基于CCD的大范圍衍射法細(xì)絲直徑測量系統(tǒng)研究與設(shè)計

ID:332611 · 發(fā)表于 2018-5-17 23:10

近些年來，伴隨著半導(dǎo)體技術(shù)與光電子學(xué)科技的迅速發(fā)展，在各個領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用著大量光電器件。其中，電荷耦合器件（CCD）由于具有光電轉(zhuǎn)換、像元尺寸小、幾何精度高、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，被大量用于非接觸式直徑測量領(lǐng)域。相對于接觸式的直徑測量方式，非接觸直徑測量具有測試速度快，精度高，對環(huán)境要求低等特點，因此使用范圍較廣。

本文對基于線陣CCD 的非接觸直徑測量系統(tǒng)進(jìn)行了較為全面的研究，并結(jié)合本課題的特點（即針對直徑為60mm 的特定材料進(jìn)行測量），提出了適合本課題的具體設(shè)計方案，本方案中沒有采用常見的光學(xué)成像系統(tǒng)，而是直接采用發(fā)光二極管作為光源照明。

直徑測量系統(tǒng)在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用十分廣泛，對直徑實現(xiàn)高精度和快速測量在工業(yè)控制、工業(yè)生產(chǎn)中有著重要的應(yīng)用價值，基于CCD的非接觸式直徑測量方法可以在不損害被測物物理性質(zhì)的前提下完成對待測物的測量，測量速度快、精度高，而且對測量環(huán)境沒有特殊要求，在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用十分廣泛。本文在保證測量精度的前提下以增大測量范圍為主要目的，在查閱大量國內(nèi)外文獻(xiàn)，詳細(xì)分析國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，主要完成了以下幾方面的研究內(nèi)容：
(1)提出了兩套測量方法共用一套成像光路的測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)運用光幕法和衍射法測量細(xì)圓柱體直徑，從而提高了系統(tǒng)的測量范圍，實驗結(jié)果表明共用成像系統(tǒng)的兩種測量方法在測量細(xì)圓柱體直徑可以在保證測量精度的前提下，增大了測量范圍。
(2)研制了一套基于CCD的大范圍細(xì)圓柱體直徑測量系統(tǒng)。測量系統(tǒng)選用氦氖激光器和大功率LED作為光源，面陣CCD相機作為接收器。系統(tǒng)的測量范圍是0．04--40mm．系統(tǒng)研究了透射式成像光路和反射式成像光路的區(qū)別，并分析了針對遠(yuǎn)心成像系統(tǒng)對待測物空間位置的要求。
(3)根據(jù)常用的CCD標(biāo)定方法，以及標(biāo)定后的測量結(jié)果的誤差分析，提出二次曲線標(biāo)定方法，在測量范圍內(nèi)二次曲線標(biāo)定方法有效減小了對于直徑在O．5．1．5mm范圍內(nèi)的細(xì)絲直徑測量結(jié)果誤差。
(4)針對測量系統(tǒng)里的兩種測量方法，設(shè)計相應(yīng)的圖像處理及數(shù)據(jù)分析程序，并在MATLAB環(huán)境下設(shè)計圖形用戶界面，從而達(dá)到測量結(jié)果實時顯示。

1．3課題主要研究內(nèi)容
本課題的主要工作是研究基于CCD的直徑測量系統(tǒng)，以解決國內(nèi)測量儀測量范圍單一、測量精度低等問題，可實現(xiàn)實時測量、在線顯示測量精度與誤差大小等。以滿足現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)對不同圓柱體高精度的在線測量。論文的主要研究內(nèi)容如下：
(1)研究分析基于CCD的直徑測量技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，結(jié)合課題滿足測量直徑為40微米N40毫米的圓柱體的實際需要，選擇基于投影法和衍射法測量圓柱直徑，并研制相應(yīng)的測量系統(tǒng)。
(2)在分析光幕法測量原理和衍射法測量原理的基礎(chǔ)上，研究傳統(tǒng)的測量模型。針對傳統(tǒng)模型存在的問題以及測量范圍廣泛的需求，設(shè)計反射式光路的成像系統(tǒng)，從而滿足不同測量方法共用一套成像系統(tǒng)。并且對比傳統(tǒng)投射光路，探究反射式光路的優(yōu)越性。
(3)針對圓柱體投影法和衍射法得到的圖樣，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，以及誤差矯正。
一次修正系統(tǒng)誤差和二次修正系統(tǒng)誤差，詳細(xì)分析各種因素對所的圖像的影響，如投影法測量中光束的平行、待測物所處的位置變化、邊界衍射等對邊界的影響，衍射法測量中自噪聲、LD光源的高斯特性、細(xì)圓柱體空間位置及外界擾動和焦點光斑等對細(xì)圓柱體衍射花樣的形成的影響。
(4)針對小直徑的圓柱體衍射花樣的噪聲問題，使用小波濾波處理，然后與真實值進(jìn)行對比。并基于MATLAB中的GUI設(shè)計數(shù)據(jù)處理界面，以達(dá)到實時監(jiān)測的目的。
(5)對本課題的研究成果進(jìn)行總結(jié)，對該系統(tǒng)的應(yīng)用前景進(jìn)行展望。

