光電儀器光學設計

1、 目錄第一章 引言-21.1 研究背景及意義-21.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀-3第二章 測量原理和方案論證-52.1 光成像法測量鋼板厚度-52.2 射線測量鋼板厚度-72.3 線陣ccd在線測量鋼板厚度-82.4 可實施性分析-10第三章 光學系統(tǒng)的設計-113.1 光電傳感器-113.2 光學系統(tǒng)的設計-123.3 測量方案及誤差分析-133.4 本章小結(jié)-17第四章 精度分析-174.1 理論分析-174.2 系統(tǒng)誤差-18第五章 總結(jié)-18參考文獻-19第一章 引言1.1研究背景及意義儀器指科學技術(shù)上用于實驗、計量、觀測、檢驗、繪圖等的器具或裝置。通常是為某一特定用途所準備的一套裝置或機器。

2、儀器通常用于科學研究或技術(shù)測量、工業(yè)自動化過程控制、生產(chǎn)等用途，一般來說專用于一個目的的設備或裝置。儀器構(gòu)造較為復雜，屬于高新技術(shù)產(chǎn)品；由多個部件組成的。儀器體積、重量、形狀有各種各樣，最小的可以直接拿在手中操作，較大體積的儀器一般被稱為裝置或設備。經(jīng)濟的發(fā)展，科技的進步對儀器提出了更高更新的要求。儀器儀表的發(fā)展趨勢是不斷利用新的工作原理和采用新材料，新的元器件，例如超聲波，微波，射線，紅外線，核磁共振，超導，激光等原理和采用各種新型半導體敏感文件，集成電路，集成光路，光導纖維等元器件。其目的是實現(xiàn)儀器儀表的小型化，減輕重量，降低生產(chǎn)成本和更便于使用和維修等。另一重要趨勢是通過微型計算機的使用

3、來提高儀器儀表的性能，提高哦該儀器儀表本身自動化，智能化程度和數(shù)據(jù)處理能力。儀器儀表不僅供單項使用，而且可能過標準接口和數(shù)據(jù)通道與電子計算機結(jié)合起來，組成各種測試控制綜合管理系統(tǒng)，滿足更高要求。而當今光電儀器逐漸滲透到工業(yè)生產(chǎn)，生活中。它的水平是科學技術(shù)現(xiàn)代化的重要標志，沒有現(xiàn)代化的光電儀器，國民經(jīng)濟無法發(fā)展的，因此，現(xiàn)在的工業(yè)生產(chǎn)中一廣泛的采用了光電儀器，能夠過呢更快，更準的得到測量結(jié)果，并且對此無法采用傳統(tǒng)方法測量的測件進行測量，大大提高了工藝產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)效率。隨著現(xiàn)代化工業(yè)和科學技術(shù)的發(fā)展，對物體幾何尺寸的測量，特別對鋼板厚度的測量提出了更高的要求。傳統(tǒng)卡尺的測量，測量物體須和卡尺接觸，屬

4、于接觸式測量，而傳統(tǒng)的光學測量，耗時長，而且無法實現(xiàn)在線測量，總的來說，在現(xiàn)代工業(yè)和科學技術(shù)的發(fā)展中，對鋼板厚度的測量提出的新要求是高精度，高速度和非接觸測量。顯而易見，傳統(tǒng)方法便林所提要求已顯得力不從心，滿足不了人們的要求，作為一種非接觸式測量；光學圖像測量是現(xiàn)代社會的 一種新技術(shù)。所謂光學圖像測量就是測量被測對象時，利用傳遞信息并從中獲得有用信號的測量。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀自20世紀60年代末期貝爾實驗室發(fā)明ccd圖像傳感器以來，ccd便成了光電檢測領(lǐng)域重要的應用器件。在工業(yè)現(xiàn)場，結(jié)構(gòu)光以其獨特的優(yōu)點被廣泛運用于高精度測量中。點結(jié)構(gòu)光多用于基于三角測量原理的測量系統(tǒng)中，多線結(jié)構(gòu)光和網(wǎng)格結(jié)

