前期報告基于線陣CCD的直徑檢測系統(tǒng)設計

文檔可自由編輯打印7/7文檔可自由編輯打印文檔可自由編輯打印河北工業(yè)大學城市學院本科畢業(yè)設計（論文）前期報告畢業(yè)設計（論文）題目：基于線陣CCD的直徑檢測系統(tǒng)設計專業(yè)：測控技術與儀器學生信息：105263、康磊、測控C104指導教師信息：教師號、萬峰、副教授報告提交日期：2014/3/22直徑檢測的幾種方法=1\*Arabic1接觸式測量=1\*GB2⑴將對于部分形狀規(guī)則的物體，某些長度端點位置模糊，或不易確定，如圓柱體、乒乓球的直徑，圓錐體的高等，需要借助于三角板或桌面將待測物體卡住，把不可直接測量的長度轉移到刻度尺上，從而直接測出該長度，這種測量方法叫做“卡測法”。=2\*GB2⑵游標卡尺是工業(yè)上常用的測量長度的儀器，它由尺身及能在尺身上滑動的游標組成。常用游標卡尺按其精度可分為3種：即0.1毫米、0.05毫米和0.02毫米。=3\*GB2⑶螺旋測微器又稱千分尺（micrometer）、螺旋測微儀、分厘卡，是比游標卡尺更精密的測量長度的工具，用它測長度可以準確到0.01mm，測量范圍為幾個厘米。=2\*Arabic2非接觸式測量非接觸式測量技術是隨著近年來光學和電子元件的廣泛應用而發(fā)展起來的，其測量基于光學原理，具有高效率、無破壞性、工作距離大等特點，可以對物體進行靜態(tài)或動態(tài)的測量。此類技術應用在產品質量檢測和工藝控制中，可大大節(jié)約生產成本，縮短產品的研制周期，大大提高產品的質量，因而倍受人們的青睞。CCD（Charge-coupledDevice），電荷耦合元件，也稱CCD圖像傳感器。CCD的作用就像膠片一樣，但它是把光信號轉換成電荷信號。CCD上有許多排列整齊的光電二極管，能感應光線，并將光信號轉變成電信號，經外部采樣放大及模數(shù)轉換電路轉換成數(shù)字圖像信號。CCD圖像傳感器可直接將光學信號轉換為模擬電流信號，電流信號經過放大和模數(shù)轉換，實現(xiàn)圖像的獲取、存儲、傳輸、處理和復現(xiàn)。其顯著特點是：1.體積小重量輕；2.功耗小，工作電壓低，抗沖擊與震動，性能穩(wěn)定，壽命長；3.靈敏度高，噪聲低，動態(tài)范圍大；4.響應速度快，有自掃描功能，圖像畸變小，無殘像；5.應用超大規(guī)模集成電路工藝技術生產，像素集成度高，尺寸精確，商品化生產成本低。CCD的研究現(xiàn)狀和應用前景 CCD廣泛應用在數(shù)碼照相機、醫(yī)用顯微內窺鏡等方面，在車輛中加裝CCD攝像機提高了行車安全。利用CCD可以進行光譜能量檢測，文字識別0CR，標識識別0MR，圖像識別OPR，該技術可廣泛應用于公安交通、存車場警衛(wèi)監(jiān)控、高速公路自動收費等。目前，隨著大規(guī)模微細加工技術的發(fā)展，CCD像素高密度集成技術取得了突破性的進展，為計量領域應用CCD打下了良好的基礎。CCD作為一種易于與計算機連接的傳感器，在位移檢測、運動速度測量、熱加工溫度場模擬、激光加工研究、光譜分析、無損探傷等方面都有廣泛的應用前景，在工業(yè)檢測與自動控制應用中將發(fā)揮更重要的作用。CCD傳感器在焊縫跟蹤自動化系統(tǒng)中，已成功地應用于平面的焊縫跟蹤，在未來的發(fā)展趨勢中，運用CCD傳感器在進行船體、儲汽罐等復雜幾何形狀、三維幾何形狀的焊接跟蹤實時控制中，更易于實現(xiàn)焊接實時控制，而且可以實現(xiàn)任意形狀的焊縫實時跟蹤，將起到更重要的作用。它在三維測量系統(tǒng)的開發(fā)和應用。CAD，CAM，多煤體應用和虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中都有廣闊的應用前景。