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光电仪器设计论文 光电仪器设计毕业论文目录第1章 绪论31.1 前言31.2 基于CCD测径仪的发展现状国外发展现状31.3 国内发展现状4第2章 测量原理和方案论证52.1 利用衍射法测量细铜丝直径52.2 利用分光法测量细铜丝直径62.3 线阵CCD测量直径系统测细铜丝直径72.4 设计方案的论证与选择采用8第3章 系统设计103.1 整体系统设计103.2 光学系统设计10 光源10 光源照明11 成像光学系统113.3 机械系统设计12 前言12 国外发展现状12 国内发展现状13 机械结构的原理和要求13 设计方案的选择14 CCD的基本结构和工作原理14 CCD的基本结构15 新型CCD光谱仪器总体结构设计15 CCD的基本特性参数163.4 电路系统设计23 低通滤波器24 相关双采样25 差分放大电路263.5 数字图像处理及报警系统设计27 系统构成27 块方向的选取27 单位标定28 细丝直径的获取28 直径的测量29第4章 实验结果及影响测量精度的主要因素分析304.1 光学系统对测量精度的影响分析30 影响测量精度的因素及对策30 信号处理电路对测量精度的影响分析30 零点漂移对测量精度的影响30 被测工件的均匀性对测量精度的影响30 误差分析314.2 图像处理对测量精度的影响31 标定误差31 示值显示误差31 误差合成31 仪器误差31总结32参考文献33绪论前言对各种细丝直径的测量常常关系到工业产品的级别，如钟表中的游丝、光导纤维、化学纤维、各种细线、电阻丝、集成电路引线以及种类仪器、标尺的刻线等。传统的测量方法多数为接触法，其它的有电阻法、称重法。也有采用光学方法的，如光学显微镜法、干涉法、扫描法、投影放大法、比较法等。然而，大多检测方法检测速度低，生产效率低，劳动强度大，远远跟不上目前自动化生产的需要。尤其在全面质量管理过程中，更需要先进的、智能的检测手段。目前，国内外常采用激光扫描光电线径测量，但是但激光衍射细丝测量法比较适合于静态的高精度测量 ,当用于动态测量时会由于被测丝的晃动导致衍射条纹快速移动而失准 ,也难以快速得到测量结果 ,同时还具有结构复杂、 格昂贵等缺点 ,不太适于现场快速测量细丝直径。基于CCD技术的快速发展及后续处理算法的日益真实有效故CCD在现代自动化生产中扮演者越来越重要的作用。为满足大工业化生产线阵CCD测径仪便应运而生，该测径仪是一种光、机、电、算于一体的产品。尤其适用于电缆、电线、玻璃管、轴类零件的外径测量，对保证产品质量，降低原材料消耗，降低生产成本，提高劳动生产率有着重大的经济效益和社会意义。基于CCD测径仪的发展现状国外发展现状社会的进步重要体现就是科技的进步，科技进步主要体现使用劳动工具的进步。从18世纪工业革命以来，科学技术以前所未有的速度在突飞猛进的发展，特别是近50年来，随着现代化生产和加工技术的发展，对于加工零件的检测速度与精度有了更高的要求，向着高速度、高精度、非接触和在线检测方向发展。为此，工业发达国家对于检测仪器与设备速度与精度一直作为检测仪器的主要指标。CCD测径仪特别适用于电缆、电线的在线自动检测，对保证产品的质量，降低原材料消耗，降低生产成本，提高劳动生产率有着十分重要的意义，所以各国政府都很重视对测径仪的研究。英国Beta AS3系列全新的激光测径仪：LD1040-S 单向直径测量仪 、LD1040XY-S 双向直径测量仪 ，精度：0.1m，测量范围最广，单向测径仪最大可测直径达330.3mm，双向测径仪最大可测直径值达100mm，测量精度最高，最高测量精度可达0.1m，是目前同类产品中的最高的测量精度。日本生产的 LS-7000 系列高速、高精度 CCD 测量仪器，如：LS-7030M（配备测量摄影机）测量范围：0.3mm30mm，测量精度：2m，重复性精度：1.5m。LS-7010M（配备测量摄影机）测量范围：0.04mm6mm，测量精度：0.5m。国内发展现状 国内由于自身的工业加工水平有限、测量原理的不完善和结构搭理欠合理，所以，国内生产的测径仪测量精度没有国外的精确，河北省激光研究所光电检测控制室生产的JCJ-1激光测径仪，是专为玻璃管生产线上玻璃管外径的测量、控制、分选而设计的集激光、精密机械、计算机于一体的智能化精密仪器。通过激光光束高速（200次/秒）扫描被测玻璃管，计算机实时采样处理，实现玻璃管直径在线非接触检测、控制，测量范围：0.5mm60mm，测量精度：0.01mm。