5、構(gòu)光則多用于三維建模和人工智能。隨著檢測及傳感器、電子信息、計算機、通訊等技術(shù)的發(fā)展，鋼板測寬儀經(jīng)歷了光機掃描式、主動式ccd光電、被動式ccd光電到激光輔助ccd光電幾種測寬儀的發(fā)展。從方法上，大致有機械接觸式測寬法、電視測量法、線陣ccd 測寬、激光測寬等，但存在精度不高、勞動強度大、技術(shù)實現(xiàn)復雜，甚至有的還有一定的輻射。利用ccd技術(shù)對產(chǎn)品表面質(zhì)量進行實時檢測、動態(tài)測量，具有結(jié)構(gòu)簡單、非接觸、精度高、測量速度快、性能穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。攝像頭的主要傳感部件是ccd，它具有靈敏度高、畸變小、壽命長、抗震動、抗磁場、體積小、無殘影等特點。ccd器件的原理是：當具有與其襯底材料相匹配的光譜特性的光

6、照射到ccd芯片上時，由于光敏像元所接受的光強的不同而產(chǎn)生相對應大小的光生電荷。電荷信號經(jīng)過處理后，便可得到與原圖像相似的顯示圖像。近年來，基于ccd的檢測技術(shù)在工業(yè)在線檢測的各個領(lǐng)域十分活躍，其獨特的空間特性和結(jié)構(gòu)特性，是其它檢測方法所不能代替的。以ccd為傳感器的各種非接觸尺寸檢測方法，較之傳統(tǒng)的機械式、光學式、電磁式測量方法，在像采集及處理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)終端系統(tǒng)組成，如圖1-1所示。ccd相機安裝在剪機前輥道的上方，相機數(shù)量可根據(jù)測量范圍與測量精度而定。首先，以剪機的剪刃口為基準線，確定每個相機的空中參數(shù)，每臺相機的視頻信號通過可編程視頻切換器接入微機中擴展的圖像采集卡，微機對所攝鋼板圖像進

7、行預處理、邊緣提取、自動識別后，剔除鋼板缺陷后得到鋼板的長度和寬度，在鋼板運動中進行動態(tài)跟蹤測量，實時顯示規(guī)劃尺寸離剪刃口的距離，進行幾何尺寸的規(guī)劃、引導剪切，并把剪切時的尺寸送至鋼板尺寸標定現(xiàn)場。該系統(tǒng)不用附加任何激光掃描機構(gòu)，在微機控制下，形成一測量場，對鋼板厚度進行在線自動測量，并動態(tài)地引導鋼板的剪切。該系統(tǒng)已于一九九四年七月在武鋼軋板廠正式投入運行，情況良好。該系統(tǒng)的缺點主要是光學成像方程復雜，計算時間長，計算量大，而且這一系統(tǒng)成本較高，對于中小型鋼板廠不是經(jīng)濟的選擇。實現(xiàn)尺寸檢測的智能化和自動化方面具有很大的優(yōu)越性。特別是線陣ccd因其具有自掃描的特性，能夠?qū)⒐鈱W圖像變換成按空間域分

8、布的離散電壓信號，繼而通過計算機系統(tǒng)對其進行各種處理，以實現(xiàn)高精度、高分辨率的檢測?；赾cd的檢測技術(shù)在鋼板尺寸檢測方面的應用主要有以下幾種： 1、ccd冷卻鋼坯在線測量系統(tǒng)，其特色是在同一像平面上采用三塊線列ccd圖像傳感器。應用線列ccd圖像傳感器接收來自冷卻鋼坯的輻射能，將其轉(zhuǎn)換成電信號，由信號處理電路提取ccd輸出信號中對應鋼坯的邊緣點的信息，并根據(jù)測長儀的數(shù)學模型導出的測長算法，便可算出冷卻鋼坯的厚度值。在視場中，當冷卻鋼坯出現(xiàn)中心平移400ram和偏轉(zhuǎn)角15時，能有效地測量。測長相對誤差±1% 2、激光掃描ccd測長，用氦氖激光器產(chǎn)生的激光束作為光源，掃描照射到空間物體

9、表面上，通過光學系統(tǒng)分別把照射到物體表面的激光點成像到光學像平面的ccdx及ccdz的光敏元上，然后轉(zhuǎn)換為電信號處理，得到相應位置量tx，tz，通過標準測量模型x=fl(tx,tz)，z=f2(tx,tz)，進而得到光點掃描照射到物體上該點的空間坐標(x,z)。3、目前，應用于鋼板測寬系統(tǒng)中的光學系統(tǒng)多采用平行光、雙ccd傳感器為基礎，在進行寬度測量時采用圖像處理和硬件設備標定相結(jié)合的測量方式。在該項目中寬度測量是由兩個與鋼板前進方向并行排放的攝像機共同完成的，如圖1-2所示。系統(tǒng)中鋼板寬度測量值l由三部分組成，先設計出兩個傳感器ccdl與ccd2的距離l1，然后根據(jù)ccdl、ccd2成像測出

