（光学工程专业论文）汽车制动钳内凹槽表面粘贴异物的检测.pdf

摘要 摘要 课题是与天津市客车桥厂的合作项目，旨在开发汽车制动钳内凹槽中异物的检 测系统，它是保证汽车制动系统安全可靠工作的十分重要手段，对于汽车安全行驶 具有重要意义。 文章介绍了利用线阵c c d 传感器对旋转实物进行图像扫描与采集，并利用计算 机显示制动钳内凹槽平面展开图像的检测方法。该方法采用红外光照明被测物，解 决制动钳凹槽内部照明不足的问题，另外采用具有较大容量存储器的计算机数据采 集接口卡采集整帧图像，再通过图像处理软件将制动钳内凹槽的扫描图像展开成一 幅具有位置坐标的便于观察的平面图像。检验者通过观测平面图像清楚地观测出制 动钳内凹槽内是否有异物，以便处理。 论文的主要内容包括以下几个方面： 1 对内圆周图像采集方案的选择问题进行了探讨； 2 详细介绍了线阵c c d 芯片g p d 3 5 7 5 d 的工作原理并采用a l t e r a 的c p l d 为其设计 驱动器： 3 进行基于i s a 总线的a d 数据采集卡的软硬件设计； 4 设计了基于i s a 总线8 b i t 的a d 数据采集卡； 5 在v i s u a lc + + 6 0 环境下开发出w i n d o w s 应用程序。 关键词：扫描图像采集，制动钳，线阵c c d ，红外照明 a b s t r a c t a b s t r a c t t h i sp r o j e c ti sc o o p e r a t e dw i t hk e c h e q i a oc o m p a n yo ft i a n j i n ，a n dd e v e l o p st h e i n s p e c t i o ns y s t e mo fb r a k es h a f t , w h i c hh a sm a g n i f i c e n tm e a n i n gt ot h er e l i a b l er u n n i n g o f c a ra n db u s t h i st h e s i si n t r o d u c e st h em e t h o dt oa c q u i r ea n dd i s p l a yt h ei m a g ew i t hc c d ，a n d m a i n l yr e l a t e st h ek e y s t o n eo ft i l ei n s t r u m e n ta n dt h ed e s i g no fd r i v e sa n di n t e r f a c e b e s i d e s ，i tp o i n t st w oc h a r a c t e ro f t h es y s t e m ，o n ei ss e r v i n gt h ep r o b l e mo fl a c k i n gl i g h t i nt h eg r o o v yo fb r a k es h a f tw i t hi n f r a r e di l l u m i n a t i o n ，t h eo t h e ri sa c q u i r i n gt h ew h o l e f r a m eo fi m a g ew i t hm s fa tt h ec a s eo fl o wn e e do fr e a lt i m e f i n a l l y , t h ef e a s i b i l i t yo f t h i sp r o j e c ti sp r o v e db yt h es a t i s f a c t o r yr e s u l tg o tf r o mt h ei n s p e c t i o no ft h eb r a k es h a f t t h em a i nc o n t e n t so ft h i st h e s i sa r el i s t e da sf o l l o w i n g ： 1 t h es c h e m es e l e c t i o no fi n n e rc i r c l ei m a g ea c q u i s i t i o nh a sb e e nd i s c u s s e d 2 t h ep r i n c i p l eo fl i n e a rc c ds e n s o ri _ t p d 3 5 7 5 dh a sb e e ni n t r o d u c e di nd e t a i la n di t s d r i v e rc i r c u i th a sb e e nd e s i g n e da n di m p l e m e n t e db yu s i n gc p l d 3 a na da c q u i s i t i o nc a r db a s e do ni s ab u s h a sb e e nd e s i g n e d 4 