它將促使鋁制造業(yè)向機器人自動檢測與控制、智能化測量、柔性集成制造系統(tǒng)、無人加工車間方向發(fā)展更進一步。隨著電腦網絡系統(tǒng)的發(fā)展，CCD傳感器作為電腦前端和圖象輸入系統(tǒng)，它將以不可阻擋的發(fā)展勢頭深入到各種電腦應用的方方面面。在軍事上，CCD圖像傳感器(尤其是非可見光圖像傳感器，如X射線成像器，電子束成像器。紅外線成像器)的應用會越來越廣。它主要應用于夜視(微光夜視、紅外夜視)、實時或近實時戰(zhàn)術偵察機載預警、導彈自動跟蹤、高速飛行目標的軌跡測量等方面。并必將對現(xiàn)代軍事工程技術產生巨大的影響。CCD經過長達35年的發(fā)展，大致的形狀和運作方式都已經定型。CCD的組成主要是由一個類似馬賽克的網格、聚光鏡片以及墊于最底下的電子線路矩陣所組成。目前有能力生產CCD的公司分別為：SONY、Philips、Kodak、Matsushita、Fuji和Sharp，大半是日本廠商。國內對CCD等精密儀器的加工工藝還有待進一步發(fā)展和改善。隨著我國經濟的發(fā)展，我國在精密儀器的生產制造和引進外國新技術、新工藝方面還會有長足的發(fā)展。CCD的應用前景仍十分廣闊。CCD工作原理CCD從功能上可分為線陣CCD和面陣CCD兩大類。線陣CCD通常將CCD內部電極分成數(shù)組，每組稱為一相，并施加同樣的時鐘脈沖。所需相數(shù)由CCD芯片內部結構決定，結構相異的CCD可滿足不同場合的使用要求。它由光敏區(qū)陣列與移位寄存器掃描電路組成，特點是處理信息速度快，外圍電路簡單，易實現(xiàn)實時控制，但獲取信息量小，不能處理復雜的圖像。CCD是以電荷作為信號,而不同于其他大多數(shù)器件是以電流或者電壓為信號,其基本功能是信號電荷的產生、存儲、傳輸和檢測。當光入射到CCD的光敏面時,CCD首先完成光電轉換,即產生與入射光輻射量成線性關系的光電荷。CCD的工作原理是被攝物體反射光線到CCD器件上,CCD根據光的強弱積聚相應的電荷,產生與光電荷量成正比的弱電壓信號,經過濾波、放大處理,通過驅動電路輸出一個能表示敏感物體光強弱的電信號或標準的視頻信號。基于上述將一維光學信息轉變?yōu)殡娦畔⑤敵龅脑?線陣CCD可以實現(xiàn)圖像傳感和尺寸測量的功能。圖表SEQ圖表\*ARABIC1測量系統(tǒng)結構圖圖2中，照明系統(tǒng)射出的平行光信號經測量工件后，遮擋部分與未被遮擋部分在線陣CCD光敏面上成不同的像，而遮擋部分所成的像即代表被測工件的直徑尺寸，L和L'之間的關系由高斯公式表示［3］，如式(1)所示。式中:d為被測工件直徑大小;d'為被測工件直徑在CCD成像中的大小;β為光學系統(tǒng)放大率;L為物距;L'為像距;f'為像方焦距。由式(1)～式(3)可知，確定成像系統(tǒng)的像距、物距后，測出工件圖像d'的大小，即可推導出工件的實際尺寸。因此，線陣CCD測量工件尺寸的關鍵在于確定工件圖像d'的大小。根據CCD器件的工作原理，光信號經光敏元轉換成與光強成正比的電荷，并存儲于CCD內部的金屬氧化物半導體MOS電容器中。然后，CCD器件在一定頻率的時鐘脈沖驅動下，實現(xiàn)已存儲電荷的定向轉移，即可在輸出端獲得表示被測工件大小的視頻信號。視頻信號中，每一個離散電壓信號的大小均對應該光敏元接收到的光強，而信號輸出的時序則對應CCD光敏元位置的順序。最終，被測工件的影像大小反映在CCD輸出信號中電壓的高低上，即在CCD中間被工件遮擋部分對應的光敏元輸出電壓為低，兩側未被遮擋的光敏元輸出電壓為高。這樣，空間域分布的光學信息就被轉化成按時間域分布的電壓信號。