10、邊緣值的大小l2、l3，就可得出鋼板的寬度l=li+l2+l3。該系統(tǒng)主要存在的問題有(1)對平行光源的平行度要求很高。(2)安裝精度要求高，如果雙ccd間的l1出現(xiàn)誤差，對測量的結(jié)果將帶來極大的影響。 圖1-1 雙ccd寬度測量系統(tǒng) 第二章 測量原理和方案論證2.1 光成像法測量鋼板厚度基于ccd器件的尺寸測量 1 ,2 采用的是光成像法,其測量原理如圖1所示:該系統(tǒng)包括光源,ccd傳感器、ccd視頻信號處理模塊、單片機控制與被測工件尺寸顯示模塊等。 圖 1 其工作原理為:光照射在被測工件上,將被測工件成像于ccd器件光敏面上, ccd 器件被光照射部位將產(chǎn)生光生電荷,通過后置電路對光生電荷

11、進行采集,將采集的ccd信號輸出到模擬信號處理模塊;模擬信號處理模塊對信號進行濾波、箝位、二值化等處理后得到反映被測工件尺寸大小的數(shù)字信號;經(jīng)計算機對數(shù)字信號進行前后邊沿提取,把數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為反映尺寸大小的脈沖計數(shù)值,并通過軟件處理后,進行被測尺寸顯示,從而完成對被測工件尺寸的測量。 采用ccd器件進行尺寸測量時,隨著被測尺寸大小的不同,測量方案也有所有不同,相應的,對測量誤差分析也不一樣。本文將被測尺寸大小(l,單位:mm)按照ccd器件芯片感光面長度(b,單位:mm)進行分類:(1)微小尺寸測量:l1mm ;(2)一般尺寸測量:1mm < lb;(3)較大尺寸測量: b<l&l

12、t; 2b ;(4)大尺寸測量:2b < l?；赾cd的尺寸測量一般采用非接觸測量方式,由于ccd器件 1 有精度高、動態(tài)性能好、便于同計算機組成高性能測控系統(tǒng)等特點,被廣泛的應用于各種加工件的在線檢測和高精度、高速度的檢測技術(shù)領(lǐng)域。采用ccd器件進行尺寸測量時,隨著被測尺寸大小的不同,所采用的檢測方案及相應產(chǎn)生的測量誤差也不同,本文就采用ccd器件進行一維尺寸測量的測量原理、所采用的測量方案及相應的測量誤差進行分析,并給出具體計算公式。2.2 射線測量鋼板厚度射線測厚儀的原理是利用射線檢測技術(shù)來測量鋼材厚度的儀器,其測量原理是:單能窄束射線穿過被測物體時, 強度衰減,透射強度i t

13、與被測材料的厚度t之間符合指數(shù)規(guī)律, 即 式中, io為入射射線的強度, 為被測材料對射線線性吸收系數(shù)。上式變換后為: 由此可見, 只要io, it和u已知, 被測材料的厚度t 也就確定了。目前,射線測厚儀主要用于幾何形狀簡單的鋼 板厚度和鋼管壁厚的測量, 其結(jié)構(gòu)見圖2-3所示。 2-3 鋼板厚度測量儀的結(jié)構(gòu)放射源發(fā)出的射線穿過被測鋼材, 在探測器中產(chǎn)生包含厚度信息的信號, 處理后得到鋼材的厚度 數(shù)據(jù),將數(shù)據(jù)反饋到生產(chǎn)線控制臺,用于控制軋機,從而實現(xiàn)鋼板厚度和鋼管壁厚的在線檢測和控制。測厚儀有三個重要的技術(shù)指標:最大測量厚度、靈敏度和采樣時間。最大測量厚度與放射源的選擇有關(guān), 放射源放出的射線