2．1 引言
2系統(tǒng)工作原理及整體方案設(shè)計
本論文的核心思想就是設(shè)計一種基于CCD的直徑測量系統(tǒng)，該測量系統(tǒng)測量范圍廣，0．04mm-40mm，并可實現(xiàn)實時顯示、在線測量。為了達(dá)到高精度、低誤差，我們采用衍射測量方法測量直徑范圍為0．04—0．5mm的細(xì)絲，采用光幕法測量直徑范圍為0．5—40mm的細(xì)圓柱。
本系統(tǒng)由光源，擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)，成像系統(tǒng)，計算機處理系統(tǒng)組成。

光源的選擇，作為測量光源，其發(fā)光強度和高信噪比是比較重要的參數(shù)，是衡量
光源在測量系統(tǒng)中對測量精度影響的重要標(biāo)準(zhǔn)，目前，光源種類繁多，適用的場合及
系統(tǒng)也不相同，所以在使用光源時，應(yīng)考慮到根據(jù)不同的使用目的和系統(tǒng)要求來選
擇不同的光源，還要考慮二者的光譜匹配情況。這里介紹可供選擇的兩種光源：LED
光源和激光光源。
LED光源的特性主要有如下幾點：
(1)光源的尺寸和形狀靈活性大。(2)壽命長。由于光源在用于在線測量系統(tǒng)中時，往往要求光源照射持續(xù)時間足夠長，便于數(shù)據(jù)的不間斷采集。(3)響應(yīng)時間短，可以使工作過程中沒有延遲。(4)光源顏色多選。(5)成本低，體積小，重量輕。激光光源具有單色性好、能量集中、光強穩(wěn)定性好、便于調(diào)制、結(jié)構(gòu)簡單的特點，并且對激光器功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，光斑亮度改變靈敏，亮度較均勻，基本符合實驗使用要求。而且LED光源頻譜較寬，不利于衍射邊界的提取。所以實驗中選擇激光作為衍射測量的光源，具體選用的是大恒新紀(jì)元科技股份有限公司型號為DH—HNl200的氦氖激光器。由于投影法測量實驗中光幕的光能分布對實驗結(jié)果有影響【51，所以選用了大恒公司型號為GCI一060401的大功率LED作為光源。
光路中擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)、成像系統(tǒng)、CCD接收系統(tǒng)的具體選型會在后續(xù)測量原理中介紹。

CCD相機選擇，傳統(tǒng)的基于CCD的非接觸式直徑測量裝置采用的圖像傳感器都是線陣CCD，只能接收一維圖像信息，測量時需要嚴(yán)格保證細(xì)圓柱體與線陣CCD的位置垂直，這不但對測量裝置自身的精度有著苛刻的要求、對測量工件的位置亦要求絕對靜止，增加了測量的難度，并且測量的精度也不能得到保證。而在實際測量中保證二者絕對垂直基本是不可能做到的，因此采集的圖像都多多少少會偏離CCD的中線，此時線陣CCD采集到的光強分布與實際的光強分布有一定的出入，直接用于后續(xù)處理計算將直接影響測量結(jié)果的精度。在測量系統(tǒng)中采用面陣CCD作為圖像傳感器，不但彌補了線陣CCD在測量中的局限性，并能完全不用考慮二者是否垂直這一苛刻條件。當(dāng)然采用面陣CCD作為細(xì)圓柱體衍射花樣的接收器件也有其不足：線陣CCD可以直接得到特征信息，而面陣CCD接收的圖像必須經(jīng)過提取才能得到有效信息，對測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理速度有相當(dāng)?shù)囊蟆Ｋ愿鶕?jù)以上分析可知，在基于CCD的非接觸式直徑測量系統(tǒng)中使用面陣CCD作為圖像接收設(shè)備十分必要。所以我們選擇了面陣CCD相機，像元數(shù)為1280x1024。光路中擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)、成像系統(tǒng)等的具體選型會在后續(xù)測量原理中介紹。

2．2基于CCD測量系統(tǒng)整體方案設(shè)計
傳統(tǒng)的非接觸式直徑測量系統(tǒng)測量往往都是基于一種測量方法的，這樣會導(dǎo)致測量范圍單一，很難廣泛應(yīng)用。所以我們提出了基于兩種測量方法(投影法和衍射法)的直徑測量系統(tǒng)，這兩種測量方法共用成像系統(tǒng)，這樣測量時只需要更換光源就可以測量直徑為0．04mm～0．5mm的細(xì)絲和直徑在0．5mm～40mm范圍的細(xì)圓柱體。
傳統(tǒng)的投影法測量直徑和衍射測量方法的原理圖如圖2—1和圖2．2所示，傳統(tǒng)光路比較復(fù)雜，所以為簡化光路，我們用遠(yuǎn)心鏡頭代替了成像光路，選用的是大恒GCO一23遠(yuǎn)心鏡頭。遠(yuǎn)心鏡頭由前后組鏡頭組合而成，前后組鏡頭的共焦面處裝有光闌，使其主光線在物方及像方均與光軸平行，入瞳和出瞳在無窮遠(yuǎn)。在物面、像面略不垂直于光軸或稍有離焦的情況下可保證恒定的透視測量及恒定的放大率，這系列產(chǎn)品的另一個特點是具有較長的焦深，能達(dá)幾個毫米，可廣泛適用于各種精密測量。

