（检测技术与自动化装置专业论文）ccd光电测宽仪装置的研制.pdf

原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论 文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。 作者签名墟纥丛立 日 期：丝竺! 墨弓 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解冶金自动化研究设计院有关保留、使用学位论文的规 定，即：自动化院有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅， 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 作者签名遵以导师签名：j 斟 e t期：坌! 里：茎! ；e t 期：竺竺! ：弓 摘要 摘要 c c d 光电测宽仪主要用于金属板带生产过程中的在线宽度测量，是a w c ( 宽度 控制系统) 的重要组成部分。冶金自动化研究设计院自2 0 世纪8 0 年代研制出第一台 国产测宽仪后，已发展为系列产品。自主研制的g c k 型系列测宽仪已投产多年，应 用到宝钢、太钢等多条热轧生产线上，获得用户一致好评，但由于使用的是d o s 操 作系统，操作不是很方便，缺少网络通信功能。为了更好地满足市场要求，提高产品 的竞争力，现决定在g c k i i i b 型测宽仪技术的基础上研制基于w i n d o w s 操作界面的 新型测宽仪，同时改进算法，提高仪器的测量精度和抗干扰能力。 冶金自动化研究设计院对所研制的c c d 光电测宽仪的性能指标要求是： ( 1 ) 带钢温度测量范围：8 0 0 。c 到1 2 0 0 。c ( 2 ) 宽度测量范围：整个辊道宽度范围内 ( 3 ) 静态精度：o 1 ( 4 ) 响应时间：1 0 m s 以内。 本文在研究了国内外先进c c d 光电测宽仪的基础上，根据上述的性能指标要求 先总体设计了测量方案，并对c c d 光电测宽仪各主要部件进行了选型。然后根据测 量方案进行总体的硬件设计和具体软件设计。最终实现c c d 光电测宽仪的基本功能， 并在实验室条件下达到性能指标要求。 在软件设计中设计了人机界面，实现了数据实时显示、数据存储与网络通信等功 能。设计了基于i s a 总线计数板的w i n d o w s 驱动程序。研究了c c d 光电测宽仪产生 测量误差的因素并进行相应的补偿措施。设计了软件滤波方法和角度补偿方法。在边 缘检测中使用了微分法弥补阈值法带来的不足。在实验室条件下完成了样机，相关性 能满足了设计要求。 最后对课题研究工作进行总结与展望。 关键词：c c d 测宽，软件滤波，边缘识别，w i n d o w s 驱动编程 o u ra c a d e m eh a sm a d eag o a lo fp e r f o r m a n c ei n d e x e sf o rt h ec c dw i d t hg a u g ea s f o l l o w s ： ( 1 ) t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n tr a n g e ：8 0 0 ct o12 0 0 。c ( 2 ) w i d t hm e a s u r e m e n tr a n g e ：l e s st h a nt h em a xw i d t ho ft h er o l l e r ( 3 ) s t a t i ca c c u r a c y ：o 1 ( 4 ) r e s p o n s e t i m e ：l e s st h a n10 m s a c c o r d i n gt ot h ep e r f o r m a n c ei n d e x e ss h o w e da b o v e ，f i r s t l y , t h i sa r t i c l ed e s i g nat o t a l s c h e m eo fw i d t hm e a s u r e m e n ta n dc h o s et h em a i nd e v i c e sf o rt h eg a u g eb a s eo n r e s e a r c h i n go t h e rd o m e s t i ca n df o r e i g na d v a n c e dc c dw i d t hm e a s u r i n gt e c h n o l o g y s e c o n d l y , w ed e s i g nt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ei nd e t a i l sb