光电检测课程设计基于CCD的外圆锥度的非接触式测量.docx
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光电检测课程设计基于CCD的外圆锥度的非接触式测量
光电检测课程设计
题目:
基于CCD的外圆锥度的非接触式测量
专业:
组员:
指导老师:
2012年12月24日
目录
摘要2
一、研究背景3
1、绝对测量3
2、相对测量3
3、非接触式测量与接触式测量的比较4
二、外圆锥度测量方法4
1、锥度的定义4
2、锥度的测量方法4
三、系统组成及工作原理5
1、光学系统6
(1)测量原理6
(2)CCD的基本功能6
(3)CCD的选用7
1)从CCD器件的分辨率方面分析7
3)从CCD器件的使用率方面分析8
2、机械结构8
(1)旋转机构8
(2)扫描机构9
3、电路设计9
(1)CCD驱动电路9
(2)二值化电路10
(3)脉冲填充和计数11
4、数据采集与计算机接口11
四、精度分析11
五、总结12
六、参考文献12
摘要
本文在分析了传统接触式测量外圆锥度的一系列弊端基础上,考虑利用非接触式测量方法:
利用线阵CCDMN3611传感器设计在线非接触工件锥度测量系统,该系统包括光、机、电、算四部分,相辅相成,缺一不可。
光学系统将被测工件成像在CCD的光敏面上;经过CCD驱动电路和二值化处理以及连接计算机进行数据采集,再将采集到的数据带入公式计算,便可得到被测工件外圆锥度;而且,机械系统中的旋转机构可以具有误差平均作用,提高测量精度。
关键词:
线阵CCD;非接触式测量;物方远心光路;对称读数
一、研究背景
目前对于外圆锥度的测量方法大多为接触式测量,又可分为绝对测量和相对测量。
1、绝对测量
所谓绝对测量是指被测量和标准量直接比较后得到被测量绝对值的测量。
如在平台上用两直径相等的圆柱和量块测量外圆锥,如图1。
将圆锥的小端朝下放置在平台上,然后在平台上的锥体两侧放上圆柱A、B,测量出尺寸
。
再将圆柱用两等高量块h垫高,并测出
。
由图可知:
图1:
外圆锥锥度测量
2、相对测量
所谓相对测量(比较测量)是指被测量和标准量进行比较后只确定被测量相对于标准量的偏差值的测量。
如用正弦尺测外圆锥锥度或万能工具显微镜坐标法测量锥度。
下图为万能工具显微镜坐标法测量锥度:
图2:
用万能工具显微镜测量锥度
上图是在万能工具显微镜上借助测量刀对准锥体零件进行测量的例子。
测量时,由万能工具显微镜的横向读数装置分别测出大端和小端直径D和d:
由纵向读数装置测出
尺寸,则有图中可知:
3、非接触式测量与接触式测量的比较
无论是相对测量还是绝对测量,它们的精度都非常高,适合于检测锥度误差,但是并不适合于生产过程中快速和方便的检测。
以上列举的绝对测量方法,在获得所需的锥度值时需要高精度的平台和量块组,而且在组合这些量块的时候也是相当不方便的,测量速度和测量效率都是非常低下的,不适合于生产的快速化。
另外,测量所需要的量块的价格和保养维护等成本都是相当昂贵的。
而对于相对测量的正弦尺测量锥度的方法,除了有绝对测量的缺点外,在使用指示表找锥体上的返回点时也是非常困难的,而且易引入人的主观误差,使得其重复性差;而利用万能工具显微镜测量外锥锥度的方法除了使用昂贵的万能工具显微镜外,其用于对准锥体的测量刀上的刻线也是极易磨损掉的,所以万能工具显微镜不适合于进行大批量的准度测量。
综上所述,我们可以得出现有的外锥锥度测量方法中共有的一些缺点:
不适合于快速测量,效率低下;
不适合于大批量测量,只适合实验室的锥度误差的检测;
测量成本较高,测量设备维护要求高;
测量环境要求高。
针对接触式测量的以上缺点,我们小组一致认为利用CCD进行外圆锥度非接触式测量可以克服这些问题。
因为我们是在进行锥度测量,并不是在进行锥度误差的检测。
所以,即便精度可能略有下降,但依然能在公差范围内满足使用要求。
二、外圆锥度测量方法
1、锥度的定义
锥度是指圆锥的底面直径与锥体高度之比;如果是圆台,则为上、下两底圆的直径差与锥台高度之比值。
因此,锥度测量其实就是测量角度a的正切值。
故测量锥体的锥度可以转变为测量角度a的大小。
2、锥度的测量方法
利用的原理主要是两条具有水平刻度尺的平行线切割被测物体而对其倾斜角度进行测量。
下图为测量原理的数学模型图。
图3:
锥度测量原理图
其中:
p,q两直线表示两条相互平行的像敏单元阵列
