设计 电路处理单元、机械结构以及整体方案都是根据探测单元的特点进行设计的。 2 4 系统设计基本原理图 系统由被测轮胎、转轴、激光器、成像透镜、c c d 、数据处理单元组成， 如图2 - 6 所示。检测时，轮胎固定于转轴上，进行旋转，当轮胎不圆时，轮胎 表面会发生径向的位移h 。在轮胎上的激光点也随之发生径向移动，通过光学 系统成像关系可以得出光点在c c d 上所成的像同样会在c c d 的感光阵列上发 生移动h ，记录这个偏移量，由数据处理单元自动记录轮胎的径向位移，通过计 算得到轮胎的不圆度，将计算结果通过接口传给上位机。在系统中在旋转台直 径方向上对称安装两台设备，同时记录轮胎表面的径向位移量，可以有效的校 正轮胎偏心对轮胎不圆度检测造成的影响。 i 一一 l i l l l i i i i i i i i i i i i 终 成像物镜 髓 转轴 一 一一 宦一 厂 k1 l | i lh 图2 - 6 探测单元工作基本原理图 检测系统的信号采用线阵c c d 图像传感器捕获，线阵c c d 用于尺寸检测 的技术是非常有效的非接触式检测技术，被广泛的应用于各种尺寸的在线监测 和高精度、高速度的监测技术领域。由c c d 图像传感器、光学系统、数据采集 和处理系统构成的c c d 光电尺寸检测仪器的使用范围和优越性是现有机械式、 光学式、电磁式检测仪器都无法比拟的。这与c c d 本身所具有的高分辨率、高 灵敏度、像素位置信息强、结构紧凑及其自扫描的特性密切相关。这种检测方 法往往直接捕获目标信号，无须配置复杂的机械运动结构，从而减少产生误差 来源，使检测更准确、更方便。 1 4 理 器 一搬。细眇。j 第二章检测原理及总体方案设计 2 5 检测系统总体方案设计 根据上述对检测原理的分析结合系统的设计要求设计系统的总体方案。检 测系统总体方案设计包括光学系统方案设计、机械结构方案设计、电路部分方 案设计，详细论述了各部分的设计依据以及参数计算。 探测单元设备安装在一个固定的模块上，可以根据需要安装在不同的框架 上。根据设计指标要求，提出检测系统总体设计方案，如图2 7 所示。系统主 要由机械装调结构、被测轮胎、光学系统、激光器、控制处理电路等组成。轮 胎是本方案的目标物；光学系统用来实现成像功能；控制处理电路部分完成数 据的采集、控制、存储和显示功能。电源部分对整个系统供电。 从上图中可以得知，系统由光学系统、机械机构和电路及控制系统组成， 下面对系统主要组成部分的设计方案做详细的论述。 轮胎面 篇翳需 i 轮胎 貔施。；磁；l 、 图2 7 系统结构框图 2 5 1 光学系统方案设计 光学系统设计理论依据是三角法测量原理，上文中对两种三角测量结构做 了详细分析对比两种方法的适用性并优缺点并结合系统测量距离，测量对象特 征以及安装方便设计要求，选用直入射式激光测量系统作为本系统的测量结构。 第二章检测原理及总体方案设计 再根据直入射激光测量原理，计算出系统的设计参数。 l 、激光与主光轴夹角确定 因为采用直入射法，需要选择激光与主光轴的夹角，根据c c d 与激光器的 安装距离以及测量距离的要求，选择合适的夹角，为了方便计算和满足安装条 件，选用4 5 0 角作为激光与镜头主光轴的夹角，计算其他参数，如果满足条件则 选择该夹角，如果不满足别的设计条件，再对该角度进行调整，直到全部设计 要求满足为止。 2 、c c d 倾斜角度的确定 根据上面对激光与主光轴夹角的确定和三角公式容易得知，激光光点的运 动轨迹与镜头主光轴的夹角为4 5 0 ，假如c c d 垂直主光轴安装在像面上，根据光 学成像公式可以得知，在光点移动过程中，由于物距的变化导致像距的变化， 光斑离焦现象明显，所以根据上述公式( 2 2 0 ) 求出c c d 与主光轴垂直放置时 的垂轴放大率就可以得n c c d 与主光轴的夹角。系统设计要求测量范围为 0 - 2 0 0 m m ，又因为激光与镜头主光轴夹角为4 5 0 ，根据公式( 2 5 ) 的可得，测 量最大范围为2 0 0 m m s i n 4 5 0 = 1 4 1 4 m m 。根据选用的c c d 的参数，可以得知c c d 光敏面得长度为3 5 m m ，根据成像公式： 百h ： ( 2 2 5 ) 一= ，) i 二。， h h = 3 5 m m 为c c d 的像敏面长度，h = 2 0 0 m m s i n 4 5 0 = 1 4 1 4 m m 。 可失n c c o 与主光轴垂直放置时的垂轴放大率为= 3 5 1 4 1 4 = 0 2 4 8 。由公式 ( 2 2 0 ) 得知矽= 7 6 0 9 0 。 