广州一思通电子仪器厂生产的ETD-05系列激光测径仪，测量范围：0.2mm30mm，测量精度：2m，ETD-05系列激光测径仪是一种基于激光扫描测量原理而设计的高精度非接触式的外径测量设备，仪器采用二维测量模式，有效消除工件振动造成的测量误差，特别适合生产现场的实时测量，适用于通信电缆、光缆、同轴电缆、漆包线、PVC管、铜管、纤维线等圆形线材的在线检测，也可用于其它各种圆形工件的外径测量。测量原理和方案论证利用衍射法测量细铜丝直径我们选择了最简单的一种模型，它是常规的夫琅和费衍射。即把金属丝当成一个平面的狭缝,其工作情况如图2-2所示。光源发出的平行光束垂直照射在单缝 金属丝 上.根据惠更斯-菲涅耳原理,单缝上每一点都可以看成是向各个方向发射球面子波的新波源,子波在接收屏上叠加形成一组平行于单缝的明暗相间的条纹.和单缝平面垂直的衍射光束会聚于屏上x 0处,是中央亮条纹的中心,其光强为I0;与光轴成角的衍射光束会聚于x x 处,为衍射角,由惠更斯-菲涅耳原理可得光强分布图2-1 夫琅和费单缝衍射为 （2-1）式中D为缝宽,为入射光波长.当 0时,I I0,是中央主极大.当sin k/D时,其中k 1,2,I 0,是暗条纹.由于很小,故sin,所以近似认为暗条纹出现在 k/D处.中央亮条纹的角宽度 2/D,其他任意两条相邻暗条纹之间夹角 /D,即暗条纹以x 0处为中心.当使用激光器作光源时,由于激光的准直性,可将透镜L1去掉.如果接收屏远离金属丝 z D ,则透镜L2也可省略.由于tg x/z,且tgsin,则各级暗条纹衍射角应为 （2-2） 由此可以求得金属丝直径为 ? （2-3）式中k是暗条纹级数;z为金属丝与测量平面间的距离;XK为第k级暗条纹距中央主极大的距离。利用分光法测量细铜丝直径 发光管 D1 发出的红外光经分光镜分成两路 :测量光路和参考光路。测量光和参考光分别照射到两只相同型号的光电接收管 T1、 T2 上。D1 为中心频率 880 nm 的进口红外发光管 ; T1、 T2 为高一致性、 线性度的进口光电三极管 ;截止波长为 850nm 的低通滤波片可有效地消除可见光干扰图22 分光法光路图 在测量光和参考光的照射下 ,T1 和 T2 的输出电压分别为V 1 和 V 2 ,在测量光路中没有被测细丝时 , V 1 V 2 ,此时 V 1、V 2 的差动电压值 V i 0 . 当测量光路有被测细丝时 ,细丝在T1 的检测窗口上产生一个宽度为细丝直径 d ,高度为检测窗口高度 h 的投射阴影 ,导致 V 1 发生变化 ,变化量V 1 与投射阴影面积 d? h 成正比 ;由于在电路中采用了负反馈自动光强调整技术 ,使发光管发射的光强稳定不变 ,此时 V 2 保持恒定值不变 ;以 V 2 作基准 , V 1、 V 2 的差动电压值 V i V 1 ,将 V i 放大即可得到与被测细丝直径成线性关系的电压信号 ,达到测量细丝直径的目的。图23 分光法原理图线阵CCD测量直径系统测细铜丝直径 图2-4 线阵CCD测量直径系统结构图则在CCD传感器光敏面上形成了被测工件的影像，这个影像反映了被测工件的直径尺寸，两者之间的关系由高斯公式表示为： 2-4 其中：l-物距 l-像距 f-像方焦距 -光学系统的放大率 d-被测工件的直径大小 d-被测工件直径在CCD上影像大小 知道物距、像距并测出工件影像d的大小，即可求出被测工件的尺寸。CCD器件把光敏元上工件影像的光学信息转换成与光强成正比的电荷量。存储于MOS电容中，用一定频率的时钟脉冲对CCD进行驱动，则电荷定向转移到输出端。视频信号中每一个离散电压信号的大小对应着该光敏元所接收光强的强弱，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输出信号中变为输出信号电压的高低，即在CCD中间被影像遮挡部分的光敏元输出电压低，两侧未被遮挡的光敏元输出电压高。CCD的输出信号如图2-4所示 图2-5 CCD输出信号最终由CCD实现按空间域分布的光学图像信息向按时间域分布的电压信号转化，该输出电压信号经过信号处理后，可得到表示d大小的脉冲信号，脉冲信号送入单片机中，测出脉冲宽度，进而可求出被测工件的大小。即用CCD复位脉冲（对应CCD的光敏元）可求出尺寸的大小。若：为脉冲当量（CCD脉冲），N为CCD器件像数，N1，N2为光照部分的光敏信号输出脉冲数，为光学系统的放大倍数，则被测工件直径为： （2-5） 本设计中 7m；N 5000； 1，所以实际上被测工件直径尺寸为： （2-6）设计方案的论证与选择采用光学衍射法测量细铜丝直径在理论上已经很成熟，但实际应用中存在一定困难，特别是在测量精度提高时，其中的关键困难在于：当光经衍射后产生的衍射图样微弱，信号的信噪比比较低，还由于衍射图样的锐度不大，条纹位置不明显，给测量带来很大困难。