a s eo nt h es c h e m eo f m e a s u r e m e n t f i n a l l y ，w ec o m p l e t et h ec c d w i d t hg a u g ew i t hf u n d a m e n t a lf u n c t i o n sa n d a c h i e v et h ep e r f o r m a n c ei n d e x e si nt h el a b i nd e s i g no ft h es o f t w a r e ，w ed e s i g nm a n - m a c h i n ei n t e r f a c ea n df i n i s hd a t as t o r a g ea n d n e t w o r kc o m m u n i c a t i o n w ，ea l s od e s i g nw i n d o w sd r i v e rp r o g r a m m i n go ft h ed a t a c o u n t i n gc a r d sb a s e do ni s ab u s b ya n a l y z i n go ne r r o rc a u s e d w eg i v es o m ee f f e c t i v e m e t h o do fc o m p e n s a t i o nf o rw i d t hm e a s u r e m e n ta n dd e s i g ns o f t w a r ef i l t e ra n da n g l e c o m p e n s a t i o n i ne d g ed e t e c t i o n 。w eu s ed i f f e r e n t i a lm e t h o dt om a k eu pf o rt h ed e f i c i e n c y o ft h r e s h o l ds e l e c t i o n f i n a l l y , t h ep a p e rs u m m a r i z e st h ew h o l ew o r ko ft h et a s ka n db r i n g sf o r w a r dt ot h ef u t u r e r e s e a r c hd i r e c t i o n k e y w o r d s ：w i d t hg a u g ew i t hc c d ，s o f t w a r ef i l t e r , d r i v e rp r o g r a m m i n gf o rw i n d o w s ， e d g ed e t e c t i o n u i i i i i i 1 1 ：! 4 5 6 2 1c c d 传感器与典型线阵c c d 图像传感器的基本原理6 2 1 1c c d 传感器信号电荷的产生与存储6 2 1 2c c d 传感器信号电荷的转移与传输7 2 1 3c c d 传感器信号电荷的检测8 2 1 4c c d 阵列的主要特性9 2 1 5 典型线阵c c d 图像传感器基本工作原理l o 2 1 5c c d 传感器的发展方向1 2 2 2c c d 测宽仪测量原理1 2 2 3 c c d 测宽仪系统各部件选型1 3 2 4c c d 测宽仪系统布局及测量流程1 4 2 5 本章小结1 6 第三章c o d 光电测宽仪硬件设计1 7 3 1 硬件总体设计1 7 3 2c c d 驱动信号源的设计1 8 3 3 信号二值化板的设计1 8 3 4 信号计数板的设计2 1 i i i 2 1 2 2 ：! ：! 2 3 2 3 ：! ! ； ：! l ； ：1 9 ：；1 ：；1 ： ：! 3 4 4 4 4 驱动程序的分发3 7 4 5 本章小结3 8 第五章提高精度的补偿算法研究3 9 5 1 软件滤波算法研究3 9 5 2 温度补偿4 3 5 3 对上跳的修正4 4 5 4 本章小结4 8 第六章性能指标4 9 6 1 静态精度指标测量4 9 6 2 响应时间5 1 6 3 系统精度5 2 6 4 结论5 2 第七章总结与展望5 3 参考目录5 4 致谢5 6 攻读硕士学位期间已发表的论文5 7 i v 目录 附录a 系统界面5 8 附录b 实验条件5 9 v 第一章引言 第一章引言 1 1 研究背景及选题依据 在带钢轧制过程中，随着众多控制模型的引进，带钢宽度作为模型参数，需 要实时、准确地传送到模型中去，进而对轧机轧制起到控制作用，因此钢板宽度 作为轧钢工艺中重要的参数直接决定了带钢的成材率和生产成本。宽度偏差每减 少i m m ，成材率就可以提高0 1 左右，宽度控制技术可以显著提高经济效益和 产品竞争力【l 】。