t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fa n8 b i t ，a da c q u i s i t i o nc a r dw i t hi s ab u sh a v eb e e n e s t a b l i s h e d 5 a na p p l i c a t i o ns o f t w a r eo ft h i si m a g ea c q u i s i t i o ns y s t e mh a sb e e nd e v e l o p e du s i n g v i s u a lc 抖6 0 k e yw o r d s ：i m a g es e n s o r , b r a k es h a f t , i n f r a r e di l l u m i n a t i o n ，i s ab u s 独创性声明 本人声明所成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 不包含为获得丞洼太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1 ：作过的 同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 衢擘 l 签字日期：夕口少年毒月。乒日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可 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、缩印或扫描的复制 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、鸡罕 导师签名 签字日期：乃。7 年 夕月乒日 乏扛晤 签字日期：z 叼年 z 月z 垆日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 汽车制动钳内凹槽检测的发展与现状 4 j 本课题是与天津市客车桥厂的合作项目，项目全称为汽车制动钳 内凹槽表面粘贴异物的图像扫描采集系统。本课题完成汽车制动钳内 凹槽图像扫描采集系统的设计，包括光学系统、图像传感器驱动系统、 a i d 数据采集系统和图像采集软件系统的设计和实现。 随着我国汽车工业的快速发展，汽车的安全性越来越受到关注。 作为汽车上的安全设备，汽车制动钳是关系到人身安全的重要产品， 也是生产厂家负有极大相关责任的产品。不久前三菱公司就是因为制 动设备缺陷召回其帕杰罗汽车。为此国家对汽车、摩托车制动钳有严 格的检测标准，相关检测项目多且检测指标又多是要求准确的量化值。 很多老式的检测设备只能检测部分项目，并且可扩展性很差，很难适 应现代企业多品种短周期的高效率生产模式，采用现代检测手段的检 测设备不仅仅要求能够精确检测而且应该更好地适应现代的生产模 式，能够及时为生产、管理提供快捷的大量有用信息。 对汽车制动钳内凹槽表面粘贴异物的检测是制动钳质量检测的关 键。由于生产程序和生产工艺等原因，汽车制动钳内凹槽表面经常会 粘有铁屑等异物，这些异物会对行驶中的汽车轮胎造成损害甚至可能 引发汽车事故。因此对于汽车制动钳内凹槽表面粘贴异物的检测显得 尤为重要。图1 1 为汽车制动钳的图片，从图中可以看出，由于制动钳 的设计形状等原因，其内凹槽较为隐蔽，光线比较暗，不容易用人眼 直接观察。检测制动钳内凹槽是否存有异物( 特别是加工余留的铁削) 更是困难。 第一章绪论 一 一 图1 i 汽车制动钳 目前国内许多生产厂家仍采用人工检测制动钳内凹槽异物的方 法，即使用放大镜、内窥镜等观测手段进行直接观测。这样的检测方 法检测速度慢，效率低，同时由于制动钳内凹槽观测条件不好，人眼 很容易疲劳，不可避免的造成观测差错，不能保证对制动钳的检测质 量。为确保制动钳的产品质量，有必要开发更先进、更可靠的检测手 段。 本课题根据光学成像原理，采用线阵c c d 扫描成像、计算机图像 数据采集与图像处理软件相结合，开发出了本检测系统。该系统利用 红外照明，采用线阵c c d 扫描图像的方法，对制动钳内凹槽进行内圆 周图像扫描，并通过i s a 工业总线将图像数据采集到计算机系统中， 之后利用软件将图像显示出来，便于操作者观察与处理。另外，计算 机能够存储已检测过的工件图像，便于查找漏检的有异物的制动钳， 确保产品质量，及统计查询。 12 本课题的意义 从i9 7 0 年美国贝尔实验室发明第1 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。线阵c c d 第一章绪论 用于精密测量物体尺寸是一种非常有效的非接触型的精密检测手段， 由于具有非接触无磨损、测量精度高、速度快、实时性强、易与计算 机进行数据交换等特点，因此被广泛应用于各种物体扫描的应用中。 本课题的综合意义如下： 1 、由于本课题采用线阵c c d 图像传感器对制动钳内凹槽表面粘 贴异物进行自动检测，不但可以实现高速、连续实时的自动检测，而 且也使得人为主观因素的影响降至最低，使检测的效率和准确率都得 到大大的提高，同时也使工人从繁重的劳动中得以解脱出来。 