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

ID:332611 · 發(fā)表于 2018-5-17 23:10

近些年來(lái)，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(gè)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(diǎn)，被大量用于非接觸式直徑測(cè)量領(lǐng)域。相對(duì)于接觸式的直徑測(cè)量方式，非接觸直徑測(cè)量具有測(cè)試速度快，精度高，對(duì)環(huán)境要求低等特點(diǎn)，因此使用范圍較廣。

本文對(duì)基于線陣CCD 的非接觸直徑測(cè)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(diǎn)（即針對(duì)直徑為60mm 的特定材料進(jìn)行測(cè)量），提出了適合本課題的具體設(shè)計(jì)方案，本方案中沒(méi)有采用常見(jiàn)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(cè)量系統(tǒng)在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用十分廣泛，對(duì)直徑實(shí)現(xiàn)高精度和快速測(cè)量在工業(yè)控制、工業(yè)生產(chǎn)中有著重要的應(yīng)用價(jià)值，基于CCD的非接觸式直徑測(cè)量方法可以在不損害被測(cè)物物理性質(zhì)的前提下完成對(duì)待測(cè)物的測(cè)量，測(cè)量速度快、精度高，而且對(duì)測(cè)量環(huán)境沒(méi)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(cè)量精度的前提下以增大測(cè)量范圍為主要目的，在查閱大量國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)，詳細(xì)分析國(guó)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?jī)?nèi)容：
(1)提出了兩套測(cè)量方法共用一套成像光路的測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)運(yùn)用光幕法和衍射法測(cè)量細(xì)圓柱體直徑，從而提高了系統(tǒng)的測(cè)量范圍，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明共用成像系統(tǒng)的兩種測(cè)量方法在測(cè)量細(xì)圓柱體直徑可以在保證測(cè)量精度的前提下，增大了測(cè)量范圍。
(2)研制了一套基于CCD的大范圍細(xì)圓柱體直徑測(cè)量系統(tǒng)。測(cè)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(jī)作為接收器。系統(tǒng)的測(cè)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(duì)遠(yuǎn)心成像系統(tǒng)對(duì)待測(cè)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(cè)量結(jié)果的誤差分析，提出二次曲線標(biāo)定方法，在測(cè)量范圍內(nèi)二次曲線標(biāo)定方法有效減小了對(duì)于直徑在O．5．1．5mm范圍內(nèi)的細(xì)絲直徑測(cè)量結(jié)果誤差。
(4)針對(duì)測(cè)量系統(tǒng)里的兩種測(cè)量方法，設(shè)計(jì)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(jì)圖形用戶界面，從而達(dá)到測(cè)量結(jié)果實(shí)時(shí)顯示。

1．3課題主要研究?jī)?nèi)容
本課題的主要工作是研究基于CCD的直徑測(cè)量系統(tǒng)，以解決國(guó)內(nèi)測(cè)量?jī)x測(cè)量范圍單一、測(cè)量精度低等問(wèn)題，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量、在線顯示測(cè)量精度與誤差大小等。以滿足現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)對(duì)不同圓柱體高精度的在線測(cè)量。論文的主要研究?jī)?nèi)容如下：
(1)研究分析基于CCD的直徑測(cè)量技術(shù)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，結(jié)合課題滿足測(cè)量直徑為40微米N40毫米的圓柱體的實(shí)際需要，選擇基于投影法和衍射法測(cè)量圓柱直徑，并研制相應(yīng)的測(cè)量系統(tǒng)。
(2)在分析光幕法測(cè)量原理和衍射法測(cè)量原理的基礎(chǔ)上，研究傳統(tǒng)的測(cè)量模型。針對(duì)傳統(tǒng)模型存在的問(wèn)題以及測(cè)量范圍廣泛的需求，設(shè)計(jì)反射式光路的成像系統(tǒng)，從而滿足不同測(cè)量方法共用一套成像系統(tǒng)。并且對(duì)比傳統(tǒng)投射光路，探究反射式光路的優(yōu)越性。
(3)針對(duì)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(duì)所的圖像的影響，如投影法測(cè)量中光束的平行、待測(cè)物所處的位置變化、邊界衍射等對(duì)邊界的影響，衍射法測(cè)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(dòng)和焦點(diǎn)光斑等對(duì)細(xì)圓柱體衍射花樣的形成的影響。
(4)針對(duì)小直徑的圓柱體衍射花樣的噪聲問(wèn)題，使用小波濾波處理，然后與真實(shí)值進(jìn)行對(duì)比。并基于MATLAB中的GUI設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)處理界面，以達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的。
(5)對(duì)本課題的研究成果進(jìn)行總結(jié)，對(duì)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(jì)
本論文的核心思想就是設(shè)計(jì)一種基于CCD的直徑測(cè)量系統(tǒng)，該測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量范圍廣，0．04mm-40mm，并可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示、在線測(cè)量。為了達(dá)到高精度、低誤差，我們采用衍射測(cè)量方法測(cè)量直徑范圍為0．04—0．5mm的細(xì)絲，采用光幕法測(cè)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(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)組成。