在现代冶金行业中，带钢宽度测量成为质量控制中重要的环节， 越来越受到生产企业的重视。相对于只能在带钢冷却后的人工测量，在线检测拥 有降低劳动强度、提高安全性、实现实时测量，并将测量结果提供给二级计算机 系统完成a w c 闭环控制等优点。因此测宽仪在获得较高成材率、最佳轧制过程 及剪切效果上，起到举足轻重的作用。 目前在板带金属材料生产过程中的宽度测量主要有两种方法，一种是利用激 光测宽，另一种是利用c c d 传感器测宽。激光测宽原理为通过测距的方式测量 板带金属材料宽度，受到带材跳动的影响，只适合于中厚板、带钢跳动较小的生 产线。部分厂家只在宽厚板生产线使用了激光测宽仪。 c c d 测宽仪根据使用对象不同又分为有背景光源测宽仪和无背景光源测宽 仪。有背景光源测宽仪主要用于带钢温度较低的生产线，由于带钢温度较低、辐 射光能较弱，c c d 不能很好的识别带钢边缘，因此为增加c c d 识别精度，增加 了背景光源，但是这也同时增加了产品维护量。无背景光源测宽仪主要用于带钢 温度较高生产线上的带钢测宽，热轧带钢温度在7 0 0 。c 到1 2 0 0 。c 之间，温度较 高，辐射光能较强，无需增加背景光源便可通过c c d 照相机准确的识别出带钢 的边缘位置。这样既满足了测量精度要求，又减少产品的维护量。 随着我国经济的蓬勃发展和世界经济复苏脚步的加快以及国家新一轮的经 济振兴方案的提出与实施，国内对铝板、钢板、黄铜等各种金属板带的需求量逐 渐恢复。各种金属板带厂家的技术改造给c c d 测宽仪提供了一定的市场空间。 目前的市场情况是国# t - n 宽仪产品占据了国内市场较大比例，主要原因是我国的 第一章引言 测宽技术起步晚，在稳定性、精度、响应时间等性能指标上相对较差。为提高自 主创新能力，缩小在c c d 测宽技术上与国外先进产品的差距，同时也为了提升 公司产品的竞争力。现决定在原有的基于d o s 系统测宽仪技术的基础上研制基 于w i n d o w s 系统c c d 测宽仪产品。 1 2 国内外测宽技术的发展及现状 2 0 世纪7 0 年代以前，轧钢在线检测以光机扫描式测量为主。通过机械旋转 狭缝机构的扫描，由光电倍增管接收测量信号并转换成电信号输出，模拟信号经 过处理得到测量结果。测量部分由镜头、光电倍增管、带狭缝的转鼓组成，转鼓 以恒速转动，背景光源通过狭缝而激活光电倍增管，产生矩形波信号。通过矩形 波高低电平的占空比可计算出带钢位置。假设测出带钢边缘位置相对于镜头中轴 线的位置为l 1 和l 2 ，两镜头中轴线距离为l o ，由此可获得带钢宽度w 为： w = l 0 + l 1 + l 2 ( 1 1 ) 光机扫描式测宽仪是我国热轧带钢生产线上使用的第一代测宽仪。但由于光 机扫描的运动可靠性差，现场维护不便，给测宽仪推广应用带来不便。 到了2 0 世纪8 0 年代初期，c c d 技术开始应用于热轧带钢的在线宽度检测， c c d 具有自扫描功能使得探测系统不需要扫描部件，简化机械结构，提高了系 统可靠性。c c d 测宽仪采用光学成像的原理测量宽度，根据带钢在c c d 光敏面 上的像所占像素数及光学参数，计算带钢宽度。为了增加带钢边缘的探测精度， 一般采用增加背景光源，这种方法称为主动式探测法，测量原理如下图所示： c c d l c c d 2 、l o v o 图1 1 主动式c c d 测宽仪测量原理图 2 输出信号 第一章引言 测量探测系统由2 个c c d 摄像头组成，同时获取带钢的两个边缘图像。使 用高频电子整流器的日光灯作为背景光源。通过摄像头前的滤光片过滤掉带钢在 红外波段的干扰辐射。在一个扫描周期内，有背景光源的光学投影部分为明亮部 分，钢板截面部分为暗部分。将c c d 产生的明暗信号通过二值化处理，得到探 头1 、探头2 上阴影部分所占的光敏元数、惕，c c d 摄像机中心距为厶，则 带钢宽度为： w ：堕：亟丝2 刍! b ( 1 2 ) 其中，p 为光敏元宽度，1 为光学放大倍率1 2 】。 主动式c c d 测宽仪虽然解决了光机扫描式测宽仪运动部件可靠性问题，但 是由于背景光源在热轧生产环节下容易损坏，维护不便，影响了应用。由于国内 对测宽仪开发刚刚起步，生产线主要使用引进的发达国家二手设备【2 】，如东芝公 司的a c w 7 3 2 0 3 、加拿大k e l k 的a c c u b a n d 、全欧电子组织( e e s i ) 的 c d 2 0 0 1 、英国的a d 8 0 4 0 等产品。主动式c c d 测宽仪较适合冷轧生产线使用， 国内现今冷轧生产线仍然大量使用此种测宽仪。 8 0 年代中后期，被动式c c d 光电测宽仪得到应用。相对于带有背景光源的 主动式c c d 测宽仪，被动式测宽仪不需要背景光源，由于热轧带钢温度较高， 在近红外波段具有较强的辐射，不需要背景光源便可以精确的识别带钢边缘位 置。这使得被动式c c d 测宽仪在适应性和可维护性上进一步提高，在适应现场 高温、灰尘、水汽、震动等恶劣环境的影响能力得到提高。