电路系统设计论文

1、 课程设计（论文） 题目：细丝直径测试仪 系 别： 光电信息 专 业： 测控技术与仪器 班 级： 学 生： 学 号： 任课教师： 吴玲玲 目录第1章 引言 1.1 前言 1.2 国外发展现状  1.3  国内发展现状  第2章 测量原理和方案论证 2.1利用衍射法测量细铜丝直径 2.2  利用分光法测量细铜丝直径 2.3 线阵CCD测量直径系统测细铜丝直径 2.4  设计方案的论证与选择采用 第3章 电路系统设计 3.1 电路系统设计 3.2 低通滤波器 3.3 相关双采样 3.4 差分放大电路

2、 第4章 精度分析 4.1分配 4.2合成 第5章 总结与体会 第1章 引言1. 前言 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。 2. 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

3、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3. 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

4、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

5、。 第2章 测量原理和方案论证2.1  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   

6、;      夫琅和费单缝衍射                   为式中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

7、60;=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。2.2  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

8、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  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

9、 ,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&

10、#160;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

11、60;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。  2.3  线阵CCD测量直径系统测细铜丝直径被测工件被均匀照明后，经光学成像系统按一定倍率成像于线阵 CCD 传感器上，基于线阵 CCD 测量直径系统原理图如图2-5所示:   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) bb  &#

12、160;                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。&

13、#160;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           最终由CCD实现按

14、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7912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：          

15、0;（2-6）  由于被测工件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 v=v(t)在过渡区内的拐点，由高等数学知识知道，在拐点处，电压函数的一次微分为最大值，二次微分为零。基于以上原理，在测量系统中对 CCD 输出信号采用微分法处理，便于寻找被测工件的边缘1011。微分法的波形图如图 2-7 所示：2.4  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

16、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

17、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。 第3 章 电路系统设计3.1 电

18、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

19、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。3.2低通滤波器 在对CCD输出信号二值化之前要对噪音进行抑制，主要抑制宽带白噪声。压控电源低通滤波电路是由两节RC滤波电路和同相比例放大电路组成，其中同相比例放大电 路实际上就是压控电

20、源，同相比例放大电路的电压增益就是低通滤波器的通带电压增益，即A0=AVF=1+Rb/Ra 由图可得电路的传递函数为：又因AVF=1+Rb/Ra(AVF为集成运放压控电源增益)，则有：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 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

21、，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。 图3-1相关双采样3.4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

22、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：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 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： 第4章 精度分析4.1 分配（1）光源发散角引起的误差   高质量高密度GaN绿色LED光源有一定的发散角，被测工件沿光轴方向移动会造成测量误差，这种误差很小，一般小于0.45m

23、。 （2）成像镜头引起的误差   成像镜头采用制版物镜是对称型结构，是校正慧差、畸变和倍率差三种垂轴像差最理想的结构形式。这三种垂轴像差因结构对称而自动消除。因此，对其只要校正球差即可， 球差在制版物镜影响较小，成像物镜引起的误差小于 0.5m。 （3）被测工件倾斜引起的系统测量误差   为了保证测量的准确性，要保证被测工件与CCD线阵方向垂直，否则会引入倾斜误差。若被测工件与CCD线阵方向垂直的夹角为0.5。，测量直径d<30mm时，引入倾斜误差为 mt=30x1000x(1-cos0.5)=1.2m。 （4）被测工件不均匀性引起的误差   本次实验中测量的轴类标准件，此误差可以忽略。系统误差 随机由上述四中误差组成。4.2 合成根据误差合成理论知仪器总误差为：第5章 总结与体会 通过本次光电仪器设计，了解了光学系统的设计，光学系统镜头的准确调节，镜头装调和校验。我们在设计中遇到了各种问题，通过团队之间的合作协调，对设计实