2 、汽车制动钳内凹槽表面粘贴异物检测系统的研制成功对于实际 的工厂检测是一个创新，它必将取代类似行业的肉眼视觉检查的方法。 该系统的应用为类似行业提供了新的低成本的解决方案。 3 、本系统安装调试方便、见效快、易于使用与维护，采用线阵 c c d 作为探头进行非接触检测，对于光电探头不存在磨损的问题，也 不必要定期更换检测探头，只要定期为光电探头除尘即可。因此它还 具备一定的防尘，抗震，抗电磁干扰的能力，可以适应较恶劣的工业 现场环境。 1 3 本课题的工作内容和创新点 本课题的主要内容是对汽车制动钳内凹槽进行扫描成像与图像采 集系统的设计。其中包括图像采集器机械结构及机械传动系统、红外 照明的光学系统、c c d 图像传感器l t p d 3 5 7 5 d 的驱动器、i s a 总线a d 数据采集卡和w i n 2 0 0 0 环境下的图像扫描采集系统等应用程序。 本课题的创新点如下： l 、利用a l t e r am a x + p l u si i 设计了基于c p l d 的g p d 3 5 7 5 d 线阵c c d 器件的驱动器。 2 、设计开发了i s a 总线接口的a d 数据采集卡及其接口驱动程序。 3 、利用v i s u a lc + + 开发了制动钳内凹槽图像扫描的应用程序。它包 含图像的采集、图像的显示、被测工件的分选与e x c e l 数据统计系统。 第二章汽车制动钳内凹槽检测系统设计原理 第二章汽车制动钳内凹槽检测系统设计原理 2 1 汽车制动钳内凹槽检测系统工作原理 汽车制动钳内凹槽异物检测系统的原理如图2 一l 所示。检测系统 由被检测工件、图像采集系统、机械系统控制器p l c 、计算机等构成。 图中被检测工件为制动钳内凹槽，在机械系统控制器的控制下，图像 采集系统将汽车制动钳的内凹槽的图像采集下来，并将数据传送到计 算机进行处理。计算机内部再通过软件将采集到的图像显示在屏幕上， 由人工判断是否有异物存在。 图2 一l 汽车制动钳内凹槽异物检测系统原理图 2 2 汽车制动钳内凹槽检测的图像采集系统原理方案的选择 由于汽车制动钳内凹槽所在位置在工件内部，且检测空间小，所 以无法使用接触式检测方案。因此，汽车制动钳内凹槽检测系统采用 “机器视觉”方案。 “机器视觉”又称图像检测技术，乃是将被测对象的图像作为信息 的载体，从中提取有用的信息来达到测量的目的。它具有非接触、高 速度、测量范围大、获得的信息丰富等优点。通过c c d 摄像头与光学 系统、数字处理系统的结合，可实现不同的检测要求。 与传统的拍摄传感器相比，c c d 图像传感器具有输出噪声小、动 态范围大、光谱响应范围宽、分辨率高、输出信号线性度好、功耗低、 体积小、寿命长等优点。 从芯片结构上c c d 传感器可分为两个类型线阵c c d 和面阵 4 第二章汽车制动钳内凹槽检测系统设计原理 c c d 。在线阵c c d 中，对光线敏感的微小单元( 对应于影像中的一个 元素) 均匀地排列成一列，故称线阵；在面阵c c d 中，这样的微小单 位均匀地排成若干列，形成一个矩形的芯片，故称为面阵。 1 、面阵c c d 方案 汽车制动钳内凹槽异物检测系统可以采用面阵c c d ，对内凹槽进 行图像采集，由于内凹槽为3 6 0 度圆形，所以需要采集多张的二维图 片，并将其传送给计算机，通过软件将多张二维图片按次序拼接起来。 然后显示在计算机上。 2 、线阵c c d 方案 汽车制动钳内凹槽异物检测系统也可以采用线阵c c d ，安装时将 线阵c c d 像敏面与内凹槽垂直，然后让汽车制动钳围绕线阵c c d 旋 转，一次观察物体的一个条状部分，这样内凹槽的图像被线阵c c d 一列列的扫描下来，并将数据存储在存储器中，当线阵c c d 扫描内凹 槽3 6 0 度时，将数据一次性的从存储器中输送到计算机中，通过软件 将图像显示出来。 3 、采用线阵c c d 扫描成像与面阵c c d 直接成像的利弊 采用面阵c c d 图像传感器为成像器件时，可以直接通过光学系统 直接将所摄景物成像在传感器件上，传感器通过自扫描系统将图像信 号转换成一位时序信号( 全电视视频信号) 输出，在显示器或计算机 图像卡的协助下直接获得二维图像。因此，面阵c c d 图像传感器适用 于以下几方面： 对生产线上，检测运动着的工件姿态或形位尺寸，尤其对能够 分离开的工件，采用面阵c c d 更为合适； 对能够在4 0 m s 采集时间段内相对静止的工件表面缺陷进行检 测，如发动机连杆大小头结合面的破口缺损等的检测； 快速捕捉无规律运动物体的图像，如喷丝、爆炸图像与载荷下 第二章汽车制动钳内凹槽检测系统设计原理 的云纹图像等的采集与识别； 三维或多维表面形位尺寸的同步、异步测量。 