测量原理如图1 2 所 示： c c d l c c d 2 v o v o 输出信号 图1 2 被动式c c d 测宽仪测量原理图 3 第一章引言 测量系统中，传感器由2 个c c d 摄像机组成，分别获取带钢2 个边缘的图 像，光学镜头可接收热轧带钢在近红外波段的辐射，阴影部分为背景，光亮部分 为带钢截面。通过对c c d 输出信号的二值化处理，可以获得探头l 和探头2 上 明亮部分所占得像素数强、n 2 ，c c d 摄像机中心距为厶，则带钢宽度公式与式 1 2 相同。 被动式测宽仪维护方便、适应现场恶劣环境能力强。针对被动式c c d 测宽 仪易受带钢温度影响，尤其是低温钢影响，进一步发展了自动增益技术、自适应 阈值技术、利用c p l d 控制的曝光时间控制技术等方法，提高了边缘识别、抗温 度影响等性能。目前，热轧带钢生产线普遍使用这种测宽仪。 到了9 0 年代国产测宽仪得到了长足发展，金自天正智能控制股份有限公司 研发出了国产第一台测宽仪g c k 系列产品，并得到了广泛推广与使用。上海技 术物理研究所等科研单位都在c c d 光电测宽仪研究领域取得了很多成就，国产 测宽仪得到了长足发展。 如今国外的c c d 测宽技术非常成熟，在国际上比较先进的有k e l k 公司的 a c c u b a n d 系列测宽仪及i r m 公司的w 1 0 、w 1 0 0 系列激光测宽仪。根据最 新资料表明，k e l k 公司的a c c u b a n d 5 的性能指标为【3 】： 1 精度：0 9 m m 每2 0 0 0 m m 带钢； 2 带钢读取时间间隔：1 0 m s ； 3 1 2 5 0 次秒的测量频率。 目前国内较知名的c c d 光电测宽仪的厂家有金自天正智能控制股份有限公 司，其研制的g c k - i i i 型测宽仪精度为o 1 ，响应时间在1 0 m s 以内。大连亚泰 华公司，其研制的w g 2 0 0 0 系列测宽仪精度已达到最大宽度的0 0 3 + 0 2 m m ，扫 描频率5 1 0 m s 。与国外的测宽仪相比，其稳定性及可靠性仍存在差距。 1 3 本文研究的主要内容 金白天正公司目前拥有g c k 系列测宽仪产品，在现场的使用得到了各厂家 的好评，但由于人机界面是基于d o s 系统，虽然系统较w i n d o w s 系统稳定且速 度更快，但是操作不便，缺少网络通信等功能，且现今主流操作系统以w i n d o w s 为主，人机界面多是基于w i n d o w s 系统而开发。为了提高市场占有率和产品质 4 第一章引言 量，公司决定在原有d o s 系统测宽仪的基础上研制基于w i n d o w s 系统c c d 光 电测宽仪。 c c d 光电测宽仪的研制过程分为了四部分： 1 整体设计； 2 硬件电路部分的设计； 3 检测箱、标定箱、中继箱、仪表柜的结构设计； 4 信号的检测及处理算法研究、计数板驱动设计、人机交互界面设计。 本文主要研究第四部分，具体的内容有以下五部分组成： 1 、测量方案整体设计，研究国内外c c d 光电测宽仪的测量原理及流程，并 根据预期的性能指标要求、测量范围设计测量方案； 2 、数据采集卡驱动软件的开发。其中包括驱动软件开发工具的选取，数据 采集卡硬件电路的设计，驱动程序的开发。利用w i n d r i v e r 开发软件，使用 c 语言进行程序编译【4 】。 3 、滤波算法、带钢边缘识别方法的研究与编写。本文讨论了常用的滤波算 法，并根据现场条件设计了滤波算法，并设计边沿识别的算法。 4 、人机界面设计及数据存储、网络通信设计等，在本系统中，使用c 撑编写 入机界面。 5 、误差补偿方法的研究。本文讨论了角度补偿、温度补偿方法及相应算法 进行了研究。 最终在实验室条件下，利用现有硬件资源、工控机基本实现了c c d 光电测 宽仪的整机产品，测量精度达到了0 1 ，响应时间小于1 0 m s ，满足a w c 系统 的要求。 1 4 本章小结 本章介绍了c c d 光电测宽仪研制背景，并通过科技文献、现场调研等研究 了测宽仪的国内外发展历程及现今状况。最后简要介绍在c c d 光电测宽仪研制 中的主要工作及最后达到的目标。 5 第二章c c d 光电测宽仪测量原理及实现 第二章c c d 光电测宽仪测量原理及实现 2 1c c d 传感器与典型线阵c c d 图像传感器的基本原理 2 1 1c c d 传感器信号电荷的产生与存储 c c d 是以电荷作为信号，通过电荷的存储和转移，来实现信号的存储和转移。 因此，c c d 工作过程的主要问题是信号电荷的产生、存储、传输和检测。 c c d 基本单元m o s 的结构如图2 1 a 所示。在硅片上通过氧化生成一层s i 0 2 为绝缘层，再蒸镀一层小面积金属为电极，称栅极，半导体硅( 在此以p 型硅为 例) 作为底电极，又称衬底。