光源的選擇，作為測(cè)量光源，其發(fā)光強(qiáng)度和高信噪比是比較重要的參數(shù)，是衡量
光源在測(cè)量系統(tǒng)中對(duì)測(cè)量精度影響的重要標(biāo)準(zhǔn)，目前，光源種類繁多，適用的場(chǎng)合及
系統(tǒng)也不相同，所以在使用光源時(shí)，應(yīng)考慮到根據(jù)不同的使用目的和系統(tǒng)要求來(lái)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(diǎn)：
(1)光源的尺寸和形狀靈活性大。(2)壽命長(zhǎng)。由于光源在用于在線測(cè)量系統(tǒng)中時(shí)，往往要求光源照射持續(xù)時(shí)間足夠長(zhǎng)，便于數(shù)據(jù)的不間斷采集。(3)響應(yīng)時(shí)間短，可以使工作過(guò)程中沒(méi)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(qiáng)穩(wěn)定性好、便于調(diào)制、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，并且對(duì)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中選擇激光作為衍射測(cè)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(hào)為DH—HNl200的氦氖激光器。由于投影法測(cè)量實(shí)驗(yàn)中光幕的光能分布對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有影響【51，所以選用了大恒公司型號(hào)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(huì)在后續(xù)測(cè)量原理中介紹。

CCD相機(jī)選擇，傳統(tǒng)的基于CCD的非接觸式直徑測(cè)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(cè)量時(shí)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(duì)測(cè)量裝置自身的精度有著苛刻的要求、對(duì)測(cè)量工件的位置亦要求絕對(duì)靜止，增加了測(cè)量的難度，并且測(cè)量的精度也不能得到保證。而在實(shí)際測(cè)量中保證二者絕對(duì)垂直基本是不可能做到的，因此采集的圖像都多多少少會(huì)偏離CCD的中線，此時(shí)線陣CCD采集到的光強(qiáng)分布與實(shí)際的光強(qiáng)分布有一定的出入，直接用于后續(xù)處理計(jì)算將直接影響測(cè)量結(jié)果的精度。在測(cè)量系統(tǒng)中采用面陣CCD作為圖像傳感器，不但彌補(bǔ)了線陣CCD在測(cè)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(guò)提取才能得到有效信息，對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理速度有相當(dāng)?shù)囊�。所以根�?jù)以上分析可知，在基于CCD的非接觸式直徑測(cè)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(jī)，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(huì)在后續(xù)測(cè)量原理中介紹。