特别是在实时动态测量过程中，造成测量结果不稳定，重复性差。而且本次测量的细丝直径为1mm，在这个直径下不能形成明显的衍射条纹，即衍射法在原理上存在不足。分光法在测量实质上是干涉法测量但也有不足：1、如果细丝有垂直于测量光方向的晃动 ,且晃动的幅度使投射阴影超出检测窗口之外 ,将会改变阴影面积进而产生较大的测量误差； 2、光照在细丝上会产生微弱的衍射效应 ,衍射会导致线性度变差；3、环境光扰动会降低信噪比 ,影响测量精度；4、光电三极管对温度有一定的敏感性 ,会随温度的变化而产生灵敏度的变化；5、分光法也不适合于与计算机的连接以及后续图像采集与处理保存。以上不足使得反光法对现代化自动化生产有一定的局限，但分光法在原理上不存在任何问题。与同类测量系统比较，CCD细丝直径测量系统具有测量速度快，测量精度高，抗干扰能力强等优良特点，是一种非接触式的测量系统，属无损伤测量，不影响加工系统正常运行，非常适合于生产线上尺寸的测量。该设计方案集成化程度高，可与计算机相联，可进行测量数据的集中采集和分析，以便进行质量分析和统计，并在生产过程中出现质量问题时进行报警提示，便于控制和自动化生产。综合上述分析及我们小组的讨论研究，我们决定采用CCD细丝直径测试仪的设计方案系统设计整体系统设计测量完整框图如图31所示。He-Ne 激光器发出的激光经反射镜 M1、扩束系统 M2 后形成均匀的测量光，测量光经空间滤波器消除杂散光后入射被测量细丝，经光学系统在探测 CCD 上形成衍射条纹。CCD 将衍射图样转换为电信号经信号调整电路处理后进入计算机，处理采集到的信号，求得衍射图样中暗点的分布尺寸。为保证测量精度，消除细丝抖动带来的误差， CCD 的驱动电路要保证 CCD 的积分时间足够短。图31 系统原理框图光学系统设计光源测试中采用半导体激光器。半导体激光器又被称为二极管激光器（LED ），是体积最小的激光器件，它结构简单坚固，便于直接调制。经过多年的发展，半导体激光器件的可靠性寿命从几分钟增加到百万小时，波长覆盖从中红外到近紫外，输出功率从豪瓦直到百瓦水平。半导体激光器工作物质是半导体材料，常用材料是砷化嫁，其结构原理与发光二级管类似。半导体激光器作为检测光源通常要求光源输出光强的稳定性好，引起激光光弧变化的因素有激光器电源稳定性的好坏、激光器的结构微小几何量变化以及它随工作时间的变化而产生的热变形与应力等。所以，激光器需要使用稳压电源。光源照明由于半导体激光器有源层横截面的对称和很小的线度，半导体的远场光斑即不对称又具有很大的光束发散角，且发散角不同，垂直于结平面方向的发散角很大，一般高达 50，平行于结 10。 成像光学系统 由于生产线上细丝的摆动造成物距改变，从而使像平面与光电接受面不可能真正重合，带来测量误差。为消除其对测量的影响，提高测量精度，成像系统中我们采用物方远心光路，如图32所示图32 远心光路图物方远心光路的基本原则为：在物镜的像方焦面处设置孔径光阑，即为物镜的出瞳，其入瞳位于无穷远处。 物体上各点发出的光束经物镜后，其主光线必通过光阑中心所在的像方焦点 F，而其物方主 B1B2 正确的位于与光电器件接受面 M1M2 共轭的位置 A1，则在光电器件上像的长为 M1M2。 如果物体 B1B2 沿光轴有所移动，位置改到 A2 处，其像面 B1B2 将与光电器件接受面不重合，而在光敏面上得到的是 B1 和 B2 弥散斑。 但在物方空间，由于物体上同一点发出的主光线方向不变，其像方主光线必通过像方焦点 F，因此光电器 M1M2 点，从而提高了测量精度。机械系统设计前言对各种细丝直径的测量常常关系到工业产品的级别，如钟表中的游丝、光导纤维、化学纤维、各种细线、电阻丝、集成电路引线以及种类仪器、标尺的刻线等。传统的测量方法多数为接触法，其它的有电阻法、称重法。也有采用光学方法的，如光学显微镜法、干涉法、扫描法、投影放大法、比较法等。然而，大多检测方法检测速度低，生产效率低，劳动强度大，远远跟不上目前自动化生产的需要。尤其在全面质量管理过程中，更需要先进的、智能的检测手段。目前，国内外常采用激光扫描光电线径测量，但是这种方法受电机的温度及振动的影响，扫描恒速度的限制，会产生高温使其降低寿命。基于线阵CCD便携式非接触直径测量仪器正是适应当前社会自动化生产的急需而设计的，该测径仪是一种光、机、电一体化的产品。