线阵c c d 图像传感器适用于以下方面： 在某一个固定的位置对规则运动物体进行一维或二维图像的检 测、测量与计算： 对生产线上，规则运动着的工件姿态、表面质量或形位尺寸检 测时，尤其是被测件是连续、不可分割的情况下，如木材、木 板表面瑕疵的检测、感光胶片表面质量的检测等采用线阵c c d 图像传感器更为合适： 旋转物体内、外表面质量进行检测时，由于它们所形成的图像 是连续的用面阵c c d 成像带来的拼接与离焦等问题有时难以 克服，而线阵c c d 的像面几乎窄到几何线能够很容易解决上述 困难； 另外，线阵c c d 一行的光敏单元数量可以很多，例如10 5 5 0 像元的器件很容易获得，而且成本很低，使得低成本高分辨率 地获得大幅度图像成为可能，即在条件允许的情况下采用线阵 c c d 更容易获得更高分辨率的图像。 在本系统中，如果采用面阵c c d 作为图像采集器件就必须对多幅 图像进行拼接，且不可避免地造成图像重叠与变形的问题；图像重叠 与变形以及位置错误等为内凹槽中异物的检测带来许多难以克服和没 必要引入的困难。 采用线阵c c d 器件作为图像采集器，由于线阵c c d 的像元高度 很小( 14um ) ，经放大倍率仅为0 5 的成像物镜折成物面尺寸后仅为 71 tm ，在这么小的区域内凹槽被分割成71 tm 宽的图像，因此，光学 系统的离焦被忽略。内凹槽图像与线阵c c d 的相对运动( 扫描) 成一 列列的线图像，再将这些列图像拼接成完整的图像定是一幅完整无缺 陷的图像，将这样的图像用计算机采集并显示在屏幕上供给检测人员 观测，检测人员很容易检测出内凹槽内的异物。 图像的水平分辨率可通过被检测器件相对线阵c c d 的旋转速度 进行适当的调整。 6 第二章汽车制动钳内凹槽检测系统设计原理 综上所述，汽车制动钳内凹槽检测系统应该采用线阵c c d 作为图 像采集器件。 2 2 1 线阵c c d 扫描成像原理【1 ，2 ，3 ，5 】 一、c c d 的工作原理 c c d 的英文全称是c h a r g e dc o u p l e dd e v i c e ，意思为电荷耦合摄 像器件。其突出特点是以电荷为信号的载体，这与其他大多数器件是 以电流或者电压为信号的载体不同。c c d 器件的主要功能是电荷的存 储和电荷的转移。因此，c c d 的基本工作过程主要是信号电荷的产生、 存储、转移和检测。以下将分别从这几个方面讨论c c d 器件的基本工 作原理。 l 、电荷存储 构成c c d 的基本单元是m o s ( 金属一氧化物一半导体) 结构。如 图2 2 ( a ) 所示，在栅极g 施加电压u g 之前p 型半导体中空穴( 多数载 流子) 的分布是均匀的。当栅极施加正电压u g ( 此时u 6 小于等于p 型 图2 2c c d 栅极电压变化对耗尽区的影 半导体的阈值电压u 。h ) 时，p 型半导体中的空穴将开始被排斥，并在 半导体中产生如图2 2 ( b ) 所示耗尽区。电压继续增加，耗尽区将继续 向半导体体内延伸，如图2 2 ( c ) 所示。u g 大于u 。h 后，耗尽区的深度 与u g 成正比。若将半导体与绝缘体界面上的电势记为表面势，且用多s 表示，表面势咖s 将随栅极电压u g 的增加而增加，他们的关系曲线如图 2 3 所示。图2 3 描述了在掺杂为10 2 1 c m 一，氧化层厚度为0 1p m 、 o 3 m 、o 4 斗m 和0 6 p m 情况下，不存在反型层电荷时，表面势西。与 栅极电压u g 的关系曲线。从表面势西s 与栅极电压u g 的关系曲线可以 看出氧化层的厚度越薄曲线的直线性越好；在同样的栅极电压u g 作用 7 第二章汽车制动钳内凹槽检测系统设计原理 下，不同厚度的氧化层有着不同的表面势。表面势中s 表征了耗尽区的 深度。 图2 4 为栅极电压u g 不变的情况下，表面势士s 与反型层电荷密 ”翟蔗黧嚣鼬2 1 m - t ：崔辘鼍； 0 i k v = 0 ) 自 * 2 镕- 4 嚣者磊“” 度q 之间的关系。由图2 4 可以看出，表面势毋s 随反型层电荷密度 q 的增加而线性减小。依据图2 3 与图2 4 的关系曲线，很容易 用半导体物理中的“势阱”概念来描述。电子所以被加有栅极电压的 m o s 结构吸引到半导体与氧化层的交界面处，是因为那里的势能 最低。在没有反型层电荷时，势阱的“深度”与栅极电压u g 的关系恰如 ( a ) 空势阱；( b ) 填充1 3 的势阱；( c ) 全满势阱 图2 5 势阱 庐s 与“g 的关系，即如图2 5 ( a ) 空势阱的情况。圈2 5 ( b ) 为反型层 电荷填充i 3 势阱时表面势收缩的情况表面势士s 与反型层电荷密度 9 川的关系如图2 4 所示。当反型层电荷继续增加表面势币s 将逐 第二章汽车制动钳内凹槽检测系统设计原理 渐减少，反型层电荷足够多时，表面势多s 减少到最低值2 痧f ，如图 2 5 ( c ) 所示。此时，表面势不再束缚多余的电子，电子将产生“溢 出”现象。这样，表面势便可作为势阱深度的量度。 2 、电荷耦合 为了理解c c d 中势阱及电荷如何从一个位置转移到另一个位置， 可观察图2 6 所示的四个彼此靠得很近的电极在加上不同电压的情 况下，势阱与电荷的运动规律。假定开始时有一些电荷存储在栅极电 压为10 v 的第1 个电极下面的深势阱里，其他电极上均加有大于阈值 的低电压( 例如2 v ) 。若图2 6 ( a ) 所示为零时刻( 初始时刻) ，经过 时间t i 时刻后，各电极上的电压变为如图2 6 ( b ) 所示，第1 个电极仍 保持为l0 v ，第2 个电极上的电压由2 v 变到l0 v 。