2．2基于CCD測(cè)量系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)
傳統(tǒng)的非接觸式直徑測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量往往都是基于一種測(cè)量方法的，這樣會(huì)導(dǎo)致測(cè)量范圍單一，很難廣泛應(yīng)用。所以我們提出了基于兩種測(cè)量方法(投影法和衍射法)的直徑測(cè)量系統(tǒng)，這兩種測(cè)量方法共用成像系統(tǒng)，這樣測(cè)量時(shí)只需要更換光源就可以測(cè)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(cè)量直徑和衍射測(cè)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(jiǎn)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(wú)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(cè)量及恒定的放大率，這系列產(chǎn)品的另一個(gè)特點(diǎn)是具有較長(zhǎng)的焦深，能達(dá)幾個(gè)毫米，可廣泛適用于各種精密測(cè)量。

傳統(tǒng)的非接觸式測(cè)量方法光路中成像部分均采用透射式，即待測(cè)物所成圖像直接經(jīng)過(guò)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(guò)由于我們的待測(cè)物體直徑變化范圍廣，而且遠(yuǎn)心透鏡的工作距離是一個(gè)定值，所以當(dāng)更換待測(cè)物時(shí)會(huì)導(dǎo)致待測(cè)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(cè)量。而且如果光源的平行光準(zhǔn)直度不夠也會(huì)引起很大誤差。其次更重要的是關(guān)于衍射測(cè)量中，由于激光光強(qiáng)大，所以中央亮紋會(huì)使CCD上的感光元件過(guò)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(cè)物體位置變化并不會(huì)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(cè)量結(jié)果比較會(huì)在后續(xù)章節(jié)的數(shù)據(jù)分析里進(jìn)行。

光幕法直徑測(cè)量方法一般有放大成像法和平行光成像法，由于我們?cè)O(shè)計(jì)的測(cè)量系統(tǒng)需要測(cè)量范圍盡量大，測(cè)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(jiǎn)化光路擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)也選用了圓心透鏡，這樣整個(gè)光路得到了簡(jiǎn)化。

光幕法直徑測(cè)量方法中，LED光源發(fā)出的光通過(guò)球透鏡匯聚到遠(yuǎn)心鏡頭1，再通過(guò)遠(yuǎn)心鏡頭擴(kuò)束為平行光束，平行光束被待測(cè)物體遮擋后形成陰影區(qū)，從而白屏上會(huì)形成陰影圖樣，白屏上的陰影圖樣會(huì)通過(guò)半透半反鏡、遠(yuǎn)心鏡頭2成像在CCD相機(jī)上，從而通過(guò)計(jì)算機(jī)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(cè)物體直徑成正比。相機(jī)得到的是像素1280x1024的圖片，我們只要對(duì)相機(jī)的像素進(jìn)行標(biāo)定，再確定陰影部分寬度的像素?cái)?shù)就可以得到待測(cè)物體直徑。

被測(cè)物經(jīng)遠(yuǎn)心透鏡在CCD相機(jī)上成像，像的尺寸與被測(cè)物實(shí)際尺寸成一定的比例。設(shè)圖像中陰影部分寬度所占像素?cái)?shù)為N，比例系數(shù)為k，則被測(cè)物體的實(shí)際尺寸D可由D=塒來(lái)表示，k表示每個(gè)像素所代表的實(shí)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(duì)應(yīng)于像所占的象元數(shù)量與單個(gè)象元尺寸的乘積，也就是測(cè)量得到的待測(cè)物直徑。求k值的過(guò)程也叫定標(biāo)。

定標(biāo)的具體方法是：先把一個(gè)已知尺寸為厶的標(biāo)準(zhǔn)物體放在被測(cè)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(cè)目標(biāo)三。置于該位置，測(cè)出對(duì)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(duì)位置不能改變，如有改變，則測(cè)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(cè)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?cè)诰€實(shí)時(shí)測(cè)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(jiǎn)單，不過(guò)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(shí)修正部分誤差，即二次標(biāo)定法【15】。二次標(biāo)定中待測(cè)物直徑三，與圖像中陰影所占像素?cái)?shù)札滿足

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

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