尤其适用于电缆、电线、玻璃管、轴类零件的外径测量，对保证产品质量，降低原材料消耗，降低生产成本，提高劳动生产率有着重大的经济效益和社会意义。国外发展现状社会的进步重要体现就是科技的进步，科技进步主要体现使用劳动工具的进步。从18世纪工业革命以来，科学技术以前所未有的速度在突飞猛进的发展，特别是近50年来，随着现代化生产和加工技术的发展，对于加工零件的检测速度与精度有了更高的要求，向着高速度、高精度、非接触和在线检测方向发展。为此，工业发达国家对于检测仪器与设备速度与精度一直作为检测仪器的主要指标。测径仪特别适用于电缆、电线的在线自动检测，对保证产品的质量，降低原材料消耗，降低生产成本，提高劳动生产率有着十分重要的意义，所以各国政府都很重视对测径仪的研究。英国Beta AS3系列全新的激光测径仪：LD1040-S 单向直径测量仪 、LD1040XY-S 双向直径测量仪 ，精度：0.1m，测量范围最广，单向测径仪最大可测直径达330.3mm，双向测径仪最大可测直径值达100mm，测量精度最高，最高测量精度可达0.1m，是目前同类产品中的最高的测量精度。日本生产的 LS-7000 系列高速、高精度 CCD 测量仪器，如：LS-7030M（配备测量摄影机）测量范围：0.3mm30mm，测量精度：2m，重复性精度：1.5m。LS-7010M（配备测量摄影机）测量范围：0.04mm6mm，测量精度：0.5m。国内发展现状国内生产的测径仪测量精度没有国外的精确，河北省激光研究所光电检测控制室生产的JCJ-1激光测径仪，是专为玻璃管生产线上玻璃管外径的测量、控制、分选而设计的集激光、精密机械、计算机于一体的智能化精密仪器。通过激光光束高速（200次/秒）扫描被测玻璃管，计算机实时采样处理，实现玻璃管直径在线非接触检测、控制，测量范围：0.5mm60mm，测量精度：0.01mm。广州一思通电子仪器厂生产的ETD-05系列激光测径仪，测量范围：0.2mm30mm，测量精度：2m，ETD-05系列激光测径仪是一种基于激光扫描测量原理而设计的高精度非接触式的外径测量设备，仪器采用二维测量模式，有效消除工件振动造成的测量误差，特别适合生产现场的实时测量，适用于通信电缆、光缆、同轴电缆、漆包线、PVC管、铜管、纤维线等圆形线材的在线检测，也可用于其它各种圆形工件的外径测量。机械结构的原理和要求首先要能胜任对机器提出的功能要求，在此前提下，同时满足使用方便，安全可靠，经济合理，外形美观等各项要求，并希望能做到体积小，重量轻，能耗少，效率高。在使用方面，机械应能在给定的工作期限内具有高的工作稳定性，并能始终工作正常，联系人和机械间的各个环节应该做到：操纵轻便省力，操纵机械的部位应和人的生理结构相适应，操作安全，万一失误应有连锁装置或保险装置，简单重复的工作应尽量又机械完成，维修方便等等。在经济方面，应从机械费用，产品制造成本等方面综合衡量，以能获得最大经济效益的方案为最佳方案，功能多，使用范围广，自动化程度高的机器，价格虽然高一些，但是产品成本反而会降低。设计方案的选择补偿法测量细铜丝直径，其测量范围可达到0.1-0.3mm,精度可达0.5um，完全符合设计要求，该方案中误差的主要来源是细铜丝振动的频率和振幅，但是此方案在测量细铜丝直径时容易引起仪器振动，影响测量精度。此方案成套水平低，结构落后，以及智能化程度低故在生产过程中应用不是很广泛，故本次测量不采用。光学衍射法测量细铜丝直径在理论上已经很成熟，但实际应用中存在一定困难，特别是在测量精度提高时，其中的关键困难在于：当光经衍射后产生的衍射图样微弱，信号的信噪比比较低，还由于衍射图样的锐度不大，条纹位置不明显，给测量带来很大困难。特别是在实时动态测量过程中，造成测量结果不稳定，重复性差。与同类测量系统比较，CCD细丝直径测量系统具有测量速度快，测量精度高，抗干扰能力强等优良特点，是一种非接触式的测量系统，属无损伤测量，不影响加工系统正常运行，非常适合于生产线上尺寸的测量。该设计方案集成化程度高，可与计算机相联，可进行测量数据的集中采集和分析，以便进行质量分析和统计，并在生产过程中出现质量问题时进行报警提示，便于控制和自动化生产。综合上述分析及我们小组的讨论研究，我们决定采用CCD细丝直径测试仪的设计方案CCD的基本结构和工作原理电荷耦合器件的突出特点是以电荷作为信号，而不同于其他大多数器件是以电流或电压为信号。CCD的基本功能是电荷的存储和电荷的转移。因此，CCD工作过程的主要问题是信号电荷的产生、存储、传输和检测。 