一种新型非接触式线径测量系统

1、第25卷第4期增刊仪器仪表学报2004年8月一种新型非接触式线径测量系统李慧鹏王军张军唐文彦(哈尔滨工业大学哈尔滨150001)摘要提出了一种基于CCD影像测量法的新型非接触式线径测量系统。详细论述了系统的工作原理和结构设计。在边缘提取中,所采用的三次样条插值法计算简单、精度高。实验结果表明,该系统具有精度高、稳定性好、非接触测量、测量速度快等特点,适合检测各种线材和插针的直径,并且信号易于进行数字化处理,易于计算机联接,组成实时自动测量系统。关键词线阵CCD线径测量控制系统ANovelNoncontactMeasurmentSystemfortheDiameterofWiresLiHuipe

2、ngWangJunZhangJunTangWenyan(HarbinInstituteofT,arbin150001,China)AbstractAnovelnoncontactmeasurementsystemforofiresasonCCDimag2ingmeasurement.Thestructuralpwereexpounded.Inedgedetec2tion,cubicsplinehighaccuracy.Experimentalresultsshowedthatthesystemhadh,highnumericalstability,noncontactmeasurement,a

3、ndfastspeed,whichwasappropriateforeasuringvariouswirestocksandcontactpins,anditsuniquewasfacilitydigitalprocessed,anditiseasytoconnectwithcomputer,andcomposeauto2measuringsystem.KeywordsLinearCCDWirediametermeasurementControlsystem应用前景。41引言2测量系统的工作原理随着技术的发展,工业自动化程度越来越高。线径作为线材和插针产品的一个重要参数指标,对其用卡尺进行手工

4、测量的传统方法已经无法满足现代工业自动化的要求。目前,国内外常采用激光扫描式传感器进行线径检测13本系统的工作原理如图1所示。均匀稳定的光源发出的光经发射器镜片组集中成一个平行光束,并发射出来,通过接收器内的带通滤波镜和望远镜式光学系统,然后由CCD接收。在接收器与发射器间无目标遮挡时,通过望远式光学系统的所有光束都入射到CCD感测器上,输出一个宽度为T的脉冲如图2所,但是这种方法的重复性会受到测头马达的高温及振动的影响,另外马达有速度的限制,并且会产生高热,以致降低使用寿命。CCD电荷耦合器件作为一种微型图像传感器,既有光电转换功能,又具有信号电荷的存储、转移和输出功能,它能将一幅空间域分布

5、的光学图像转换成一列时间域分布的离散信号,它具有灵敏度高,光谱响应宽,动态范围大等特点。线阵CCD,作为一种高灵敏度光电传感器,它像元尺寸小,几何精度高,配以适当的光学系统,可获得很高的空间分辨率,在工业非接触检测和控制中会有广泛示,当有目标进入视场中时,光束没被挡住的部分输出高电平,挡住的部分输出为低电平信号,则全部输出信号为双正脉冲信号,其低电平宽度t对应于目标直径=。CCD影像感测器扫描并以每秒2400次的取样率计算阴影的面积与位置,来进行目标的尺寸或位置的量测。信号接着经过控制器系统处理后再输出,达到高速、高精度的测量效果。210仪器仪表学报第25卷图1线径测量系统原理框图受到外界强光

6、的干扰,提高系统的测量可靠性。(3)CCD影像测量法的稳定性与入射光强的分布有很大关系,如图3所示,因此系统加入了光度校正功能。通过加入光度校正功能在每次测量前单片机系统图2脉宽度比值法原理示意图根据CCD,发出控制指令调整,3系统结构分析在实际工业应用中,(1)该系统采用影像测量法和连续平均值测、激光功率控制。系统的硬件框图如图4所示。当发射器发出的光束经光学系统,由CCD进行连续扫描,输出的电信号经放大、采样和补偿,由A D采样后,经D1E处理器送入DSP微机系统进行数据处理,将测量结果显示或打印。同时,在系统中增加了A D和D A转换接口,为系统的扩展提供了方便。另量,克服了传统的光束扫

7、描测法无法连续测量的缺点,因为光束扫描法的扫描线有一个角度,无法测量移动目标的实际直径。CCD采用连续平均值测量,可观察目标物体瞬间的改变,测量之间不会产生空隙,测量线永远保持平直,可提供实际的直径。(2)在CCD镜头前采用望远镜式光学系统时,系外,通过增加RS232接口系统可以非常方便与上级计算机通讯,实现人机对话。统能够只采用平行光束形成影像,可防止由于目标位置的改变而引起镜片组放大倍率的改变,并确保测量的精确度。在接收器前加入带通滤波片,可以防止系统图3校正前后光度比较图图4系统硬件原理框图第4期增刊一种新型非接触式线径测量系统2114测量系统关键技术分析目标在图像中的位置可以反映出实际

8、目标在空间中的位置,而目标本身的尺寸则反映在图像中所占像素的数目上。由于目标的边缘在图像上是一个模糊的概念,即变化剧烈的部分,所以准确的识别出目标的边缘直接关系到测量精度56图5图像处理前后对比图。这里提出了选用三次样条插值整个图像曲线,再通过选取目标图像区域,计算插值曲线的拐点,可比较精确的求出目标图像的边缘。这种算法的优点是图像曲线充分光滑,达到整体二阶连续,计算出的边缘可以达到0.1个像素以上。比起其它的细分方法,本算法容易实现,精度高。首先,整体插值。在第i到第i+1个像素之间定义三次曲线:Ri(x)=ai3x+ai2x+ai1x+ai025结论为测量线材和插针等零件的直径提供了一种新

9、型的在线动态非接触测量方法和测量系统。实验表明该测量系统测量精度高,速度快,每秒高速取样可达2400次。测量时具有省时、省力、工作可靠、效率高、所需要的测量夹具少、无磨损等特点。如果通过增加一些附件及外部设备,设计出相应的伺服控制系统、执行机构和测量基准装置等,可以实现形位误差的检测,同时,主,计算和处理,实时,实现生产中的计算机统计质参考文献1Harryprunk.Thelatestdevelopmentinmeasuringe2quipmentforonlinequalitycontrolatthecableextru2xxi,xi+1(1)曲线Ri(x)满足Ri(i)=H(i),Ri(i

10、+1)=H(i+1),H(i)表示第i个像素的灰度值,且Ri(i)和Ri+1(i)=i+1边界条件,Ri(i)。其次,需要确定目标图像曲线。由于在计算边缘时,需要对每段曲线求二阶导数,并求二阶导数的零点,如果对整条曲线计算,计算量非常大。为了简化计算,在实际处理图像时,可以通过光标选取目标图像的区域,在区域内计算二阶导数的零点。最后,计算边缘。假设,选择的曲线段有Ri,Ri+1,Ri+n,则分别计算各曲线段在定义区间的二阶导数为零的点。Ri(x)=6ai3x+2ai2i=j,j+1,j+n(2)3ai3。如果ixxi+1,则Ri(x)=0得xs=-ai2111.sion.WireJournalInternational,2000,7:1042张国玉,安志勇,李成志,等.双光束激光扫描尺寸测量系统.半导体光电,1998,5(16):320323.3邓景珊,张力,朱永茂,等.核电站燃料UO2芯块直径在线激光扫描测量.应用激光,2001,3(21):180182.4吴建兵,李川奇.CCD高精度线径测量仪.工艺仪表与自动化装置,1996,(1):2729.5雷志勇,刘群华,姜寿山,等.线阵CCD图像处理算法研说明xs是边缘点,由于图像本身的特点(目标边缘是对称的),必能找到另一边缘点在Rj,Rk。通过