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CCD非接触式测径系统的设计及误差分析 工程技术武汉船舶职业技术学院学报2008年第6期 CCD非接触式测径系统的设计及误差分析 戴梦楠 (武汉软件工程职业学院,湖北武汉430205) 摘要线阵CCD是一种新型的光电传感器件,它在实时测量方面有着广泛的应用,本文介绍一种CCD非接触式测径 系统的原理及系统的组成,并在此基础上讨论了采用线阵CCD作为光电转换器件在实时测量物体时的系统误差,进而 提出减少这些误差的措施. 关键词线阵CCD测径系统;系统误差;非接触式 中图分类号TG87文献标志码A文章编号1671—8100(2008)06一OO48一O4 随着科学技术的不断发展,大规模的自动化 生产,对被加工零件几何尺寸的测量要求速度快, 精度高,非接触,动态和自动化.在这种情况下, 研制出一种零件尺寸自动测量系统,实现产品零 件尺寸的快速动态测量和分选,提高测量和检测 速度,减少测量过程中所带来的人为误差,以便适 应当前自动化生产的需要,提高经济效益,减轻以 至解除工人繁重的检测工作. 以往在线测量几何尺寸,由于光电转换器件 的局限性,使测量系统不仅机构复杂,而且在性能 方面也难以满足精度和速度方面越来越高的要 求.目前CCD器件的应用,使这些问题得到了很 好的解决.由于CCD本身具有的自扫描,高分辨 率,高灵敏度以及结构紧凑,象素位置准确等特 性,CCD尺寸测量技术作为一种非常有效的非接 触检测方法被广泛应用在工件尺寸在线检测,这 种测量方法无需配置复杂的机械运动机构,从而 减少了产生系统误差的来源. 1CCD测径的工作原理 采用光学投影成像,CCD器件光电接收的外 径测量原理是:通过光学系统将被测工件的直径 尺寸以一定的,准确的倍率成像于CCD光敏面 上,对CCD输出信号进行A/D转换,送往计算 机,实现相应的测量.计算公为一 其中,d——被测工件直径值;a——ccD光 敏元尺寸;——光学成像系统放大率;N——被 测件经光学系统成像后在CCD光敏区所遮挡的 光敏元数. 测量原理系统的工作原理框图如图1. 图1测量原理图 1.1照明系统 测量外径原理,并不是对外径的尺寸直接度 量,直接测量的是外径在CCD像敏单元上的图像 尺寸.由于被测件自身不发光,因而,光学系统必 须包含照明系统.对照明系统有三个要求:一,光 源应发射与CCD光谱响应特性相匹配的光;二, 光源光强不能超出CCD的最低响应度与饱和曝 光量之间的范围;三,像面上的照度要稳定,均匀, 以防止超出CCD的动态范围.成像系统应把工 件按一定的倍率要求成像在CCD的像敏面上,且 成像质量要好. 1.2光学系统 最常用的三种光学系统,分别是平行光照明 不通过成像系统,用平行光照明的成像系统,激光 照明系统.考虑到是平行光照明系统是线径测量 收稿日期:2008—0620 作者简介:戴梦楠,女,武汉软件工程职业学院助教,学士学位,主要从事激光,光电检测技术工作. 48 CCD非接触式测径系统的设计及误差分析戴梦楠 的标准系统,且精度较高,经过比较,我们采用平 行光成像法,如图2所示. 待测物透镜CCI) 图2平行光成像法 成像系统放大倍率一般大于1,由于孑L径光 阑置于成像物镜的后焦面上,形成远心光路,使线 阵上得到的细丝像宽度不随细丝前后摆动而变 化.又采用平行光照明,使细丝前后摆动在线阵 上造成的影像边缘过渡区很小,即可得到边缘清 晰的像. 1.3CCD器件 采用光学投影成像法测量直径,将被测件的 图像信号转变成电信号.这一过程我们是用电荷 耦合器件CCD完成的,CCD通过像敏元上的像 敏单元将图像照度信号,在光积分期间转变成电 荷信号贮存于像敏单元势阱中,再转移到移位寄 存器,在驱动脉冲的作用下按顺序移出器件称为 视频信号. 1.4CCD视频信号的处理 在不要求图像灰度的系统中,为提高处理速 度和降低成本尽可能采用二值化图形处理方法. 光学系统把被测对象成像在CCD光敏单元上, 由于被测物与背景在光强上的变化反映在CCD 视频信号中对应的图像尺寸边界处会有明显的电 平变化,通过二值化处理把CCD视频信号中图 像尺寸部分与背景部分分离成二值电平.实现 CCD视频信号二值化的方法很多,一般都采用 硬件电路来实现.其中数值量化法是经过A/D 转换将CCD输出的反映光强信息的电压值进行 量化处理,然后借助于计算机并结合一定的算法, 对量化的数据进行处理,可以得到精确的测量值 的一种方法.信号的A/D数据采集与计算机接 口的方式很多,本实验所用的A/D数据采集卡 是采用ISA总线接口方式. 2测径系统的总体结构 高精度稳定光源电源采用天津大学为CCD 光电精密测量仪器中所配的光源. 光源:为了和CCD的光谱曲线相配合,使 CCD的光谱响应最大,采用功率为3w的白炽 灯. 摄像物镜