CCD有两种基本类型：一是电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面传输，这类器件称为表面沟道CCD（简称SCCD）；二是电荷包存储在离半导体表面一定深度的体内，并在半导体体内沿一定方向传输，这类器件称为体沟道或埋沟道器件（简称BCCD）。下面以SCCD为主讨论CCD的基本工作原理。CCD的基本结构构成CCD的基本单元是MOS（金属氧化物半导体）结构。它是在型Si衬底表面上用氧化的办法生成1层厚度约为10001500的SiO2再在SiO2表面蒸镀一金属层 多晶硅 ，在衬底和金属电极间加上1个偏置电压就构成1个MOS电容器。当有1束光线投射到MOS电容器上时，光子穿过透明电极及氧化层，进入型Si衬底，衬底中处于价带的电子将吸收光子的能量而跃入导带。光子进入衬底时产生的电子跃迁形成电子空穴对，电子空穴对在外加电场的作用下，分别向电极的两端移动，这就是信1所示。新型CCD光谱仪器总体结构设计微型CCD光谱仪器的结构微型CCD光谱仪器的总体结构如图1所示。由于特殊的小型化设计要求，在微型CCD光谱仪器的设计中，使用了反射式平面衍射光栅，采用车尼尔一特纳的变形结构由两个球面反射镜组成成像系统，这种结构比较容易通过内部光阑来抑制杂散光，避免从入缝看到第二反射镜面。使用多模光纤将待测量光导入，取代了普通光谱仪器的入射狭缝，可以在光纤的纤径范围内，调节狭缝高度的大小。引入线阵型CCD取代老式的感光板，可以直接高速地采集图象数据，再送交计算机进行快速分析，基本上可以做到在线分析，科学仪器与装置仪器的体积也将大大减小。图1系统总体结构图1. 光纤（狭缝）2球面反射镜3平面反射光栅4球面反射镜5线阵型CCD在上述系统中，光由光纤入射，经过球面反射镜2进行准直，反射光入射到光栅表面发生衍射，色散后的光线经过反射镜4，由其聚光后形成光谱面投射到线阵CCD的表面进行接收，同时进行光电转换产生相应的电信号，经数据采集卡采集并将其转化为数字信号，交计算机分析处理，然后显示结果。由于CCD可以对光谱进行高频扫描，而且计算机的处理速度极快，整个采集分析的周期大大缩短，理论上可以做到在线测量，保留实时的测量数据。CCD的基本特性参数光电转换特性在CCD中，电荷包是由入射光子被硅衬底吸收产生的少数载流子形成的，因此，它具有良好的光电转换特性。它的光电转换因子可达到99.7%。转移效率和转移损失率 电荷转移效率是表征CCD性能好坏的重要参数。一次转移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转移效率。如在t0时，注入到某电极下的电荷为Q 0 ；在时间t时，大多数电荷在电场作用下向下一个电极转移，但总有一小部分电荷由于某种原因留在该电极下。若被留下来的电荷为Q t ，则转移效率为 8 转移损失率为 9 理想情况下应等于1，但实际上电荷在转移中有损失，所以总是小于1的（常为0.9999以上）。一个电荷为Q 0 的电荷包，经过n次转移后，所剩下的电荷 10 n次转移前后电荷量之间的关系为 11 如果0.99，经24次转移后，而经过192次转移后，。由此可见，提高转移效率是电荷耦合器件能否实用的关键。 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。工作频率f1）工作频率的下限为了避免由于热产生的少数载流子对注入信号的干扰，注入电荷从一个电极转移到另一个电极所使用的时间t必须小于少数载流子的平均寿命，即 12 在正常工作条件下，对于三相CCD 13 故 14 2）工作频率的上限当工作频率升高时，若电荷本身从一个电极转移到另一个电极所需要的时间t大于驱动脉冲使其转移的时间，那么，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。为此，要求，即 15 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、衬底杂质浓度和温度等因素有关，因此，对于相同的结构设计，n沟CCD比p沟CCD的工作频率高。光谱响应 CCD接受光的方式有正面光照与背面光照两种。由于CCD的正面布置着很多电极，电极的反射和散射作用使得正面照射的光谱灵敏度比背面照射时低，即使是透明的多晶硅电极也会因为电极的吸收以及在整个硅二氧化硅界面上的多次反射引起某些波长的光产生干涉现象，出现若干个明暗条纹，使光谱响应曲线出现若干个峰与谷，即发生起伏。为此，ICCD常采用背面照射的方法。背面光照方式比正面光照的光谱响应要好得多。采用硅衬底的ICCD的光谱响应范围为0.31.1m，平均量子效率为25，绝对响应K为0.10.2 A/W 。 