因这两个电极靠得 很近( 间隔不大于3 p m ) ，他们各自的势阱将合并在一起，原来第1 个电极下的电荷变为这两个电极下联合势阱所共有，如图2 6 ( b ) 和图 鼙篮聪茸簟 目磊嚣着剀刮 ( a )b ) 四1 0 - - 0 2 v1 品茹2 2 尹1 品翕四明翁 z v 1 0 v 四 l 玉匹三1 翁0 v l 卫 1 = 图2 - 6三相c c d 中电荷的转移过程 2 6 ( c ) 。若此后各电极上的电压变为如图2 6 ( d ) 所示，第1 个电极 上的电压由10 v 变为2 v ，第2 个电极上的电压仍为10 v ，则共有的电 荷转移到第2 电极下面的势阱中，如图2 6 ( e ) 所示。由此可见，深势 阱及电荷包向右移动了一个位置。 通过将一定规律变化的电压加到c c d 各电极上，电极下的电荷包 就能沿半导体表面按一定方向移动。通常把c c d 的电极分为几组，每 一组称为一相，并施加同样的时钟驱动脉冲。c c d 正常工作所需要的 相数由其内部结构决定。图2 6 所示的结构需要三相时钟脉冲，其驱 动脉冲的波形如图2 6 ( f ) 所示，这样的c c d 称为三相c c d 。三相c c d 9 第二章汽车制动钳内凹槽检测系统设计原理 的电荷耦合( 传输) 方式必须在三相交叠驱动脉冲的作用下，才能以 一定的方向逐单元地转移。另外，必须强调指出，c c d 电极间隙必须 很小，电荷才能不受阻碍地从一个电极下转移到相邻电极下。这对于 图2 6 所示的电极结构是一个关键问题。如果电极间隙比较大，两电 极间的势阱将被势垒隔开，不能合并，电荷也不能从一个电极向另一 个电极完全转移，c c d 便不能在外部驱动脉冲作用下进行转移。能够 产生完全转移的最大间隙一般由具体电极结构、表面态密度等因素决 定。 3 、电荷的注入和检测 在c c d 中电荷注入的方法主要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一空穴对， 其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。在此仅讨论与本课题有关的光注入法。 c c d 利用光电转换功能将投射到c c d 上面的光学图像转换为电 信号“图像”，即电荷量与当地照度大致成正比的大小不等的电荷包空 间分布，然后利用移位寄存功能将这些电荷包“自扫描”到同一个输出 端，形成幅度不等的实时脉冲序列。其中光电转换功能的物理基础是 半导体的光吸收。当电磁辐射投射到半导体上面时，电磁辐射一部分 被反射，一部分透射，其余部分被半导体吸收。所谓半导体光吸收， 就是电子吸收光子并从一个能态跃迁到另一个较高能级的过程。我们 这里将要涉及到的是价带电子越过禁带到导带的跃迁，和局域杂质或 缺陷周围的束缚电子( 或空穴) 到导带( 获价带) 的跃迁。他们分别 称为本征吸收和非本征吸收。c c d 利用处于表面深耗尽状态的一系列 m o s 电容器( 称为感光单元或光敏单元) 收集光产生的少数载流子。 这些收集势阱是相互隔离的。可见，光转换成电的过程实际上还包括 对空间连续的光强分布进行空间上分离的采样过程。 另外，衬底每吸收一个光子，反型区中就多一个电子，这种光子 数目与存储电荷的定量关系正是c c d 检测器用于对光信号作定量分 析的依据。 转移到c c d 输出端的信号电荷在输出电路上实现电荷电压( 电 1 0 第二章汽车制动钳内凹槽检测系统设计原理 流) 的线性变换，称之为电荷检测。从应用角度对电荷检测提出的要 求是检测的线性、检测的增益和检测引起的噪声。目前c c d 的主要输 出方式有电流输出、浮置扩散放大器输出和浮置栅放大器输出。 二、c c d 的特性参数 l 、电荷转移效率1 1 电荷转移效率是表征c c d 性能好坏的重要参数。把一次转移之 后，到达下一个势阱中的电荷与原来势阱中的电荷之比称为电荷转移 效率。影响电荷转移效率的主要因素是界面态对电荷的俘获。为此， 常采用“胖零”工作模式，即让“零”信号也有一定的电荷。好的c c d 具 有极高的电荷转移效率，一般可达0 9 9 9 9 9 5 ，所以电荷在多次转移过 程中的损失可以忽略不计。 2 、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。驱动频率一般泛指加在转移栅上的脉冲甲1 或平2 的频率。 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器件的工作 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。 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，这 样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载流子迁移率、电极长度、衬 底杂质的浓度和温度等因素有关。因此，对于相同结构设计的n 沟道 第二章汽车制动钳内凹槽检测系统设计原理 c c d 比p 沟道c c d 的工作频率高。 