14、能量越大、強度越大, 最大測量厚度也越大; 靈敏度與探測器及電子電路的靈敏度有關(guān), 并受放射源種類的影響;采樣時間主要與 探測器及電子電路的響應時間有關(guān)。目前德國ims 公司生產(chǎn)的鋼板測厚儀, 可以做到測量精度為鋼板實際厚度的0. 1% ,采樣時間1 ms。2.3 線陣ccd在線測量鋼板厚度對于ccd光積分信號的處理，目前有很多種方法。單片機作為專用的微處理芯片應用于ccd信號的處理，可以實現(xiàn)在線實時測量。將單片機處理系統(tǒng)與輸入輸出系統(tǒng)結(jié)合，可以使普通測量系統(tǒng)脫離對于計算機的依賴，擺脫長距離信號傳輸?shù)母蓴_問題和計算機接口速度的瓶頸。圖2-3為鋼板寬度測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，系統(tǒng)硬件主要由兩部分組成，一

15、部分是前端線陣ccd和鏡頭組成的信號采集部分，另一部分是單片機信號處理部分。本系統(tǒng)作為非接觸測量裝置。 圖2-4 鋼板厚度測量系統(tǒng)框圖關(guān)于ccd的介紹如下：1、ccd(charge coupled device ) 意即電荷耦合器件，是一種特殊的半導體?，F(xiàn)在都習慣用ccd 當作圖像傳感器的代名詞。現(xiàn)在的ccd 圖像傳感器由三層組成：第一層：微透鏡頭；第二層：分色鏡片；第三層：感光、儲存、轉(zhuǎn)移電荷(ccd)層。2、ccd工作的基本原理：ccd的感光面是若干個獨立光刻單元的集合，它能存儲由光或電激勵產(chǎn)生的信號電荷，當對它施加特定時序的脈沖時，其存儲的信號電荷便能在ccd內(nèi)作定向傳輸，并輸出電信號。

16、3、ccd的物理結(jié)構(gòu)，ccd有表面（溝道）ccd（sccd）和埋溝ccd（bccd）兩種基本類型首先將一塊半導體基板通過光刻劃分成行×列的矩陣狀, 每個單元為一個像素單元, 在每個像素單元里, 制作出一個光感區(qū)(光感二極管)、電荷儲存區(qū)、電荷轉(zhuǎn)移區(qū)和益漏溝槽、電極等。，每一個單元對應一個像素，內(nèi)含一個光感二極管和與其一起工作的開關(guān)場效應管，轉(zhuǎn)移儲存器，像素之間還有益流溝和轉(zhuǎn)移珊等，因此感光面約占每個像素面積的1/2 左右的面積，增大感光面積很重要，因為感光面積越大，光感二極管采集的光就越多，成像質(zhì)量就越高，但是，感光區(qū)不能把面向光線射入處都做成有效感光部份，真正能感光部分的面積只是感

17、光區(qū)面向光線射入處部份面的60%90%，這就是所謂的開口率。但每個像素點的面積有限，目前解決的的辦法是在每個感光區(qū)前面加一個光學透鏡(索尼最先想出的解決辦法)，以增加受光面積，這就是ccd上的第一層微鏡頭，這樣感光面積就由微鏡片來決定了，效果非常好。數(shù)據(jù)采集是指從ccd相機輸出的串行l(wèi)vds電平信號到單片機接收模塊之間的過程。數(shù)據(jù)的采集、傳輸和處理要以一定的速度協(xié)調(diào)進行，并且要滿足以下條件：(1)數(shù)據(jù)的采集速度不能低于數(shù)據(jù)的輸出速度；(2)在相機的積分時問內(nèi)必須要將上一幀的數(shù)據(jù)處理并輸出完畢。如果上述條件不滿足，就會導致數(shù)據(jù)丟失。線陣ccd開始工作后，采集處于其正下方生產(chǎn)線上的鋼板的寬度信號，

18、當采集完一幀數(shù)據(jù)后給微處理器發(fā)出中斷信號，請求傳送數(shù)據(jù)。微處理器接收完一幀數(shù)據(jù)存入外部數(shù)據(jù)存儲空間。然后對數(shù)據(jù)進行預處理，也就是濾掉波形中的毛刺，剔除實際應用中不可能出現(xiàn)的數(shù)值。然后對處理過的數(shù)據(jù)進行計算。由于相機采用8 bit分辨率，所以每個像元值都表示為0255之間的一個十進制數(shù)值，將每個數(shù)值與預設值進行比較，若高于閾值則將高位寄存器加1，否則將低位寄存器加1。將一組2048個數(shù)值都比較完畢之后，高位寄存器的值即是線陣ccd采集到鋼板尺寸對應像敏單元數(shù)，將此值與ccd像敏單元尺寸相乘，再依據(jù)光學系統(tǒng)放大倍數(shù)就可計算出鋼板寬度，最后送上位機顯示。同時ccd進行下一幀數(shù)據(jù)的采集。當下一幀數(shù)據(jù)采