另外，读出结构也可使量子效率再降低一半。例如，在垂直隔列传输结构中，转移沟道必须遮光，以免产生拖影，使量子效率降低。噪声和动态范围 动态范围反映了器件的工作范围，它的数值可以用输出端的信号峰值电压与均方根噪声电压之比表示。动态范围由势阱中可存储的最大电荷量和噪声决定的最小电荷量之比决定。由于CCD的噪声不断减小，动态范围已超过1000。下面分别介绍可存储的最大电荷量和噪声。 1）势阱中的最大信号电荷量CCD势阱中可容纳的最大信号电荷量取决于CCD的电极面积及器件结构（SCCD还是BCCD）、时钟驱动方式及驱动脉冲电压的幅度等因素。Q可近似用下式表示 16 式中：COX是单位氧化膜面积的电容量；UG为栅极电压；A为CCD电极的有效面积。 2）噪声在CCD中有以下几种噪声源：由于电荷注入器件引起的噪声；电荷转移过程中，电荷量的变化引起的噪声；由检测时产生的噪声。CCD的平均噪声值如表1所示，与CCD传感器有关的噪声如表2所示。 表1 CCD噪声噪声的种类噪声电平（电子数）输入噪声转移噪声输出噪声400400总均方根载流子变化SCCDBCCD1150570 表2 与CCD传感器有关的噪声噪声源大小代表值（均方根载流子）光子噪声暗电流噪声光学胖零噪声 电子胖零噪声 俘获噪声 输出噪声NSNDCNFZ400CIN参看表2-1400100，NS1041000，NS106 100，NDC1NS 300，NFZ10NS 100，CIN0.1PF NS106 次转移 200，Cout0.25pF 1 光子噪声由于光子发射是随机过程，因而势阱中收集的光电荷也是随机的，这就成为噪声源。由于这种噪声源与CCD传感器无关，而取决于光子的性质，因而成为摄像器件的基本限制因素。这种噪声主要对于低光强下的摄像有影响。 2 暗电流噪声与光子发射一样，暗电流也是一个随机过程，因而也成为噪声源。而且，若每个CCD单元的暗电流不一样，就会产生图形噪声。 3 胖零噪声包括光学胖零噪声和电子胖零噪声，光学胖零噪声由使用时的偏置光的大小决定，电子胖零噪声由电子注入胖零机构决定。 4 俘获噪声在SCCD中起因于界面缺陷，在BCCD中起因于体缺陷，但BCCD中俘获噪声小。 5 输出噪声这种噪声起因于输出电路复位过程中产生的热噪声。该噪声若换算成均方根值就可以与CCD的噪声相比较。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：1）耗尽的硅衬底中电子自价带至导带的本征跃迁暗电流密度的大小由下式决定 17 式中：q为电子电荷量；ni为载流子浓度；i为载流子寿命；d为耗尽区宽度。2）少数载流子在中性体内的扩散在p型材料中，每单位面积内由于这种原因而产生的暗电流 18 式中：NA为空穴浓度；Ln为扩散长度；为电子迁移率；ni为本征载流子浓度。3）Si-SiO2界面引起的暗电流Si-SiO2界面引起的暗电流 19 式中：S为界面态的俘获截面；NSS为界面态密度。大多数情况下，以第三种原因产生的暗电流为主，而得到在室温下低达5nAcm2的暗电流密度。但是，在许多器件中，有许多单元，每平方厘米可能有几百毫微安的局部暗电流密度。这个暗电流的来源是一定的体内杂质，产生引起暗电流的能带间复合中心。为了减少暗电流，应采用缺陷尽可能少的晶体和减少玷污。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，暗电流越大。据计算，温度每降低10，暗电流可降低1/2。分辨率分辨率是图像传感器的重要特性。根据奈奎斯特抽样定理，CCD的极限分辨率是空间抽样频率的一半。因此，CCD的分辨率主要取决于CCD芯片的像素数，其次还受到转移传输效率的影响。从频谱分析的角度看，CCD摄像器件在垂直和水平两方向都是离散取样方式。根据取样定理，CCD输出信号的频谱如图所示。取样后的信号频谱幅度如下 20 式中：s为取样脉冲宽度，即一个感光单元的宽度；Ts为取样周期，即一个像素的宽度（含两侧的不感光部分）。当n Ts/s时，谱线包络达到第一零点，这也是孔径光阑限制了高频信号，使之幅度下降的结果。适当选择s，使近fs/2处的频谱幅度下降不多，但又使频谱混叠（见图中的阴影部分）部分减小。可见，在CCD中感光单元的宽度和像素宽度有个最佳比例，像素的尺寸和像素的宽度以及像素的数量都是决定CCD分辨率的主要因素。线阵CCD固体摄像器件向更多位光敏单元发展，像元位数越高的器件具有更高的分辨率。二维面阵CCD的输出信号一般遵守电视系统的扫描方式。