3 、镜头选择 前文已经求出c c d 与主光轴垂直放置时的垂轴放大率= o 2 4 8 和系统设计 要求可知l = 5 5 0 m m ，由成像公式： 2 z l ( 2 2 6 ) 可以得出： i = 13 6 4 m m 根据物象关系公式： 可以得出： 111 一+ - _ 2 l l f ( 2 - 2 7 ) 第二章检测原理及总体方案设计 f = l0 9 2 9 m m 根据理论计算应选用焦距为1 0 9 2 9 m m 的镜头。所以在现有的镜头中选择 一款接近的镜头，经过对比各镜头的参数，最终确定使用8 5 m m 的镜头进行系 统设计。 4 、最终参数计算 因为选用8 5 m m 的镜头设计系统，所以要以镜头参数为标准，反推系统各项 参数来确定镜头选择是否合适。 根据物象关系公式( 2 2 7 ) 可以得到像距： l s = l0 0 5 4 m m 根据公式( 2 2 6 ) 可得： 屈= 0 1 8 2 7 根据公式( 2 2 0 ) 可得： 织= 7 9 6 4 。 所以最终确定c c d 的倾斜角为7 9 6 4 0 。 根据成像公式( 2 - 2 5 ) 可得： h s = l9 1 5 7 m m 可以反推出系统测量范围为h s - - s i n 4 5 0 = 2 7 0 9 m m 2 0 0 m m ，所以系统参数选择合 理，能够满足系统的测量要求。 5 、系统分辨率确定 系统的分辨率即为光点在c c d 上移动一个像元时，对应的轮胎胎面径向移 动的距离。 经计算可得：， 万= 0 0 5 5 m m 2 5 3 8 瓦这样才能保证像元信号的正确输出；另外两个信号d o s 、0 s 分别 是c c d 的像元输出的补偿信号和c c d 像元输出信号，其中d o s 补偿信号，提 供了一个基准电压值，将d o s 、o s 信号进行差分放大就可以抑制共模干扰， 提高c c d 信号的完整性。 s h 西l 0 2 图3 4c c d 驱动时序图 c c d 的驱动脉冲时序，如图3 4 所示。s h 信号必须发生在磊信号的高电平 时刻，也就是说s h 信号脉冲的高电平持续的时间不但要满足t 3 的要求，而且要 比死信号高电平持续时间短，持续时间满足时序图上t l ，t 5 的要求。识、破信号的 极性相反，必须保持一个高一个低的状态，设计中可以由同一个信号取反产生。 c p 、r s 信号有严格的发生时间要求，其宽度和时间间隔必须满足时序图中的 要求，胚信号在c p 信号前发生，且在有效的磊、，信号高或者低电平时间内 发生。只有满足时序图的所要求的信号序列才能使c c d 正常工作。 根据c c d 的时序图，设计c c d 的驱动电路，c c d 的六路驱动脉冲都是由 c p l d 产生，这就要求在c p l d 内进行可编程操作。设计时c p l d 选用一个晶 振源，选择晶振时，要大于驱动电路要求的最大频率，最好选用最大驱动频率 的整数倍的晶振作为晶振源，采用同一时钟源可以很容易确定几路脉冲的相对 s 饥 晚 ；2 凹 傩 第三章检测系统硬件电路设计 时间关系，所以选用分频器对晶振时钟进行分频以产生各路脉冲所需要的波形。 时序发生原理图，如图3 5 所示。 图3 5c c d 驱动时序产生 t c d l 5 0 1 的时序驱动设计中，m c l k 作为外部晶振时钟的输入信号；q 。、 q 1 、q 2 、q 3 信号是由m c l k 经过分频器分出的信号，周期以2 的倍数递增， 然后经过组合逻辑电路产生c p 、r s 、s p 信号，三个信号的频率占空比为l ： 3 ；分频出来的信号，有一路给计数器，驱动计数器计数，由计数器产生的计数 值传入比较器作为参考，产生时间延时信号或、d 。、d ：、d ，d 0 、d ，、d ：、 d ，延时信号进入组合逻辑电路生成s h 、识、办。 系统工作在工业现场，光照条件复杂，通过改变计数器的参考值进行调节， 改变c c d 的积分时间，以适应检测环境光的变化，通过d s p 设置s o 、s l 、s 2 的值， 选择不同的频率，改变c c d 采样频率，适应轮胎不同的转速要求。 c c d 输出的信号，幅值较小，需要进行信号的放大，由于c c d 输出的是 模拟信号，所以使用模拟器件进行放大，这里采用n p n 行三级管对c c d 的输 出信号进行初步放大，然后输入带有双采样和差分放大功能的a d 转换器中进 行数模转换。 3 3 2 数模转换与数据缓冲模块 数模转换之前往往需要对模拟信号进行放大，满足a d 采样的幅值大小，才 能进行数模转换。c c d 的模拟信号已经经过三极管的初步放大。但是仍然不能 满足a d 采集的幅值要求，另外，c c d 信号带有很大的直流分量，无法进行a d 采集，传统的做法是使用差分放大器件对c c d 输出的信号o s 己近补偿信号d o s 进行差分放大，然后再经过多级放大，最终进入a d ，这种模拟放大的方法，需 2 4 第三