19、集完畢后，微處理器對上一幀數(shù)據(jù)的處理已經(jīng)結(jié)束，可接著進行處理，如此反復可以實現(xiàn)鋼板運動同時實時采集尺寸信號并顯示。以利于在生產(chǎn)線實時監(jiān)測軋制、切割情況。2.4 可實施性分析根據(jù)23節(jié)中提出的方案，系統(tǒng)主要由以下幾部分構(gòu)成：1)光電轉(zhuǎn)換；2)信號采集與處理的硬件實現(xiàn)；3)信號采集與處理的軟件實現(xiàn)；4)信號與上位機的通信。系統(tǒng)中，光電轉(zhuǎn)換器件使用當前在工業(yè)在線檢測領(lǐng)域使用十分廣泛的線陣ccd光電傳感器，其獨特的結(jié)構(gòu)特性和自掃描特性，能夠?qū)⒐鈱W圖像變換成按空間域分布的離散電壓信號，繼而通過微處理器(單片機)對其進行采集和處理。而數(shù)據(jù)采集與處理核心器件采用stc公司生產(chǎn)的stc89le52rc單片機，

20、它是一款性價比非常高的工業(yè)單片機，性能穩(wěn)定、完全兼容atmel公司的5l單片機。由于生產(chǎn)線上鋼板傳送速度在1.5m/s，所以本裝置對處理速度要求不是很高，而單片機具有系統(tǒng)簡單、開發(fā)容易、功能易擴展、測控能力強、可靠性高的優(yōu)點，所以采用單片機無疑是經(jīng)濟適用的選擇。對于信號采集部分，現(xiàn)有的信號采集結(jié)構(gòu)按其是否與信號處理部分分離可分為以下幾類：第一種是模擬輸入專用信號采集系統(tǒng)，該類系統(tǒng)將采集卡放置在計算機內(nèi)部，采集卡的作用是進行a/d轉(zhuǎn)換并通過計算機總線將數(shù)據(jù)送入計算機內(nèi)存，用軟件實現(xiàn)處理；第二種是模擬輸入采集處理一體化結(jié)構(gòu)，此種結(jié)構(gòu)是將采集、量化集成到一塊板卡上，一般由輸入輸出接口、a/d轉(zhuǎn)換數(shù)字

21、化單元、高速緩沖區(qū)和微處理單元構(gòu)成，這種結(jié)構(gòu)設計大大減輕了計算機的處理負荷，但增加了電路設計實現(xiàn)的難度；第三種是數(shù)字輸入，是采集和處理部分分離的采集系統(tǒng)，這類系統(tǒng)的前端是數(shù)字輸出的ccd相機，輸出的數(shù)字化信號直接接入處理器，這種采集結(jié)構(gòu)傳輸距離長、受外部干擾小開發(fā)簡單。經(jīng)過對上述幾種采集結(jié)構(gòu)的分析，了解到第一種耗費計算機資源，實時性不高，不適合大量數(shù)據(jù)的實時處理；第二種是基于母板的二次開發(fā)，仍然受到一定的限制；第三種處理結(jié)構(gòu)是為線陣ccd相機專門設計的處理系統(tǒng)，用戶接口考慮到與相機積分時間同步，采用lvds格式的數(shù)據(jù)串行傳輸，開發(fā)相對簡單、成本低，因此，我們采用第三種數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)。按照第三種采

22、集系統(tǒng)模式將數(shù)據(jù)接收部分設計如下，其原理框圖如圖2-3所示。相機輸出的是數(shù)字信號，驅(qū)動模塊用來完成對相機的時序和積分時間的控制；電平轉(zhuǎn)換模塊的作用是將相機輸出的串行l(wèi)vds格式的信號轉(zhuǎn)換成適合處理器接收的信號；數(shù)據(jù)處理模塊完成信號的處理和輸出。單片機采集到的信號含有復雜的噪聲，進行尺寸計算時要確定鋼板的邊緣，首先需要對信號進行濾波和平滑處理，剔除噪聲和斜置判別等處理。這些算法在單片機上均可以實現(xiàn)，最后將計算得到的尺寸參數(shù)通過rs232協(xié)議送上位機進行顯示，達到在線檢測的目的。圖2-5 尺寸信號采集部分結(jié)構(gòu)方案圖第三章 光學系統(tǒng)的設計鋼板尺寸測量是通過把寬度的圖像信息轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字量，然后再進