它在水平方向和垂直方向上的分辨率是不同的，水平分辨率要高于垂直分辨率。分辨率通常用电视线（TVL）表示。电视线评价方法表明，在一幅图像上，在水平方向能够分辨出的黑白条数为其分辨率。为提高CCD的水平分辨率，可采用以下措施： 1 增加光敏单元数量，提高取样频率，减小频谱混叠部分； 2 采用前置滤波即采用光学低通滤波器降低CCD上光学图像的频谱宽度，以减小频谱混叠。灵敏度灵敏度是面阵CCD摄像器件的重要参数。就是单位光功率所产生的信号电流（单位为mA/W），也可以称其为CCD的响应度，指单位曝光量CCD像元输出的信号电压。它反映了CCD摄像器件对可见光的灵敏度。CCD的灵敏度还与以下因素有关： 1 开口率为感光单元面积与一个像素总面积之比，对灵敏度影响很大，开口率大小与CCD类型有关，FT式CCD开口率最大； 2 感光单元电极形式和材料对进入CCD内的光量和CCD的灵敏度影响较大，例如多晶硅吸收蓝光，电极多和面积大都会影响光的透过率； 3 CCD内的噪声也影响灵敏度。现在的CCD摄像器件通过对以上三点的改进和增加芯片上的透镜等措施，使灵敏度提高到光圈F8、景物照度2000lx、白色反衬率89.9%时，能使摄像机输出0.7VPP电压，信噪比达60dB（PAL制）。电路系统设计CCD的输出信号是脉冲信号，其中既包含被测尺寸的信息，又含有大量的复位噪声和电子系统的白噪声，使得有用信号难以提取。由于CCD本身的感光单元有一定间距，加上照明光源在视场内光强分布的不均匀性，CCD本身的光敏不均匀性、转移损失以及光源在通过待测目标边缘时的衍射现象等原因，使得CCD输出不会是理想的0/1信号，其包络的边缘必然带有明显的梯度，或者说，目标尺寸的两个边缘在CCD上成像的具体位置不可能十分确定。导致CCD输出信号波形在轮廓边缘处有一渐缓的过渡区，而且这一过渡区随着轮廓在视场中位置的变化而变化，这一变化直接影响捕捉真正代表物体边缘的特征点，进而影响测量精度。因此，除了减少外界干扰外，如何从CCD的输出信号中提取出真正代表物体边缘的特征信息，是测量的难点所在。真正表示物体的边缘点处，CCD输出信号的微分最大。由于被测物体的边缘是通光和挡光的交界点，理论上该处的光强变化率最大，该点就是滤波后的视频信号电压函数u u t 在过渡区内的拐点，由高等数学的知识知道，在拐点处，电压函数的一次微分为最大值，二次微分为零。电路便于寻找为零的点。基于此，可设计微分法处理电路提取测量信号。图3-3 未放工件输出信号图 3-4 放工件输出信号 观察CCD的输出波形，发现原始信号上附加有许多细小的“毛刺”，即各种噪声信号，有器件本身的噪声（如散粒噪声、热噪声、1/f噪声等）0 AVF 1+Rb/Ra由图可得电路的传递函数为：（3-1）又因AVF 1+Rb/Ra AVF为集成运放压控电源增益 ，则有：（3-2）为二阶低通滤波电路传递函数的典型表达式。其中wn2 1/R1R2C1C2为特征角频率，而Q为等效品质因数。为了求出二阶有源低通滤波器的频率响应，可令s jw，由此可求得幅频响应和相频响应分别为：（3-3）相关双采样 CCD图像传感器的输出信号是图像采样的离散模拟信号，无论是线阵还是面阵，其中夹杂着各种噪声和干扰成分，极大地影响了CCD的成像质量。CCD信号处理的目的就是在不损失图像细节前提下尽可能消除噪声的干扰，保证在其工作动态范围内，提高信噪比，取得高质量的图像，以便准确地提取出各像元中的信号成分。由于CCD器本身具有积分效应，从而使得外部的噪声被大大的消除，CCD输出的视频信号包含大量的噪声，主要有光子散弹噪声、暗电流噪声、输出放大器产生的复位噪声。而器件本身的噪声主要分为3类:散粒噪声,暗电流噪声和平移噪声。图 3-5 相关双采样实现相关双采样电路基本电路如图3-5所示，在t1t2期间对复位电平进行第一次采样，C2电容保持的电压为KTC噪声、复位失调电压与复位电平的叠加。而第二次采样在t3t4之间，C3电容保持的电压为KTC噪声、复位失调电压和有用视频信号的叠加。两次采样间隔为Tg。输出信号为两次采样值进行相减后所得的信号电压。差分放大电路VS为有用视频信号输出，CS为输出复位电平信号。因此，在外部电路采用差分比例运算电路时，把这两个信号加到差分比例运算电路的两个输入端即可很好地消除噪声，并可得到有用信号。下面对差分比例运算电路进行一下分析：首先，我们设VS输出的CCD信号（含噪声）电压为Ui1，CS端输出信号电压为Ui2。这里，我们知道Ui1 Ui2+UCCD（其中UCCD为不含噪声的CCD输出信号），实际上，我们可以把Ui和Ui这一对输入信号看成是一对共模信号和一对差模信号组成。