CCD测量光纤直径系统设计样本

1、资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。CCD测量光纤直径系统设计SA11009045 张海滨CCD成像测量技术是测量方法中的一个较新的分支,其特点是利用 CCD( 电荷耦合器件 ) 对被测物体进行光学成像,然后采用图像处理技术完成非接触测量。利用 CCD对光纤直径进行测量采用的就是这种技术,本设计采用 CCD平行光投影法 , 即经过照明光路用平行光将被测工件投影在 CCD光敏元件上成像 , 从而经过像的尺寸获得物体的尺寸。CCD以脉冲的形式输出视频信号 , 每一个离散电压信号的大小对应着该光敏元接收光强的强弱 , 而信号的时序则对应 CCD光敏元位置的顺序。 CCD用自

2、身电子扫描方式完成信息从空间域到时间域的变换。可是经过 CCD输出与被测直径相对应的离散电信号 , 但此信号幅值较低 , 质量也较差 , 必须对其进行滤波、 放大、整形、 二值化等处理后才能输出给微机进行计算分析。因此本次作业将重点对CCD输出信号的后续工作如滤波电路、 二值化电路和微机接口等模块进行分析设计。一、测量光学系统设计上图为利用远心光路进行CCD的测量光路原理 , D 是被测物体的直径; d 是光电接收器上阴影的尺寸 ;f 是物镜 的焦距; L是光电接收器 与透镜像方焦686点间的距离。能够计算得到被测物体的直径:f DLd资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删

3、除。CCD成像视场的位置变化对测量会产生很大的影响 , 因此需要在能够保证被测物体成像物距不变 , 然而物方远心光路能够部分消除被测物体成像物距微小变化所产生的影响 , 柯拉照明能够使物体得到均匀地照明 , 在光学系统中一般对成像质量和测量精度要求较高的系统均采用柯拉照明方式 , 因此能够采用柯拉照明和物方远心光路组成的光学系统来测量被测工件的直径。而且能够经过改变光阑 3的大小 , 可控制成像系统中的孔径角的大小 ; 改变集光镜 2的镜框大小 , 可改变照明系统的孔径角的大小 , 从而控制被照物面的范围。二、信号处理部分设计CCD输出的视频信号不能直接进行汁数处理及用于尺寸计算。首先由于信号

4、微弱 ,且存在高频干扰 ,因此需要进行滤波放大。另外,光源发光强度不稳定 ,光路系统的调节也不可能尽善尽美,光带边缘存在一定色散,输出信号在光照和阴影边界处存在着由明到暗的过渡。 为了得到与工件尺寸相关的阴影部分尺寸 , 需要对 CCD输出视频信号进行二值化处理 , 将其转化成矩形波 , 然后用脉冲填充 , 计数器汁数 , 再经过微机接口与微机相连 , 结合控制程序进行数据采集和信息处理。因而整个信号处理阶段的流程框图能够用下图表示 :经过测量系统后 , CCD成像系统输出的时序视频信号应当如下图所示:资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。能够知道 CCD输出信号是时钟

5、频率为 1MHz的小脉冲信号 , 幅值很小且叠加在一直流电平上 , 还有噪声存在 , 阴影区和和光照区分界模糊 , 此信号不能直接进行计数。首先应经过电容隔直 , 变成只有交流的信号。三、滤波器选用接下来对信号进行滤波和放大处理 , 由于我们需要滤掉小脉冲信号 , 为高频成分 , 因此选用一低通滤波器来实现。而该信号幅值非常小 , 因此采用有源滤波器来对信号进行放大处理 , 因为有源滤波器除了具有滤波功能外 , 还能够实现信号的放大和缓冲作用 ; 有源滤波器里面有采样系统 , 根据采样结果 , 施加以大小相同 , 方向相反的谐波电流 , 予以抵消 , 因此 , 其滤波能力和效果在一定范围内是可

6、变的 , 适用于信号处理 ; 而且有源滤波器具有自适应功能 , 可自动跟踪补偿变化着的谐波 , 具有高度可控性和快速响应的特点。滤波过程中 , 需要对通带以外的频率成分实现较快的衰减 , 二阶滤波器能够实现 40db/ 十倍频的衰减速度 , 响应较快。综合上述描述 ,滤波器能够选用二阶有源低通滤波器。根据题意 ,电路需要实现的功能有 : 电压从 500mv到3-5V的增益 , 频率2成分 1MHz的滤除。因此滤波器A0n的主要设计参数能够设定如下 :A(s)而滤波2器的品质因数不可过小 ,截止频率 22KHz;nssnQ因此增益不超过 3, 若常见的压控型有源滤波器的 Q与增益 A有关系 :

7、Q=1/3-A,要达到题目要求的 10倍增益 ,能够在滤波器的后方级联一个放大电路, 比如取Q=0.707, 得到滤波器的放大增益为 1.5, 级联的方法电路放大倍数A1=6即可满足要求。资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。二阶低通滤波器传递函数:其中 : A0 为滤波器增益 ,n 为特征频率 , Q 为品质因数。二阶有源低通滤波器基础电路级联一个反相放大电路四、信号处理方法经过滤波放大后的信号波形能够用下图近似表示:（1）、 二值化处理 ( 不采用 A/D转换 )由于需要测量测量光纤直径 , 就需要知道 CCD成像的阴影轮廓位置 , 而实际七在成像面的投影像轮廓的亮