23、行濾波、平滑、二值化，最后計算出實際的尺寸值。因此，信號的采集是尺寸測量最重要的環(huán)節(jié)之一，光電傳感器是現(xiàn)階段獲得反映尺寸的離散信號的最佳選擇。由于軋鋼現(xiàn)場鋼板具有一定的傳送速度及其寬度尺寸大等特點，使得本測量系統(tǒng)相對于一般的尺寸測量系統(tǒng)必須有自身的特點。3.1 光電傳感器基于ccd的尺寸測量一般采用非接觸測量方式,由于ccd器件 1 有精度高、動態(tài)性能好、便于同計算機組成高性能測控系統(tǒng)等特點,被廣泛的應用于各種加工件的在線檢測和高精度、高速度的檢測技術(shù)領(lǐng)域。采用ccd器件進行尺寸測量時,隨著被測尺寸大小的不同,所采用的檢測方案及相應產(chǎn)生的測量誤差也不同,本文就采用ccd器件進行一維尺寸測量的測

24、量原理、所采用的測量方案及相應的測量誤差進行分析,并給出具體計算公式。3.2 光學系統(tǒng)的設計基于ccd器件的尺寸測量 1 ,2 采用的是光成像法,其測量原理如圖1所示:該系統(tǒng)包括光源,ccd傳感器、ccd視頻信號處理模塊、單片機控制與被測工件尺寸顯示模塊等。 其工作原理為:光照射在被測工件上,將被測工件成像于ccd器件光敏面上, ccd 器件被光照射部位將產(chǎn)生光生電荷,通過后置電路對光生電荷進行采集,將采集的ccd信號輸出到模擬信號處理模塊;模擬信號處理模塊對信號進行濾波、箝位、二值化等處理后得到反映被測工件尺寸大小的數(shù)字信號;經(jīng)計算機對數(shù)字信號進行前后邊沿提取,把數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為反映尺寸大小的

25、脈沖計數(shù)值,并通過軟件處理后,進行被測尺寸顯示,從而完成對被測工件尺寸的測量。3.3 測量方案及誤差分析采用ccd器件進行尺寸測量時,隨著被測尺寸大小的不同,測量方案也有所有不同,相應的,對測量誤差分析也不一樣。本文將被測尺寸大小(l,單位:mm)按照ccd器件芯片感光面長度(b,單位:mm)進行分類:(1)微小尺寸測量:l1mm ;(2)一般尺寸測量:1mm < lb;(3)較大尺寸測量: b<l< 2b ;(4)大尺寸測量:2b < l。下面就幾種測量方案及誤差進行分析。11微小尺寸測量當被測尺寸l< 1mm時,如果采用通過光照,直接讀出反映被測尺寸大小的電荷

26、信號的測量方法,則產(chǎn)生很大的測量誤差。最好的測量方案是:用線陣ccd測量光對微小尺寸工件的衍射條紋 3 ,再經(jīng)過低通濾波、高速數(shù)據(jù)采集后送入計算機,通過軟件計算獲得被測工件的尺寸。(1)測量原理圖2為微小尺寸激光衍射測量原理圖。它由氦氖激光器射出的激光束入射到被測微小工件上,在距工件一定距離處產(chǎn)生如圖2所示衍射條紋, ccd接受衍射條紋,產(chǎn)生與之相應的輸出信號,經(jīng)計算機后置處理達到測量目的。 根據(jù)fraunhofer衍射公式可得:l =k/ sina = k1+( x/ xk)21/ 2(1)式中:l為被測工件尺寸; k為暗紋級數(shù);為激光波長; x為被測工件到ccd的距離; xk 為第k級暗紋