3 、暗电流 在正常工作的情况下，m o s 电容处于未饱和的非平衡态。然而随 着时间的推移，由于热激发而产生的少数载流子使系统趋向平衡。因 此，即使在没有光照或其他方式对器件进行电荷注入的情况下，也会 存在不希望有的暗电流。暗电流是大多数摄像器件所共有的特性，是 判断一个摄像器件好坏的重要标准，尤其是暗电流在整个摄像区域不 均匀时更是如此。产生暗电流的主要原因有：耗尽的硅衬底中电子自 价带至导带的本征跃迁；少数载流子在中性体内的扩散；s i s i 0 2 界面 引起的暗电流。 4 、动态范围 动态范围d r 的定义为公式( 2 1 ) ： 1 7 d r = 塑 ( 2 一1 ) 麟 其中y s 彳r 为饱和输出电压，矿d r x 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 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10 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 10 9 个光子的光束响应， 也可以对每秒7 l0 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。 5 、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 1 、10 2 4 1 、2 0 4 8 xl 、216 0 l 、2 7 0 0 l 、 5 0 0 0 xl 、5 3 4 0 1 、7 5 0 0 1 、2 7 0 0 3 、5 3 4 0 3 、l0 5 5 0 3 等多种。像元 位数越高的器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 1 2 第二章汽车制动钳内凹槽检测系统设计原理 光敏单元的高度等因素。 2 2 2 线阵c c d 传感器的选择 在汽车制动钳内凹槽的检测系统中，由于内部空间较小，同时检 测的凹槽为3 m m ，根据高斯公式( 2 2 ) ： 专+ j 1 = 7 1 ( 2 - 2 ) 式中：x 为像距，x 为物距，厂为焦距。考虑到光学系统的横向放 大倍数大于l 的情况下物距x 为l0m m 、像距x 为l5 m m ；物像距之 和小于3 0 m m ，且在像面上得到内凹槽的实像。即可在线阵c c d 的像 敏面上得到内凹槽放大的图像。 故图像传感器选用线阵c c d 器件i t p d 3 5 7 5 d ，构成径向尺寸不大 于制动钳内径一半的光源与图像传感器的图像扫描系统 采用g p d 3 5 7 5 d 图像传感器，其像元尺寸14 弘m ，总长为14 3 4 m m ， 一行可分辨10 2 4 个点。满足用户对行分辨率的要求。 2 3 系统开发平台及其工具的选择 2 3 1 硬件平台的选择 硬件平台主要有两种选择，常用的是使用通用性较强的p c 机作 为主机的方式，这种方式难度较低，开发周期较短；但整体体积较大， 又由于p c 机的操作系统多为多任务方式，不能实现真正意义上的实 时处理。另一种方式是采用基于微处理器( 如d s p ) 的嵌入式系统， 这种方式可以实现真正的实时处理，整机体积小巧；但开发难度较大， 开发周期长。 考虑到课题的研究重点及开发周期的限制，因此采用p c 机作为 硬件的实验平台，以后可将其移植到嵌入式系统。 2 3 2 软件平台的选择 目前市场上p c 机的主流操作系统仍然是m i c r o s o f t 的w i n d o w s 操作系统。其功能强大、稳定性较好、应用软件丰富，是软件平台的 第二章汽车制动钳内凹槽检测系统设计原理 首选。 2 3 3e d a 工具的选择 随着电子技术的不断发展和进步，电子系统的设计方法发生了巨 大的变化，以计算机为工作平台，融合了应用电子技术、计算机技术、 智能化技术的e d a ( e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o n ) 技术已逐渐取代传 统的电子设计方法，成为电子系统设计的主流。它的基本特征是：设 计人员按照”自顶向下”的设计方法，对整个系统进行方案设计和功能 划分，系统的关键电路用一片或几片专用集成电路( a p p l i c a t i o n s p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t 简称a s i c ) 实现，然后采用硬件描述语言 ( h d l ) 或原理图完成系统行为级的设计，最后通过综合器和适配器 生成最终的目标器件。【9 j a s i c 器件的设计输入方式主要有两种：一种是基于原理图的交互 式图形输入方法，另一种是基于硬件描述语言v h d l 的输入方法。用 原理图方式输入比较直观快捷，适合于规模较为简单的设计，对于电 路规模较大、复杂度高的设计，语言输入方式更具有优越性，它使得 设计师能够在更抽象的层次上描述和把握系统。v h d l 语言作为i e e e 标准设计语言，是电子c a d 技术发展的重要里程碑，作为一种硬件设 计时采用的描述性语言，v h d l 主要用于设计大规模数字硬件系统。 