热或光的激发可在半导体内产生电子空穴对，故 半导体载流子有带负电荷的电子，也有带正电荷的空穴。p 型半导体里空穴浓度 高，为多数载流子，电子浓度少，为少数载流子，n 型半导体则相反。当外界有 光信号射入到m o s 的p 型半导体内时会产生电子空穴对，光越强，电子空穴 对越多，这样光的强弱就与电子空穴对的数量对应起来，信号电荷产生了，光 信号就转换为电信号。 如果在m o s 栅极g 上施加足够大的正电压v g ，由此产生的半导体与绝缘 体界面上的电势( 称为表面势) 很高，多数载流子空穴被排斥到衬底的底侧，硅 表面处留下不能移动的带负电的粒子，产生耗尽区，如图2 1 b 所示，此时若有 电子，将被吸引到表面处，称此种状态为非稳态( 热非平衡状态) 。表面处构成 了对于电子的“陷阱 ，称之为势阱。v g 越大，表面势越大，势阱越深。这样 信号电子将被吸入势阱形成了电荷包存储起来，空穴则被排斥到半导体的底侧， 即使光照停止，一定时间内也不会损失，光信息就这样被记录下来。 热激发也会产生电子一空穴对，其产生电子也会吸引到势阱中，当表面处电 子( 少数载流子) 浓度超过了空穴浓度( 多数载流子) 时，即此处由p 型变为n 型，形成一层反型层，此时，如图2 1 c 所示，当势阱中填满了电子，势阱中的电 子不再增加了，便达到稳态( 热平衡状态) 。因此信号电荷的储存必须在达到稳 态之前完成。 6 第二章c c d 光电测宽仪测量原理及实现 p 翟誓静钵 am o s 结构示意图 b 栅极电压小于阀值电压c 栅极电压大于阀值电压 图2 1c c d 栅极电压变化对耗尽区的影响 2 1 2c c d 传感器信号电荷的转移与传输 如前所述加在m o s 电容器上的电压v g 愈高，产生的势阱愈深，在一定电 压下，势阱深度随着其中信号电荷量的增加而线性的下降。利用这个特性，通过 控制c c d 相邻m o s 电容器栅极电压的高低来调节势阱的深浅，使信号电荷从 势阱浅的地方流向相邻的深势阱处，这样便实现了信号电荷的转移，c c d 这部 分起到了移位寄存器的作用。为避免光照影响，c c d 的移位寄存器表面上覆盖 了不透光的金属。这个过程也是在热非平衡态下进行的。因此c c d 信号的存储 和传输都必须在达到热平衡态之前进行，c c d 是非平衡光电传感器件。 二相c c d 的一位里只有二个电容器，其阵列电容分为二组，1 、3 、5 ； 2 、4 、6 分别连在不同相线上，两路电压脉冲相位差为1 8 0 度。为保证信号 电荷不倒流，必须使势阱不对称，二相c c d 采用了不对称的电极结构来实现势 阱的不对称性，以台阶氧化层二相结构为例，如图2 2 所示，每一电极分成两部 分，其左边部分电极下的氧化层比右边厚，这样在同一电压下，左边电极下的势 阱比右边浅，自动起到阻挡信号电荷倒流的作用。图2 3 为二相c c d 电荷转移 原理图。t = t l 时，1 相为高电压，2 相为低电压，电极l 、3 、5 下形成势 阱，可以存储信号电荷形成的电荷包。t = t 2 时，l 相电压线性下降，2 相 电压线性上升，1 、2 下的势阱有相同的深度，1 下势阱中的信号电荷开始 向2 势阱扩散。t = t 3 时，l 相已变为低电压，2 相为高电压，信号电荷已 全部从1 下势阱转移到0 2 下的势阱中。重复上述类似过程，信号电荷将从2 7 叭_ ；厂 厂一 。2 j 1 l j l _ l f1于9t _ 图2 3 二相c c d 电荷转移原理图 2 1 3c c d 传感器信号电荷的检测 t 2 t 3 c c d 重要特性之一是信号电荷在转移过程中与时钟脉冲没有任何电容耦 合，而在输出端则不可避免。因此选择适当的输出电路，尽可能减小时钟脉冲对 输出信号的容性干扰。信号电荷检测主要由电流输出与电压输出两种方式，如图 2 4 ，以电压为例输出的浮置扩散放大器输出结构简图。它主要由c c d 末端的输 8 第二章c c d 光电测宽仪测量原理及实现 出栅o g 、输出二极管、以及集成在同一芯片上的复位场效应管t l 、放大场效应 管t 2 组成，c 是a 点的等效电容，由a 处结电容、寄生电容，t 2 极间电容构成。 当信号电荷形成的电荷包经c c d 传输到输出端时，通过输出栅o g 转移到输出 二极管的n 型区域( 又称为浮置扩散层) ，放大场效应管t 2 的栅极信号电压由浮 置扩散层收集到的信号电荷q 提供，其放大的输出信号电压随信号电荷变化。 当信号电压读出后，复位管t l 栅极上加上复位脉冲r ，v r d 是其漏极直流偏压， 此时t l 管导通，将信号电荷抽走，浮置扩散层复位，以便接受下一个电荷包的 到来【4 - 5 i 。 图2 4 信号电荷检测原理图 2 1 4c c d 阵列的主要特性 c c d 性能的优劣直接关系到整个系统的测量效果。其特性参数主要有：光 电转换特性、响应灵敏度、暗电流、动态范围、分辨率、非均匀性、光谱响应。 