27、到中央亮紋中心的距離;為被測工件到第k級暗紋的連線與光線主軸的夾角。通過ccd測量xk,即可根據(jù)公式(1)計算出被測工件尺寸。(2) 誤差分析當很小時,sin= tan=xk/ x,則l=kx/xk,全微分可得誤差為:l =kx/ xk +xk/ xk- xkkx/ xk2(2)由于的測量精度很高,所以項可以忽略,則l =xk/ xkxkkx/ xk2(3)故工件尺寸測量差主要由x和xk 兩項決定,通過提高x和xk 測量精度,可以實現(xiàn)微小尺寸的精確測量。21一般尺寸測量當被測工件尺寸l滿足1mm<l<b時,可以采用平行光成像法進行測量,該測量方案相對比較簡單,只需要通過計數(shù)器檢測出

28、被工件擋光部分ccd光敏元長度,即可測出被測工件尺寸。設工件被測尺寸為l,ccd擋光部分所插入的計數(shù)器脈沖數(shù)為n,脈沖當量為s,則l = ns(cos) (4)式中,為平行光線與ccd光敏面法線之間的夾角。誤差分析:由式(4)可知,測量誤差l為:l =(sn+sn)cos- ns(sin)(5)s與ccd的像敏元尺寸及像敏元件中心距精度相關(guān),一般可以達到m級;n與所選用的計數(shù)器有關(guān),也可以達到很高精度,所以,該方案能夠?qū)崿F(xiàn)高精度尺寸測量。31較大尺寸測量當被測尺寸大于ccd感光面尺寸時,有兩種測量方案:(1)縮小成像直接測量法測量原理與一般尺寸測量相同,這時在ccd與被測工件之間放置一面透鏡,

29、實現(xiàn)被測尺寸縮小成像在ccd光敏面上,達到測量目的。l = ns(cos)/ (6)式中,為透鏡放大倍數(shù)。其測量誤差為:l =(sn+sn)cos/- ns(sin)/- nscos/2(7)一般地,透鏡放大倍數(shù)誤差很小,可以忽略,0;則:l =(sn+sn)/ (8)(2) 采用ccd拼接技術(shù)測量法采用市場上的線陣ccd在顯微鏡下將其首尾拼在一起,實現(xiàn)機械拼接,這種方法工藝簡單,易于實現(xiàn)。但是,由于線陣ccd器件的兩端各有若干個虛設備單元,而且,商品化的ccd器件除了虛設單元外,還有其他電路、引線和封裝結(jié)構(gòu),使得機械拼接不可能使兩個線陣ccd的有效像元首尾完全搭接成一條直線,總是存在的搭接間

30、隙,但其在大尺寸、高精度測量方面仍具有重要意義。測量原理采用拼接方案實現(xiàn)大尺寸測量其原理1如圖3所示,只是成像ccd由ccd1和ccd2經(jīng)過機械拼接而成。設n1、n2分別為被測件的像遮擋的ccd1、 ccd2部分插入計數(shù)脈沖的脈沖數(shù), h為ccd1、ccd2之間的拼接距離, s 為脈沖當量, l為被測尺寸,為透鏡放大倍數(shù):則l = (n1 +n2) s +h/ (9)誤差分析采用機械拼接ccd進行較大尺寸測量時,其誤差分析相對比較復雜,如圖4所示:ccd2相對于ccd1來說,存在5個自由度, 下面以ccd1為基準,分析采用機械拼接測量所產(chǎn)生的拼接測量誤差l。由于拼接誤差的存在,所測量的尺寸l不

31、能采用式(9)進行簡單計算,在不考慮計數(shù)器計數(shù)誤差、透鏡放大倍數(shù)誤差及脈沖當量誤差的前提下,測量值l由圖4可得: l =n1s +( h+h) +n2s(cos×cos×cos) / (10)式(9) - 式(10)得:l = h+n2s(cos×cos×cos) - 1/(11)式(11)為采用機械拼接ccd測量較大尺寸時所產(chǎn)生的拼接誤差計算式,由式(11) 可見:lh。實際測量中,還必須對計數(shù)器的計數(shù)誤差、計數(shù)脈沖當量誤差,以及透鏡放大倍數(shù)測量誤差進行綜合分析。當采用兩片以上ccd進行拼接測量時,其誤差分析更加復雜,這里不做討論。41大尺寸測量當被測