【1 0 】 本课题采用p r o t e l 9 9 s e 作为p c b 板的设计工具，选用a l t e r a 公司 的m a x p l u s1 1 作为可编程逻辑器件的开发工具。m a x p l u s1 i 是 a l t e r a 公司提供的专用e d a 集成开发工具。它引入了可编程逻辑功率 分析和优化套件一一p o w e r p l a y 技术，可以详细地估算出静态和动态的 功率，提供多层次的原理图设计流程、v h d l 设计流程的综合和优化。 2 3 4 应用软件开发工具 选用微软公司功能强大的v i s u a lc + + 作为应用软件的开发工具。 详细内容见第三章。 1 4 第三章汽车制动钳内凹槽检测系统设计d o c 第三章汽车制动钳内凹槽检测系统设计 31 检测系统的机械结构设计 汽车制动钳内凹槽检测系统的机械结构如图3 1 所示 系统 统： 图3 - 1 汽车制动钳内凹槽检测系统机械结构 它的机械结构由以下3 部分构成： 1 、由气缸1 和限位轨道组成的图像采集器的上下运动与运动定位 在制动钳安装定位后能将图像传感器插入到位 2 、由气缸2 提供动力使被铡工件能够绕钳的中心匀速旋转的系 第三章汽车制动钳内凹槽检测系统设计d o e 3 、在制动钳牢靠地安装在旋转工作台上后，用禁锢手柄锁紧，它 就可以在气缸2 的推动下做旋转运动： 31 1 工件旋转系统 工件旋转系统如图3 2 所示。旋转系统包含：气缸2 、齿条、工 件托盘与锁紧手轮等部件。其工作原理如下： 在p l c 的控制下电磁阎向气缸2 输送气体，使气缸2 进行工作， 由于齿条与气缸2 连接在一起，所以在气缸2 的带动下齿条进行左 右直线运动。工件托盘下带有齿轮，井与齿条相互咬合。当齿条左右 直线运动时。带动工件托盘逆时针和顺时针旋转。 图3 2 工件旋转系统结构圈 312图像传盛器系统机械 结构 图像传感器的机械结构如图 3 3 所示。由线阵c c d 图像传感器 构成的扫描成像系统必须置于内径 仅为6 0 m m 的制动钳内，才能正确 地获得内凹槽的图像。而且，根据 线阵c c d 扫描测量内凹槽图像的原 理要求，整个测量系统的径向尺寸 不能大于制动钳内径的一半( 即要 求测量光学系统的物、像距之和不 能大于3 0 m m ) 。 圈33 图像传感器机械结构 百菔 第三章汽车制动钳内凹槽检测系统设计d o e 由于以上原因，所以图像传感器系统机械结构上半部分为圆柱 形，内部用来放置c c d 的驱动电路。下半部分为长方体，便于进入汽 车制动钳内并将图像信息提取出来。 3 1 3运动控制机械系统 运动控制机械系统由o m r o n 公司的p l c 完成。运动控制机械系 统的基本流程如图3 4 所示。 上工件 气缸2 推动齿轮旋转 启动按钮卜+ i 图像传感器下行到位 图像采集开始hp l c 给计算机信号 气缸2 到位卜_ _ 叫图像采集完成气缸2 返回原位 图3 - 4 机械系统运动控制流程 首先，将工件安装在工件托盘上。然后按下启动按键，当p l c 检 测到启动信号后，控制气缸1 向下运动，图像传感器在气缸的推动下， 沿限位轨道运动到指定高度。当图像传感器到达指定位置后，向p l c 发出图像传感器到位信号。当p l c 检测到此信号后，p l c 向计算机发 出图像采集信号，图像传感器开始进行图像采集。与此同时，p l c 控 制气缸2 ，让汽缸2 带动齿条向左运动。从而使工件托盘顺时针旋转。 这样，图像传感器就可以采到汽车制动钳内部一周的图像。当工件托 盘完成顺时针旋转3 6 0 度之后，向p l c 发出信号。p l c 向计算机发出 停止图像采集信号。 在这时，图像数据通过i s a 总线传送到计算机。与此同时p l c 控 制汽缸2 ，让汽缸2 带动齿条向右运动。从而使工件托盘逆时针旋转， 使工件返回到初始位置。之后，p l c 控制汽缸l 向上运动，将图像传 第三章汽车制动钳内凹槽检测系统设计d o c 感器复位。 最后，工件图像通过软件显示在计算机上，经过工作人员判断工 件是否合格后，将数据保存。 3 2光学系统 3 2 1光源 因为汽车制动钳内凹槽检测系统使用环境较为恶劣。系统周围背 景光强度变化较大。如果选用一般光源进行照明时，照明效果会不十 分理想。由于c c d 芯片i ip d 3 5 7 5 d 的光谱响应特性中对红外光线敏 感，而且半导体红外发光二极管的外形尺寸小足可以放置在汽车制动 钳内部的狭小空间。所以，可用它对被测凹槽进行照明，并将其安装 在成像物镜的两侧。 3 2 2成像物镜的选择 由线阵c c d 图像传感器构成的扫描成像系统必须置于内径仅为 6 0 m m 的制动钳内，才能正确地获得内凹槽的图像。而且，根据线阵 c c d 扫描测量内凹槽图像的原理要求，整个测量系统的径向尺寸不能 大于制动钳内径的一半( 即要求测量光学系统的物、像距之和不能大 于3 0 m m ) 。 成像物镜采用短焦距( 焦距为6 m m ) 的超小型c c d 摄像镜头。 根据高斯公式( 3 1 ) ： 111 + 二= ( 3 - 1 ) x 。