c c d 的光电转换特性即输入输出特性，其输出信号正比于曝光量( 不饱和 时) ，当曝光量达到某一值后，其输出就达到最大值，而不再增加( 水平线) ，如 图2 5 所示。 9 第二章c c d 光电测宽仪测量原理及实现 图2 5 c c d 光电转换特性 由于c c d 是用硅材料制成的，所以它的光电转换特性与硅靶摄像管相似，对 于恒定的曝光量，在一定范围内将产生恒定的信号输出。特性曲线的线性段可用 下式表示： y = 饿7 + 6( 2 1 ) 其中y 为输出信号电压，x 为曝光量，a 为直线段的斜率，它表示c c d 的光响应 灵敏度，7 为光电转换系数( 约为1 ) ，b 为无光照时c c d 输出电压，称为暗输 出电压。器件工作时，应把工作点选在光电转换特性曲线的线性区内( 可调整光 强或积分时间来控制) 。一般，选择工作点接近饱和点，但最大光强又不进入饱 和区，这样可提高光电转换精度。 所谓暗信号，即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出 现的信号。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 有光照或其它方式对器件进行电荷注入的情况下，也会存在暗电流。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。暗电流的主 要来源有以下几点： ( 1 ) 耗尽区中的本征热激发产生的暗电流。 ( 2 ) 少数载流子自中性体内向表面扩散产生的暗电流。 ( 3 ) 表面能级的热激发产生的暗电流。 另外暗电流还与温度有关，温度越高，热激发产生的载流子越多，因而暗电 流也越大，因此c c d 的温度不可过高。由于c c d 是积分器件，所以它的暗信 号与积分时间有关，随着积分时间的增长，积累的暗电荷也要增大。 动态范围是与信噪比相关的一个特性参数，它反映了器件的工作范围。图像 传感器的动态范围是指输出饱和信号与暗场噪声信号之比值。 2 1 5 典型线阵c c d 图像传感器基本工作原理 c c d 摄像器件按光敏单元的排列方式可分线阵和面阵两大类。线阵c c d 传 l o 输出售|p之 第二章c c d 光电测宽仪测量原理及实现 感器的光敏单元紧密地排成一行。具有传输速度快、密集度高与信息检索方便等 一系列优点，广泛应用于扫描仪、工业非接触尺寸的高速测量和大幅面高精度实 物图像扫描等工业现场检测等领域【6 l 。下面以典型的线阵c c d 传感器 t c d l 2 0 6 s u p 为例，其结构如图2 6 所示，它是一种典型的2 0 4 8 位两相线阵 c c d 。中间的光电二极管是光电转换单元，两侧的转移栅控制光生信号电荷向移 位寄存器转移，转移栅的两侧是转移光生电荷的c c d 移位寄存器。c c d 的驱动 脉冲s h 、f 1 、f 2 、f r 的时序关系如图2 7 所示，当s h 遇到上升沿，光积分开 始，光电二极管进行光电转换，转移栅关闭；当s h 遇到下降沿，光积分结束， 光电二极管停止光电转换，转移栅打开，奇、偶光生信号电荷分别转移到c c d 移位寄存器1 和c c d 移位寄存器2 ，当下一个积分时间开始时，转移栅关闭， 光电二极管又进行光电转换，f 1 ，f 2 控制已转移到c c d 移位寄存器内的光生 电荷依次串行输出到信号输出缓冲区( 具体原理参见相关资料) ，再由电极o s 输 出，每输出一个信号电荷，复位控制信号f r 就要进行复位操作，清空缓冲区， 以便下一次的输出。 加在c c d 移位寄存器1 和c c d 移位寄存器2 的二相时钟脉冲时序不同， 前者为f l 、f 2 ，后者为f 2 、f 1 ，从而保证转移到c c d 移位寄存器2 的奇数像 元的光电荷时序在前，转移到c c d 移位寄存器1 的偶数像元的光电荷时序在后， 正好错开，合在一起成为按时序输出的串行视频信号。 光积分时间t s h 由使用者根据具体应用时光强来决定。f 1 、f 2 为两相互补 时钟，希望后沿斜一些，以便获得较高的转移效率。复位脉冲f r 的频率为f 1 、 f 2 的二倍，而且其平顶部分必须在f 1 、f 2 脉冲平顶的中间，不然会影响信号电 荷传输的效果。 图2 6 t c d l 2 0 6 基本结构示意图 第二章c o ) 光电测宽仪测量原理及实现 k 艚l ：丝警：乙 ；泣l 翻”。也：! 盎叠j 船h ；! 三：i n a t t w v 酶搏 1 7 8 孑细孽，7 彬嘲 7 牺i 1 8 鲫薯 镪a 磴锄 啪 。 0 q 劳空e 心霸 l 噌l霸 缓 图2 7t c d 器件的驱动信号 本次测宽仪的设计所选的探测元件为线阵c c d l 5 0 1 ，它的工作原理与 t c d l 2 0 6 类似，提供高速度、高精度的光信号在线监测。 2 1 5c c d 传感器的发展方向 随着研究的深入，c c d 技术水平不断提高，从最初简单的8 像素移位寄存 器发展至今，已经具有数百万至上千万像素，图像质量有很大改善，色彩更丰富、 更逼真。