32、工件尺寸足夠大,而采用拼接ccd不能實現(xiàn)測量時,可以采用邊緣檢測原理實現(xiàn)大尺寸測量目的。(1)測量原理邊緣檢測原理是采用兩套ccd測量系統(tǒng)實現(xiàn)大尺寸工件邊緣測量,然后將兩套ccd測得的邊緣位置與兩ccd相對位置值綜合起來,得出被測工件尺寸。通過改變兩ccd之間的距離,來實現(xiàn)可變大尺寸測量。設ccd1和ccd2計數(shù)器計數(shù)脈沖個數(shù)分別為n1、n2,脈沖當量為s1、s2;兩ccd邊緣距離為h,則被測工件尺寸l為:l = h- (n1s1 +n2s2) (12)(2)誤差分析由式(12)可得測量誤差為:l =h- (s1n1 +s1n1 +s2n2 +s2n2)(13)其中h由移動兩ccd的運動部件決

33、定。3.4 本章小結(jié)本文通過對基于ccd傳感器的一維尺寸測量方案進行討論,系統(tǒng)的分析了所產(chǎn)生測量誤差的計算方法。當然,在實際測量過程中,還存在諸如系統(tǒng)誤差,ccd像元靈敏度不均勻誤差,以及包括噪聲影響、空氣擾動影響、灰塵散射和電源、光強的影響等各種偶然誤差的存在。但只要找到各種誤差產(chǎn)生的原因及誤差分析方法,就可以有效的減小測量誤差,達到精確測量的目的第四章 精度分析進行總體精度分析有兩個基本方法可以采用。4.1理論分析根據(jù)已初步確定的產(chǎn)品設計方案或試驗方案，逐項分析死算影響總精度的各原始誤差及其影響量，并合成總誤差。其步驟如下：全面分析誤差的來源。找出所有的原始誤差，這里指的是對總誤差有影響的

34、所謂有效誤差。確定個原始誤差的數(shù)值。這里指的是原始誤差的初步確定，以便進行部分誤差和總誤差的計算。由于原始誤差是各式各樣的，因此，確定原始誤差的方法也不相同。（1）確定部分誤差的數(shù)值。確定部分誤差的數(shù)值，實質(zhì)上是求誤差傳動比。根據(jù)誤差傳遞定律，部分誤差與原始誤差之比即為誤差傳動比。常用的求誤差傳動比的方法有微分法，幾何法，球面三角法和矢量微分法等，對于桿件機構(gòu)常用轉(zhuǎn)換機構(gòu)法，對于齒輪機構(gòu)法則常用瞬時臂法。（2）確定總誤差的數(shù)值。首先要確定部分誤差的性質(zhì)是系統(tǒng)誤差，或是隨機誤差，再按誤差的合成方法進行誤差的合成。（3）誤差之間的調(diào)整和平衡。初次合成的總誤差往往不能滿足產(chǎn)品的精度要求，這就要求進行

35、誤差的調(diào)整和平衡，以減小總誤差，提高產(chǎn)品的總精度。主要包括以下幾個方面： 1)考慮系統(tǒng)誤差矯正的可能性。某些定制系統(tǒng)誤差由于引入修正值而得到矯正。但必須注意，若該修正值由實際測定而得，則其檢定誤差應作為隨機誤差而計入總誤差之中，當檢定誤差很小時可忽略不計?？紤]誤差之間的互相補償。1)減小原始誤差。2)調(diào)整誤差傳動比。各個誤差傳動比之間往往相差極大，應予適當調(diào)整，并使得各個部分誤差之間盡可能做到大致相等，切勿相差太大。3)完成了各個誤差之間的調(diào)整和平衡之后，再次進行誤差的合成。如此反復進行多次，直至產(chǎn)品的總精度符合規(guī)定的要求為止。如果總體精度分析反復進行多次均不能達到規(guī)定的要求，則應懷疑產(chǎn)品的工作原理或設計方案的合理性，予以重新考慮。因此，總體精度分析也是提高產(chǎn)品的總設計水平的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。4.2系統(tǒng)誤差實驗統(tǒng)計法是對所要設計的產(chǎn)品進行所謂模型實驗，或?qū)σ蜒兄瞥龅漠a(chǎn)品進行精度測試，即對其精度特性進行多次測量，并對所得測量數(shù)據(jù)運用概率論及數(shù)理統(tǒng)計方法進行分析和處理，以獲得關(guān)于產(chǎn)品誤差的詳盡資料，從中找出規(guī)律性的東西。例如：(1)產(chǎn)品總誤差的大小及變動范圍。(2)系統(tǒng)誤差和隨機誤差的大小及其大致分布規(guī)律。(3)影響總誤差的一些主要因素由實驗測試所