基于CCD的大范圍衍射法細絲直徑測量系統研究與設計

ID:332611 · 發表于 2018-5-17 23:10

近些年來，伴隨著半導體技術與光電子學科技的迅速發展，在各個領域中廣泛應用著大量光電器件。其中，電荷耦合器件（CCD）由于具有光電轉換、像元尺寸小、幾何精度高、性能穩定等優點，被大量用于非接觸式直徑測量領域。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進行了較為全面的研究，并結合本課題的特點（即針對直徑為60mm 的特定材料進行測量），提出了適合本課題的具體設計方案，本方案中沒有采用常見的光學成像系統，而是直接采用發光二極管作為光源照明。

直徑測量系統在現代工業生產中應用十分廣泛，對直徑實現高精度和快速測量在工業控制、工業生產中有著重要的應用價值，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，而且對測量環境沒有特殊要求，在現代工業生產中應用十分廣泛。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，在查閱大量國內外文獻，詳細分析國內外的研究現狀的基礎上，主要完成了以下幾方面的研究內容：
(1)提出了兩套測量方法共用一套成像光路的測量系統。該系統運用光幕法和衍射法測量細圓柱體直徑，從而提高了系統的測量范圍，實驗結果表明共用成像系統的兩種測量方法在測量細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的大范圍細圓柱體直徑測量系統。測量系統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。系統的測量范圍是0．04--40mm．系統研究了透射式成像光路和反射式成像光路的區別，并分析了針對遠心成像系統對待測物空間位置的要求。
(3)根據常用的CCD標定方法，以及標定后的測量結果的誤差分析，提出二次曲線標定方法，在測量范圍內二次曲線標定方法有效減小了對于直徑在O．5．1．5mm范圍內的細絲直徑測量結果誤差。
(4)針對測量系統里的兩種測量方法，設計相應的圖像處理及數據分析程序，并在MATLAB環境下設計圖形用戶界面，從而達到測量結果實時顯示。

1．3課題主要研究內容
本課題的主要工作是研究基于CCD的直徑測量系統，以解決國內測量儀測量范圍單一、測量精度低等問題，可實現實時測量、在線顯示測量精度與誤差大小等。以滿足現代工業技術對不同圓柱體高精度的在線測量。論文的主要研究內容如下：
(1)研究分析基于CCD的直徑測量技術的國內外發展現狀，結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，并研制相應的測量系統。
(2)在分析光幕法測量原理和衍射法測量原理的基礎上，研究傳統的測量模型。針對傳統模型存在的問題以及測量范圍廣泛的需求，設計反射式光路的成像系統，從而滿足不同測量方法共用一套成像系統。并且對比傳統投射光路，探究反射式光路的優越性。
(3)針對圓柱體投影法和衍射法得到的圖樣，進行數據處理，以及誤差矯正。
一次修正系統誤差和二次修正系統誤差，詳細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、細圓柱體空間位置及外界擾動和焦點光斑等對細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，然后與真實值進行對比。并基于MATLAB中的GUI設計數據處理界面，以達到實時監測的目的。
(5)對本課題的研究成果進行總結，對該系統的應用前景進行展望。

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

光源的選擇，作為測量光源，其發光強度和高信噪比是比較重要的參數，是衡量
光源在測量系統中對測量精度影響的重要標準，目前，光源種類繁多，適用的場合及
系統也不相同，所以在使用光源時，應考慮到根據不同的使用目的和系統要求來選
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中時，往往要求光源照射持續時間足夠長，便于數據的不間斷采集。(3)響應時間短，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、光強穩定性好、便于調制、結構簡單的特點，并且對激光器功率進行調節，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。
光路中擴束準直系統、成像系統、CCD接收系統的具體選型會在后續測量原理中介紹。

CCD相機選擇，傳統的基于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，測量時需要嚴格保證細圓柱體與線陣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，直接用于后續處理計算將直接影響測量結果的精度。在測量系統中采用面陣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。當然采用面陣CCD作為細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接收的圖像必須經過提取才能得到有效信息，對測量系統的數據處理速度有相當的要求。所以根據以上分析可知，在基于CCD的非接觸式直徑測量系統中使用面陣CCD作為圖像接收設備十分必要。所以我們選擇了面陣CCD相機，像元數為1280x1024。光路中擴束準直系統、成像系統等的具體選型會在后續測量原理中介紹。

2．2基于CCD測量系統整體方案設計
傳統的非接觸式直徑測量系統測量往往都是基于一種測量方法的，這樣會導致測量范圍單一，很難廣泛應用。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，這兩種測量方法共用成像系統，這樣測量時只需要更換光源就可以測量直徑為0．04mm～0．5mm的細絲和直徑在0．5mm～40mm范圍的細圓柱體。
傳統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，傳統光路比較復雜，所以為簡化光路，我們用遠心鏡頭代替了成像光路，選用的是大恒GCO一23遠心鏡頭。遠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。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，這系列產品的另一個特點是具有較長的焦深，能達幾個毫米，可廣泛適用于各種精密測量。

傳統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，而且遠心透鏡的工作距離是一個定值，所以當更換待測物時會導致待測物到遠心透鏡的距離發生變化，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直度不夠也會引起很大誤差。其次更重要的是關于衍射測量中，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，從而激發周圍感光元件，影響衍射條紋的后續處理。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果比較會在后續章節的數據分析里進行。

光幕法直徑測量方法一般有放大成像法和平行光成像法，由于我們設計的測量系統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束準直系統，為了簡化光路擴束準直系統也選用了圓心透鏡，這樣整個光路得到了簡化。

光幕法直徑測量方法中，LED光源發出的光通過球透鏡匯聚到遠心鏡頭1，再通過遠心鏡頭擴束為平行光束，平行光束被待測物體遮擋后形成陰影區，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行標定，再確定陰影部分寬度的像素數就可以得到待測物體直徑。

被測物經遠心透鏡在CCD相機上成像，像的尺寸與被測物實際尺寸成一定的比例。設圖像中陰影部分寬度所占像素數為N，比例系數為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，它與光學成像系統的放大倍率、CCD象元尺寸等因素有關。丁對應于像所占的象元數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。

定標的具體方法是：先把一個已知尺寸為厶的標準物體放在被測目標位置，得到該物體的像所占據的CCD象元數“，從k=厶／眠可以得到系統的k值，然后再把被測目標三。置于該位置，測出對應的CCD象元數Ⅳ，，由三。=塒。就可以最終算出三，值。定標需要光學系統保持恒定，即系統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。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，這樣系統標定只需要標定一次，為我們在線實時測量奠定了基礎。
這種標定方法成為一次標定法，這種標定方法簡單，不過系統誤差不可忽略，所以可以引入系統誤差，在標定時修正部分誤差，即二次標定法【15】。二次標定中待測物直徑三，與圖像中陰影所占像素數札滿足

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

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