从目前c c d 技术的进展趋势来看，主要有以下几个方向： ( 1 ) 高分辨率：目前已至上亿像素。 ( 2 ) 高速度：提高电荷转移速度。 ( 3 ) 微型、超小型化：显微科学的发展，十分需要超小型的c c d 。 ( 4 ) 新型器件结构：为了提高c c d 图像传感器的性能的需要。 ( 5 ) 微光c c d ：当前其最低照度可达1 0 6 l x ，分辨率优于5 1 0 t v l 。 ( 6 ) 多光谱c c d 器件：除可见光c c d 图像传感器外，目前红外c c d 技术已经得到 应用。正在研究x 射线c c d 、紫外c c d 、多光谱红外c c d 等，以拓展c c d 的 应用领域。 ( 7 ) 超级( s u p e r l i c c d - 使用八角形光电二极管，采用像素的4 5 。蜂窝式排列代替普 通c c d 中的矩形光电二极管，以改善吸光效率。 2 2c c d 测宽仪测量原理 采用高分辨率线阵c c d 器件作为宽度测量的传感器。检测过程中，由滤光 片滤掉大部分可见光，只通过红外光和部分红光，根据光学成像原理，当有带 钢通过摄像头时，由于带钢温度较高，产生了相应的辐射，带钢按一定比例成 1 2 第二章c c d 光电测宽仪测量原理及实现 像在c c d 芯片上，产生视频脉冲信号。如图2 8 所示，所得到的信号经放大整 形处理后，由工控机进行采集得到带钢边缘位置对应的脉冲数，利用标定时记 录的脉冲当量和标定基准位置对应的脉冲数进行计算，得到被测带钢的宽度值。 ：右边缘计数 计数开始被测物在c c d 上成像 图2 8c c i ) 产生的视频脉冲信号示意图 2 3c c d 测宽仪系统各部件选型 根据上述的测量原理，为了测量带钢的宽度，我们选用线阵c c d 摄像机、 标定装置、带有存储、计算、网络通信功能的控制器与显示器、a d 转化板卡等， 这些是构成c c d 光电测宽仪的基本框架。现在各公司的测宽仪在测量原理上也 有所不同，像k e l k 公司的测宽仪是以图像处理的方式来获取带钢宽度的，而 其选用的部件则是利用d s p 处理器代替数据采集卡和工控机来计算大数据量宽 度数据。 c c d 光电测宽仪的发展趋势是以d s p 高速微处理器代替工控机进行数据处 理的方向发展。通过对c c d 采集上来的电信号数据进行图像处理，并将处理好 的数据通过串口通信传递给上位机，工控机只起到显示、存储与自动化二级通信 的作用。由于冶金自动化研究设计院已具有上一代测宽仪产品，且功能稳定、精 度较高，速度也完全能满足需要，因此为提高开发效率，降低开发周期和成本， 仍可以现有硬件平台为基础，进行相应开发与改进。 部件的选择不仅关系到产品的性能，而且关系到产品的成本，这里我将根据 公司的现有条件对所需要的部件进行选型。 1 c c d 摄相机的选型，c c d 摄相机是c c d 光电测宽仪的关键部件。因此 选择国外先进的c c d 图像传感器来确保测量端最初信号的准确与稳定。 本系统选择了日本东芝公司的t c d l 5 0 1 d 作为传感器。t c d l 5 0 1 d 具有 5 0 7 6 像素，1 2 v 供电，具有4 0 0 d p i 精度【7 1 。 2 标定装置的选择，选择钨丝灯作为标定板的发光体，因为钨丝灯的能辐 第二章c c o 光电测宽仪测量原理及实现 射出较多的近红外光线，能较好的模拟带钢钢板所发出的光线，有利于 标定的准确。同时提供钨丝灯的亮度调节功能，为之后的系统调试提供 方便。 3 镜头的选型，根据现场条件，依据所测带钢宽度与c c d 距带钢距离来确 定视场大小进而确定镜头焦距。 4 主控制器选型，国内外各公司在这部分的选型上比较灵活，主要根据客 户的要求进行配置，有d s p 和工控机组合型，也有两台工控机组合型， 上面的两种组合其中一台工控机只是起到显示及与另一个控制器通信的 功能。因此基于成本的考虑，这里使用一台研华工控机作为主控制器。 2 4c c d 测宽仪系统布局及测量流程 国外较先进的c c d 测宽仪系统，系统布局上大同小异，具有代表性的有 k e l k 公司的a c c u b a n d 系列测宽仪，其组件布局如下图所示： 图2 9k e l ka c c u b a n d 组件布局 如图可知a c c u b a n d 有扫描仪组件( 2 个线扫描摄像机、扫描器处理器) 、 电气单元、工程师站三个组件单元。 冶金自动化研究设计院的c c d 光电测宽仪已在多家冶金企业使用，系统在 结构上相对完整，其系统布局如下图所示嗍： 1 4 第二章c o ) 光电测宽仪测量原理及实现 仪表柜 检测箱中继箱 。 i a 审 i；1 9 f 上 ：+ _ 1 翻 显示器 7 位 同畔t j 凸j l l 臼掣 匕 、 z ； 机 ，、 、 j ， ? ， ，、 | l t ； 示波器 ；i ，q | 工控机 | ； 标定箱 a c 2 2 0 v # ； 1 l 图2 1 0c c d 测宽仪系统结构框图 测宽仪主要包括：检测箱、中继箱、标定箱、仪表柜等，如图2 1 0 所示。