x j 式中：x 为像距，x 为物距，厂为焦距。考虑到光学系统的横向放大倍 数大于1 的情况下物距x 为l0m m 、像距x 为l5 m m ；物像距之和小 于3 0 m m ，且在像面上得到内凹槽的实像。即可在线阵c c d 的像敏面 上得到内凹槽放大的图像。图像传感器选用l0 2 4 像元的线阵c c d 器 件o p d 3 5 7 5 d ，构成径向尺寸不大于制动钳内径一半的光源与图像传 感器的图像扫描系统。 第三章汽车制动钳内凹槽检测系统设计d o e 3 3 检测系统的图像采集系统设计 在汽车制动钳内凹槽检测系统中，图像扫描器件处于静止状态。 被检测的汽车制动钳围绕图像扫描器件旋转一周。在此过程中，图像 采集系统将汽车制动钳内凹槽的图像采集到计算机中，并且通过软件 显示出来。 汽车制动钳内凹槽检测系统的图像采集过程如图3 - 5 所示： 图3 5图像采集系统结构图 检测系统由照明系统、被检测物、光学成像系统、线阵c c d 、a d 采集卡、i s a 接口及计算机等构成。图中由电源控制的照明系统发出 均匀光线照射到被检测物，被检测物表面信息通过成像系统成像在线 阵c c d 的像敏面上，在驱动电路产生的脉冲信号驱动下，线阵c c d 完成光电转换，被检测物的视频信号将进行a d 处理，数字数据由静 态存储器( s r a m ) 进行数据缓存，将信息传送计算机系统，专用分析软 件将图像显示出来。 3 8 1 i t p d 357 5 d 的主要特性及其驱动 1 、c c d 器件l x p d 3 5 7 5 d 的主要特性【6 】 器件o , p d 3 5 7 5 d 是一种高灵敏度、低暗电流、l0 2 4 像元的内置采 样保持电路和放大电路的线阵c c d 图像传感器。该传感器可用于传 真、图像扫描和o c r 。它内部包含一列l0 2 4 像元的光敏二极管和两 列5 2 5 位c c d 电荷转移寄存器。该器件工作在5 v 驱动( 脉冲) ，1 2 v 电源条件下。图3 - 6 和表3 1 为| lp d 3 57 5 d 的管脚定义。 1 9 第三章汽车制动钳内凹槽检测系统设计d o e 表3 1 l ip d 3 5 7 5 d 管脚定义 o 】o 时钟 1 2 i t g 转移脉冲 1 2 i r o 复位时钟 l z l s h o采样保持时钟 g 1 测试端 g 2测试端 i d 测试端 o v测试端 v o u t 信号输出 r d复位漏极电压 o d输出漏极电压 g n d地 n c 未连接 g n d 中t o 巾r o 巾$ h o n c n c n c qt g g 2 v 管脚分布图 顶视图 图3 6p p d 3 5 7 5 d 管脚图 c c d 器件l lp d 3 5 7 5 d 的内部结构图如图3 7 所示。 由图3 7 中可以看到，c c d 器件up d 3 5 7 5 d 由驱动电路、c c d 转移栅、复位电路、等组成。 垂t g 中1 0中r d 中s h o v g c r d 图3 - 7 i lp d 3 5 7 5 d 内部结构图 2 0 o d y o u t 伽 岫 舳 眦 w 第三章汽车制动钳内凹槽检测系统设计d o e c c d 器件i ip d 3 5 7 5 d 的光学与电子特性参数见表3 - 2 所示。 表3 2c c d 器件i ip d 3 5 7 5 d 光学电子特性参数： 最小 典型最大 特性符号单位注释 值值值 饱和输出电压 v o u t1 52 3v 饱和曝光量s e0 4 5i x s 白色荧光灯 v o u t = 光响应非均匀性 p r n u士5士lo 5 0 0 m v 白色荧光灯 平均暗信号 a d so 5lom v 遮光 光响应不均匀性 d s n uo 510m v 遮光 功耗 p n10 0m w 输出阻抗 z oo 518kq r9 81 4l8 2v i x s 钨丝灯 响应度 r3 556 5v i x s 白色荧光灯 峰值响应波长 5 5 0n m 输出偏移电压 v o s7 ov 转移栅输入电容 c 1 2 i i o5lo p f 复位端输入电容 c d r o5lo p f 采样保持端输入 c 1 2 i s h o5lo p f 电容 传输门输入电容 c 1 2 i t g51 0 p f 反馈通过电压 v rlo o2 0 0m v 输出上升延迟时 t 3 5 01o on s 间 输出上升时间 t 25 0l0 0n s 输出下降时间 t 15 0lo on s 饱和输出电压： v o u t = 响应曲线失去直线性时的输出信号电压。 2 l 第三章汽车制动钳内凹槽检测系统设计d o c 饱和曝光量： s e = 输出饱和时的照度( i x ) 和积累时间的积。 输出电压不均匀性： p r n u = 取全部有效位的输出电压的峰、谷之比值，用下式 ( 3 - 2 ) 表示： p r n u ( 呦弋虿v m a x 减v m i n - 1 m 。罟喜v j限2 ， 式中，n 为有效位数，v j 为每位的输出电压。 v m i n v m a x _ l 一 平均暗信号： a