若将两个输入信号分别写成下列两个分离之和：（3-4）则可以看出两个输入信号中第一个分量的数值和相位均相同，符合共模信号的定义第二个分量的数值相同而相位相反，符合差模信号的定义。因此这样一对任意信号就可以表示为一对共模信号和一对差模信号之和。即（3-5）其中：Uic1为差分比例运算电路的共模输入电压。Uid1为差分比例运算电路的差模输入电压。因此差分电路的差模输入电压为： （3-6）数字图像处理及报警系统设计CCD将采集到的信号通过传输线路传到计算机中利用Matlab软件进行后续处理及若超过误差范围进行报警。系统构成数据采集与处理系统由摄像机、图像卡、微机以及报警器组成。图36 数字测量系统块方向的选取在要处理的对象中, 标尺和细丝都具有比较均匀的线条形状, 因此, 可以求取它们的块方向 线条的方向 。在后面的处理算法中,将多次用到求取块方向的算法。本文采用梯度算法计算块方向, 其步骤如下: 1 将图像分成大小为 N N的小块, 对每一个小块取以它为中心的 W W 的大块, 这里W的大小以包含一周期为宜; 2 根据计算的需要, 选择不同的方法计算像素点的梯度,该文采用 Sobel 算子, 模板尺寸为 3 3, 水平模板和垂直模板分别为单位标定对于任何一个测量工具,都必须有一个相对的度量单位对所测量的对象进行标定。在细丝直径检测算法中, 采用的是屏幕后续检测单位标定法。所谓的屏幕后续检测单位标定法,就是通过采集的图像本身来标定像素和实际测量单位之间的转换关系。有两种方法可以实现标定:一是当硬件设备 包括CCD 摄像机 全部安装并固定好后, 选择一个带有固定大小的规则目标物的背景图,用CCD 摄像机进行拍照,然后送到计算机里进行标定,标定后的结果存储到文档里,为以后的测量做准备;二是每次进行图像采集时,都选用一个带有固定大小的规则目标物的背景图作为图像采集的背景。在本文研究的系统中,采用的是第一种标定方法。采集到的标尺图像如图37 所示。图38 原始与分隔后标尺图细丝直径的获取 通过对细丝图像的研究,发现图像中前景和背景有比较明显的差别,而且前景的灰度值较均匀, 因此可以采用全局阈值法来二值化图像。但固定的全局阈值法对不同的细丝图像不能通用,所以采用动态全局阈值法。动态全局阈值法是在整幅图像中根据图像中的像素统计特征的分布规律找到一个合理的阈值来对图像进行二值化的方法。经过二值化后的细丝图像如图 39所示。图39 二值化效果图直径的测量 对二值化图像中的细丝的直径测量,可以采用一次性全部处理,计算出所有的直径数据存储起来,当须要确定某一点的直径时,可以输入这点的坐标,然后根据这个坐标值查找这点的直径。具体直径测量的算法如下: 1 对二值化后的图像从上到下, 从左到右进行描, 直到找到一个黑点 G i,j 2 计算出在与当前黑点所在块方向 H垂直的方向上所有连续黑点数S,S就为当前黑点所在细丝直径的像素长度与黑点 G i,j 所在块方向垂直的方向上黑点 G x,y 坐标的计算公式实验结果及影响测量精度的主要因素分析光学系统对测量精度的影响分析影响测量精度的因素及对策1、衍射光照在细丝上会产生衍射效应 ,衍射会导致线性度变差。试验证明:在 20um 以上,线性度是比较好的;在 20um 以下线性度较差 ,但Vi与d的正相关关系没有改变 ,此时应采用值运算拟合法来提高精度。2、环境光扰动环境光扰动会降低信噪比,影响测量精度。在使用了滤波片后已滤除了大部分干扰光 ,再加上遮光罩可使环境光扰动忽略不计。信号处理电路对测量精度的影响分析由于外界环境及电路自身元器件的不稳定性，会使得测量结果偏离理想状况。零点漂移对测量精度的影响1、什么是零点漂移现象：uI0，uO0的现象。2.产生原因：温度变化，直流电源波动，器件老化。其中晶体管的特性对温度敏感是主要原因，故也称零漂为温漂。3.克服温漂的方法：引入直流负反馈，温度补偿。典型电路：差分放大电路被测工件的均匀性对测量精度的影响在生产过程中，轴类零件，电缆或电线的外径有时不很均匀。被测工件经过光照在CCD成像，线径不等时则被照部分CCD输出脉冲数与均匀被测工件被照部分的CCD输出脉冲数不等，反应到测量结果上就会产生测量误差，在设计中，我们采用对被测工件的多次测量，然后求取平均值的方法来消除这种误差。粗大误差也影响测量精度，但它是有外界条件的突然变化引起的，当外界条件改变时引起CCD输出信号的不稳定，只要保证外界条件持续稳定，则粗大误差就很少发生。误差分析在实验过程中，我们分别对直径 1.0mm的标准件进行了三组测量，每一组采取多次重复测量，取平均值，并进行相