检 测箱是测宽仪的头部，安装在轧机出口或入口处轧线上方的小房内。检测箱内包 括四个c c d 摄像机、摄像机安装调整支架、定位激光器、二值化电路板、温度 检测器等。通过调节摄像机安装支架上的螺丝，使c c d 平面与轧线辊道平面平 行，同时保证四个c c d 在同一条直线上，并且与辊道中心线垂直。定位激光器 为c c d 的调整提供简便易行的参考依据，并为下次标定提供可靠的位置重复性。 根据需要可以添加打印机。 标定箱箱内装有标定光源，箱体上部装有标定板，标定时，将标定箱通过支 架安放在辊道平面上。保证标定光源的中心线与c c d 中心线重合，同时保证标 定板平面与辊道平面平行。 中继箱放在测宽仪小房内，箱内有空气开关、直流稳压电源、测温二次表以 及用来连接检测箱与仪表柜之间信号的接线端子。 仪表柜是测宽仪的心脏部分，柜内包括：高性能工控机、1 7 寸彩显和通用键 盘、用于观测c c d 各种信号波形用的双线示波器、以及各种电源、开关、i o 板及接线端子等。从检测箱来的信号在这里得到处理、显示和输出。与轧机计算 机的数据交换在这里进行【纠。 标定前需要开机、打开标定箱钨丝灯两个小时以上，这样保证标定光源发出 光能量的稳定性，防止漂移，进而保证测量的准确性。随后进入系统设定，设定 完成后利用标定板进行标定，获取宽度与脉冲数的比例关系，最后系统进入测量 工作。测量流程与测量系统结构如下两图所示： 第二章c c d 光电测宽仪测量原理及实现 图2 1 1 测宽仪测量流程图 c c d 光电测宽仪系统进入测量状态，t c d l 5 0 1 接收带钢所产生的近红外辐 射，带钢产生热辐射在光电作用下转换为电压信号，经放大器整型后，二值化板 对模拟电压信号进行二值化处理，得到方波信号，输入工控机。计数板对信号进 行填充计数，取得与宽度对应的边缘计数值，并将脉冲数值通过i s a 总线传送 给控制器进行计算。控制器再对数据进行二次处理并利用之前标定中获取的宽度 与脉冲的比例参数计算出对应的宽度值，并根据之前网络通信所获得得宽度设定 值计算出宽度偏差值，最后对数据进行显示与存储。 2 5 本章小结 本章开始先介绍了c c d 传感器与典型的线阵c c d 传感器的工作原理，详细 分析了c c d 传感器信号电荷的产生、存储、转移、传输、检测。并分析了c c d 阵列的特性和典型线阵c c d 传感器t c d l 2 0 6 的工作原理。概述了c c d 传感器 的发展方向。接着第二节根据c c d 传感器的成像原理分析了c c d 光电测宽仪 的测量原理。在第三节中依据测量原理确定主要环节设备，并根据研制的目标性 能对所需的器件进行适当的选型。最后设计系统布局和测量流程。 1 6 第三章c c d 光电测宽仪硬件设计 第三章c c d 光电测宽仪硬件设计 3 1 硬件总体设计 上一章内容从总体上介绍了c c d 光电测宽仪的测量原理及系统组成，从这 一章起，详细介绍具体的设计过程。在硬件设计的过程中首先需要进行总体的架 构设计，电路结构如下图所示，其中包括c c d 时钟与放大电路、c c d 时钟驱动 电路、摄像头、同步曝光与二值化电路、光电耦合脉冲计数电路、i o 板、继电 器输出板、模拟量输出输入板等。 图3 1 测宽仪电路原理框图 由于高温使带钢产生近红外光辐射，c c d 光电器件使光信号转换为电压信 号，将电压信号传递给二值化电路，电压信号经过二值化后形成方波信号。计数 板对方波信号进行填充计数。工控机将计数值换算成带钢宽度并计算出宽度偏差 值。同时，工控机将宽度偏差模拟信号传输给p l c ，完成a w c 控制。 第三章c c d 光电测宽仪硬件设计 3 2c c d 驱动信号源的设计 c c d 芯片借助于必要的光学系统和合适的外围驱动与处理电路，可以将景物 图像，通过输入面空域上逐点的光电信号转换、存储和传输，在其输出端产生视 频信号，并经末端监视器同步显示出人眼可见的图像。而能够针对c c d 每一个 像素进行高速采集并实时地传输给计算机处理，将会大大地提高采集到的c c d 信号的精度并解决实时处理的问题。 本系统的摄像头是由光学镜头、c c d 器件、c c d 驱动电路板、c c d 时钟放 大电路板等组成的。摄像头通过一个9 芯插座与外部电路( 二值化板) 相连。对 于c c d 驱动电路板需要确定晶振频率，以保证电子从c c d 器件中转移出来的 时间符合要求。c c d 驱动脉冲信号如图2 7 所示。我们选择的t c d l 5 0 1 为5 0 0 0 像素，电子转移时间依据下面公式计算： t = n o t 1( 3 1 ) ，= 一 其中，r 为电子转移总时间，刀为像素个数，厂为驱动电路频率。为了使电 荷信号能够在下一次曝光前全部转移出去，电子转移时间必须小于c c d 曝光时 间。这里我们选择对系统的1