CCD輸出的電壓信號經過差動放大和濾波處理二值化后，可提取出表示影像d'大小的脈沖信號。該脈沖信號送入單片微型計算機系統(tǒng)(單片機)，測出脈沖寬度，進而可求得被測尺寸的大小。若用CCD的復位脈沖(對應CCD的光敏元)對d'脈沖信號進行計數(shù)，則有:式中:N為所計脈沖個數(shù)(亦即工件影像d'所遮擋的CCD像元個數(shù));δ為CCD的像元尺寸。則由式(1)～式(3)，即可推導計算工件尺寸的大小。光路原理設計圖表SEQ圖表\*ARABIC2光路原理圖圖1是CCD平行光投影法直徑測量系統(tǒng)的光路示意圖,光學系統(tǒng)由照明系統(tǒng)和成像系統(tǒng)兩部分組成。光源1發(fā)出的光束通過集光鏡2,會聚在光闌3。光闌3位于聚光鏡的物方焦點處,所以經過聚光鏡4后形成平行光,照射到被測工件5上。同時該平行光成像于像方無限遠,它與物鏡6的入瞳重合;再經物鏡成像在孔徑光闌7處。另外,集光鏡2經聚光鏡4成像在物面上,所以物面得到了均勻的照明。最后物體5經物鏡6成像在CCD光敏元8上。由于物體對光信號的遮擋作用,理論上CCD器件將輸出一個方波,求出圖中陰影部分的大小即可得到被測物體的尺寸,如式(5)所示。D=f'L'd(5)圖1平行光投影法直徑測量系統(tǒng)的光路原理圖式中:D是被測物體的直徑;d是光電接收器上陰影的尺寸;f'是物鏡6的焦距;L'是光電接收器8與透鏡6像方焦點間的距離。本系統(tǒng)采用的是柯拉遠心照明系統(tǒng)和物方遠心光路成像系統(tǒng)[2],系統(tǒng)中有兩組共軛關系[3],如圖1中下方的文字說明。改變光闌3的大小,可控制成像系統(tǒng)中的孔徑角的大小[4];改變集光鏡2的鏡框大小,可改變照明系統(tǒng)的孔徑角的大小,從而控制被照物面的范圍[5]。驅動光路設計CCD器件需要3路以上驅動時序脈沖。各驅動脈沖必須嚴格滿足相位時序要求,才能保證CCD器件正常工作。常規(guī)的驅動電路設計有以下幾種方法:線陣CCD可以采用數(shù)字電路驅動、單片機I/O口驅動,或者選用可編程邏輯器件針。CCD的系列種類很多,不同生產商的CCD器件的驅動時序往往是差別很大。因此完成CCD通用驅動電路設計的關鍵在于區(qū)別各種不同的驅動時序。驅動脈沖可以用兩個參數(shù)描述:1)脈沖寬度(描述驅動時序脈沖形狀的參數(shù),包括高電平寬度和低電平寬度);2)相位差(各個驅動脈沖之間的相位關系)。使CCD芯片正常工作的驅動電路主要有兩大功能。一是產生CCD工作所需的多路時序脈沖,二是對CCD輸出的原始模,包括增益放大、差分信號到單端信號的轉換,最后驅動器輸出用戶所需的模擬或視頻信息。驅動文件包括脈沖總數(shù)、延遲時間、脈沖寬度等三種參數(shù)。將驅動時序中的每一個脈沖的寬度數(shù)據依次寫入驅動文件。主控制器讀取驅動脈沖文件的相關參數(shù),并設定好相應的寄存器組,就可以按照驅動文件的要求產生驅動脈沖。所以通用驅動電路的基本組成包括主控制器、存儲器、寄存器組三個部分,如圖2所示。圖表SEQ圖表\*ARABIC3通用驅動電路基本組成工作時間計劃：3月1日~3月20日查閱相關技術資料，撰寫前期報告3月25日~4月5日學習CCD的工作原理，學習Protel中期檢查4月7日~4月17日完成CCD驅動電路設計4月19日~4月26日編寫單片機程序4月28日~5月25日撰寫畢業(yè)論文6月04日~6月10日畢業(yè)論文答辯主要參考文獻：[1]曹昕燕.CPLD在CMOS圖像傳感器驅動電路中的應用.儀表技術與傳感器,2005,(04)

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