傳統(tǒng)的非接觸式測量方法光路中成像部分均采用透射式，即待測物所成圖像直接經(jīng)過成像透鏡成在CCD上，這種成像光路可使CCD上所成圖像邊界清晰，不過由于我們的待測物體直徑變化范圍廣，而且遠(yuǎn)心透鏡的工作距離是一個定值，所以當(dāng)更換待測物時會導(dǎo)致待測物到遠(yuǎn)心透鏡的距離發(fā)生變化，從而使CCD上圖像邊界變得不清晰，影響測量。而且如果光源的平行光準(zhǔn)直度不夠也會引起很大誤差。其次更重要的是關(guān)于衍射測量中，由于激光光強大，所以中央亮紋會使CCD上的感光元件過于飽和，從而激發(fā)周圍感光元件，影響衍射條紋的后續(xù)處理。綜合以上考慮，我們提出并選用了反射式成像光路，這樣待測物體位置變化并不會改變遠(yuǎn)心鏡頭的工作距離，所以從原理上分析選擇反射式成像光路更佳，兩種成像光路的測量結(jié)果比較會在后續(xù)章節(jié)的數(shù)據(jù)分析里進(jìn)行。

光幕法直徑測量方法一般有放大成像法和平行光成像法，由于我們設(shè)計的測量系統(tǒng)需要測量范圍盡量大，測量范圍又受到成像透鏡尺寸制約，所以光幕法光源選用平行光。要獲得平行光需要擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)，為了簡化光路擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)也選用了圓心透鏡，這樣整個光路得到了簡化。

光幕法直徑測量方法中，LED光源發(fā)出的光通過球透鏡匯聚到遠(yuǎn)心鏡頭1，再通過遠(yuǎn)心鏡頭擴(kuò)束為平行光束，平行光束被待測物體遮擋后形成陰影區(qū)，從而白屏上會形成陰影圖樣，白屏上的陰影圖樣會通過半透半反鏡、遠(yuǎn)心鏡頭2成像在CCD相機上，從而通過計算機采集到陰影圖像。根據(jù)成像原理可知，采集到圖像中的陰影寬度與待測物體直徑成正比。相機得到的是像素1280x1024的圖片，我們只要對相機的像素進(jìn)行標(biāo)定，再確定陰影部分寬度的像素數(shù)就可以得到待測物體直徑。

被測物經(jīng)遠(yuǎn)心透鏡在CCD相機上成像，像的尺寸與被測物實際尺寸成一定的比例。設(shè)圖像中陰影部分寬度所占像素數(shù)為N，比例系數(shù)為k，則被測物體的實際尺寸D可由D=塒來表示，k表示每個像素所代表的實際尺寸，它與光學(xué)成像系統(tǒng)的放大倍率、CCD象元尺寸等因素有關(guān)。丁對應(yīng)于像所占的象元數(shù)量與單個象元尺寸的乘積，也就是測量得到的待測物直徑。求k值的過程也叫定標(biāo)。

定標(biāo)的具體方法是：先把一個已知尺寸為厶的標(biāo)準(zhǔn)物體放在被測目標(biāo)位置，得到該物體的像所占據(jù)的CCD象元數(shù)“，從k=厶／眠可以得到系統(tǒng)的k值，然后再把被測目標(biāo)三。置于該位置，測出對應(yīng)的CCD象元數(shù)Ⅳ，，由三。=塒。就可以最終算出三，值。定標(biāo)需要光學(xué)系統(tǒng)保持恒定，即系統(tǒng)各部件之間工作距離和相對位置不能改變，如有改變，則測量前需要重新定標(biāo)。我們選定的反射式成像光路固定了待測物及成像光路的位置，這樣系統(tǒng)標(biāo)定只需要標(biāo)定一次，為我們在線實時測量奠定了基礎(chǔ)。
這種標(biāo)定方法成為一次標(biāo)定法，這種標(biāo)定方法簡單，不過系統(tǒng)誤差不可忽略，所以可以引入系統(tǒng)誤差，在標(biāo)定時修正部分誤差，即二次標(biāo)定法【15】。二次標(biāo)定中待測物直徑三，與圖像中陰影所占像素數(shù)札滿足

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4 碩士學(xué)論文 48頁北京交通大學(xué).pdf (5.71 MB, 下載次數(shù): 21)

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