8、度分布不是突变的 , 而是有一个由暗到明的过渡过程。过渡过程所占的脉冲个数越少 , 也就越有利于暗明界线的正确判断。 用远心光路照明时 , 能够认为像的真正轮廓大约在最大亮度的 50处 , 用二值化方法来判断影像的实际位置和尺寸。这里能够采用比较法,比较法采用电压比较器,是实现二值化处理最简单资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。的方法。将 CCD经滤波放大处理的视频信号送往该比较器的同相端 , 用一个电平作为阈值送到该比较器的反相端 , 对CCD视频信号进行切割。这样在比较器的输出端就能够得到信号二值化处理的结果 , 即视频信号高于阈值的部分均输出高电平 , 而低于阈

9、值部分均输出低电平 , 形成了具有一定宽度的二值化电平的脉冲信号 , 将时域上的脉冲信号转化为空间域就可得到所要测量的光纤直径。比较法最重要的参数是设计比较器的阈值。 由于在测量过程当中 , 所使用的光源难免会有供电电压波动、 光学窗口污染、 灰尘等因素的变化导致光强的变化 , 使得 CCD输出的视频信号发生抖动 , 为了避免这些因素对测量带来的影响 , 能够采用浮动电平来确定阈值 , 即实时地取 CCD输出方波的峰值和谷值 , 然后取其峰、 谷值的 1/2 作为切割比较电平 , 也就是切割电平随着峰谷值变化而上下浮动以保证取的是方波的 l/2 处。二值化流程示意图如下 :经过上述二值化处理之

10、后 , 我们需要进一步得到二值化信号所覆盖的 CCD像元数目。由于每个 CCD像元的尺寸为 7.4X7.4um2, 直接得到尺寸的话误差是两个光敏单元的间距 14.8um。为了得到更高的测量精度 , 能够使用频率更高的时钟脉 f d n 0.74 m Dn0.74 mCCD视频读出信号 OS的频率为 :冲对二值化的信号宽度进行填充计数。由于原始Lf=1MHz, 每一个脉冲代表 7.4um,现在采用 10MHz的时钟脉冲进行填充计数, 那么每个脉冲代表的尺寸为 0.74um,能够减小测量误差。得到测量的光纤尺寸:( n为视频信号内 10MHz脉冲数 )（2）使用 A/D转换测量使用 A/D转换进

11、行测量 , 是指在进行 CCD输出视频信号进行放大处理之后 , 将模拟信号经过告诉 A/D装置进行模数转换。测量时采用最大转换速率能达到20Ms/s 的 A/D转换芯片(比如 TI 公司的资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。TLC5510A) , CCD的时钟频率为 1MHz, 这样的 A/D转换芯片完全能满足处理速度需求。由于 CCD的复位脉冲 RS每到来一次 , CCD将输出一个光敏单元信号 , 利用 CPLD 在驱动 CCD的同时引出一个 CLK信号与复位脉冲 RS同步 , 这样就能够保证 A/D转换和光敏单元信号的输出在时间上同步。 每次模数转换完成都将由 C

12、PLD产生中断信号 , 以提示处理器 ( 比如 ARM的STM或者 AVR等) 提取数据。测量系统原理框图如下 :当全部像敏单元信号转化结束之后 , A/D 器件停止工作 , 处理器得到一个中断信号 , 获得 A/D转换后的数据 , 经过数据总线输入到缓存器 ( 比如 SARM, 三星公司的 K1S2816BCM芯片 , 8MX16bit) 中缓存。数据处理时 , 处理器从 SARM中读取数据。首先滤掉波形中的毛刺 , 剔除实际应用中不可能出现的数值。 然后对数据进行计算 , 由于采用 8位 A/D转换芯片时 , 每个像敏单元的模拟信号都被表示为一个 0-225 之间的十进制数值 , 然后将每

13、个数值与设定好的阈值进行比较 ( 比如采用剔除毛刺后的最大最小值平均值作为阈值 ) , 当高于阈值电压则高位寄存器内的值加 1, 反之低位寄存器内的值加 1。将所有得到的数值比较完毕之后 , 得到低位寄存器的数值 , 即得到 CCD被光纤遮挡而未能感光的像敏单元数 m, 将 m乘以 CCD像敏单元尺寸 7.4um, 再乘以光路的放大倍数即得到光纤尺寸 :资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。d m 0.74 mDfLm 0.74 m五、误差分析1、振动情况对结果影响不妨设物体作简谐振动,容易看出当振动方向垂直于光轴时, 测量误差直接与振幅 A相关。当振动频率刚好为转换频率的整数倍时, 振动所带来的误差很小。对于其它情况 ,当振动频率大于 CCD的转换频率时 ,误差较大。因而增大转换频率到大于振动频率时 ,误差开始变小 , 并随着频率的进一步