m表示两条相互平行的像敏单元阵列之间的间隔
n表示物体边界在传感器上测得的偏移量
则依据相应的关系可求得该锥体的锥度,用a角的正切值表示:
三、系统组成及工作原理
光电检测系统主要由光、机、电、算四部分组成。
其主要测量原理图如下:
图4:
系统的测量原理图
1、光学系统
(1)测量原理
测量光路图如下所示:
图5:
光学系统测量原理图
点光源(普通的钠光灯即可,因为CCD无论是正面照射还是背面照射在可见光区域的响应度都是非常高的)发出的光,由集光镜会聚后,经过聚光镜前焦点处的光阑一,然后经过聚光镜变成平行光均匀照射在被测锥体上。
其投影通过物镜和光阑二成像于CCD接收器件上。
在照明系统设计中,涉及到光源的选择和照明方式。
由于该照明系统的设计依据是通过测量被检测物体的像来测量被检测物体的特征参数,故本系统采用柯拉远心照明系统和物方远心光路成像系统,系统中有两组共轭关系(见上图),改变光阑3的大小,可控制成像系统中的孔径角的大小;改变集光镜2的镜框大小,可改变照明系统的孔径角的大小,从而控制被照物面的范围。
由于被测锥体所成的像与物大小是
倍的关系,所以像与物的锥度相同,故测得在CCD上所成像的锥度即被测锥体的锥度。
(2)CCD的基本功能
CCD(英文全称:
Charge-coupledDevice),电荷耦合器件,其输出信号包含CCD个像元所接收光强度的分布和像元位置的信息,使它在物体尺寸和形状检测中显示出十分重要的应用价值。
CCD输出信号的二值化处理常用于物体外形尺寸、物体位置、物体震动等的测量。
当被均匀照明的被测物体通过成像到CCD的像敏面上时,被测物体像黑白分明的光强分布使得相应像敏单元上存储载荷了被测物尺寸、形状信息的电荷包,通过CCD及其驱动器将载有尺寸信息的电荷包转换时序电压信号,输出相应的波形。
然后,根据波形,可以测得物体在像方的相应尺寸,然后再根据成像物镜的物像关系和所求被测量的相应关系,求得所求量。
(3)CCD的选用
在本测量系统使用过程中,主要需要选用的器件是CCD接收器件。
CCD接收器件主要有线阵CCD,彩色线阵CCD和面阵CCD。
1)从CCD器件的分辨率方面分析
由上面测量锥度的数学关系式
知,需要测量的量就是两条相互平行的像敏单元阵列之间的间隔m和两像敏单元阵列上像元感光跃变像元位置的偏移量n。
因此,这种测量方式的角度分辨率就可表示为:
其中,t表示同列像元的中心距。
因此,CCD影响测量锥度的主要两个参数是:
同列像元的中心距t和两条相互平行的像敏单元阵列之间的间隔m。
由以上分辨率公式
可知,如果想获得较高的分辨率,则需要
越小越好,即同列像元的中心距t越小越好,两条相互平行的像敏单元阵列之间的间隔m越大越好。
因此,我们从这两方面分析线阵CCD,彩色线阵CCD和面阵CCD在测量过程中的分辨率。
首先,考虑同列像元的中心距t。
由于,同列像元的中心距t的大小,主要是由CCD器件制作工艺决定的,现有的工艺水平能达到的稳定水平在7
。
因此对于三种CCD的比较选用过程中基本不用考虑这一点,因为三者基本上是相同的。
其次,我们要考虑的是两条相互平行的像敏单元阵列之间的间隔m。
对于彩色线阵CCD器件是由三条相互平行的像敏单元阵列构成,R、G、B三条列阵传感器与被测物的轴线基本垂直,用分离最远的R、G阵列传感器作为两条相互平行的像敏单元阵列之间的间隔m。
而相邻感光单元阵列的间距为64
为已知量,则R、G阵列传感器的间隔距离为两倍的已知间距,即128
。
对于单个线阵CCD不能测得二维信息量,必须配以扫描运动,并且为了能确定图像每一像素点在被测件上的对应位置,还必须配以光栅等器件以记录线阵CCD每一扫描行的坐标。
利用此装置可以获得较大的m值。
在此过程中,线阵CCD在电机驱动下水平前移,按照固定的时间间隔采集一行图像。
从理论上讲,电机运动速度应该是匀速的,CCD采集图像的时间间隔所取决的光积分时间也应该是相等的,因此行距应该是相等的。
但由于电机运动产生的振动、启停过程中速度的变化,特别是机械传动部分的误差都会影响采集行距的一致性。
同时,线阵CCD自身光积分时间也会影响采集行距。
所以在一定程度上光栅器件测得m值虽然可以做的很大,但是对最后的分辨率有一定的影响。
然而可以从算法上克服扫描运动的影响,使机械传动的误差不致对精度影响非常大。
较分辨率而言,线阵CCD测量的分辨率高于彩色线阵CCD。
而对于面阵CCD的m值,相对于同列像元的中心距t也是非常大。
下表为一般面阵CCD的靶面尺寸:
表一:
面阵CCD的一般靶面尺寸
CCD靶面尺寸
宽(mm)
高(mm)
对角线(mm)
1英寸
12.7mm
9.6mm
16mm
2/3英寸
8.8mm
6.6mm
11mm
1/2英寸
6.4mm
4.8mm
8mm
1/3英寸
4.8mm
3.6mm
6mm
1/4英寸
3.2mm
2.4mm
4mm
理论上面阵CCD的最小分辨角是非常高的,但实际上面阵CCD像元间距制造精度却限制了它的分辨率。
而线阵CCD的扫描行的坐标由光栅提供,高精度的光栅尺的示值精度可高于面阵CCD像元间距的制造精度,从这个意义上讲,线阵CCD获取的图像在扫描方向上的精度可高于面阵CCD图像。
因此,较二者,线阵CCD加上高精度的光栅在锥度测量系统中的测量分辨率高于面阵CCD。
通过比较分析,线阵CCD加上高精度光栅的测量分辨率高于彩色线阵CCD和面阵CCD。
2)从CCD器件的成本方面分析
线阵CCD的突出优点除了分辨率高外,便是价格低廉。
线阵CCD加上扫描机构(包含高精度的光栅尺)及位置反馈环节,其成本仍然大大低于同等面积、同等分辨率的面阵CCD。
彩色线阵CCD器件由3条相互平行的像敏单元阵列构成,且制造工艺保证三条平行的光敏单元阵列的首尾及像元尺寸的精度较高。
所以,线阵CCD的价格明显低于彩色线阵CCD。
然而,线阵CCD在测量过程中需要以高精度的光栅尺为基础的反馈调节系统,在成本上就高于彩色线阵CCD一点。
通过比较分析,彩色线阵CCD在成本上略显优势,但也和利用线阵CCD进行测量差不多,但是二者成本明显低于面阵CCD的成本。
3)从CCD器件的使用率方面分析
线阵CCD系统是利用扫描机构带着线阵CCD扫描,其使用效率可用计算机里面的一词句“分时复用”来形容。
而彩色线阵CCD则是利用相距较远的R、G两阵列进行接收测量,其中的B列完全没用。
如果我们只使用面阵的CCD其中两列来进行测量,面阵CCD的使用率是最低的,不过如果在算法上改进精度(例如,利用间隔数据采集来平均求测量的锥度),使用效率也是非常高的。
通过比较分析,线阵CCD的使用率和面阵CCD的使用率高于彩色线阵CCD。
综合以上几点的分析,我们小组决定使用线阵CCD作为接收器件完成我们的锥度测量,并选用MN3611作为线阵CCD器件。
2、机械结构
我们小组设计的系统中除了必要的机械结构设计,还有:
(1)旋转机构
为了进一步减小测量误差,我们小组设计了一个物体多次测量的方法。
将被测物基本垂直固定在一个旋转机构上,旋转一定的角度测量一次,然后计算其平均值作为最终输出值。
每次可测得对称的两角度,所以只需旋转半周即可,即将180度分成几等分即可(大致可以45度一分,共分4次)。
旋转机构是很成熟的产品,只是自动化时,是选用普通的电机还是选用步进电机。
经小组讨论后,由于我们只是需要在不同的地方多次测得角度然后求取平均值,并不需要精确的角度信息。
所以决定选取普通电机。
相应的控制执行机构是由msc-51单片机控制执行的。
旋转机构不需要非常高的精度,所以在控制旋转过程中,我们只有编制程序输出对应长时间的方波,然后将这方波放大控制前面选用的电机即可。
例如下面是一个2秒为周期,占空比为50%的方波,由单片机的P1.0口输出。
ORG0000H
AJMPMAIN
ORG000BH
AJMPPI
MAIN:
MOVR7,#0AH
MOVTOMD,#01H
MOVTH0,#3CH
MOVTL0,#0B0H
CLRF0
SETBET0
SETBEA
SETBTR0
LJMP$
PI:
JBF0,L1
DJNZR7,L2
SETBF0
SJMPL2
L1:
CPLP1.0
MOVR7,#0AH
CLRF0
L2:
MOVTH0,#3CH
MOVTL0,#0B0H
RETI
(2)扫描机构
其实,该系统的扫描机构并不是纯粹的扫描机构,只是实现线阵CCD在垂直方向实现一定的位移,即m值。
测量一次就在该方向上移动一个距离,一般这距离不能太大,在几个毫米的范围内就足够了。
因为太大,这段距离的测量误差就大了,最后将直接反应到最终的测量结果中去。
在这个过程中,利用机械微动装置实现这短距离,然后利用高精度光栅尺测量作为反馈。
实现过程如下图:
图6:
线阵CCD利用扫描机构获得m值的过程图
对于光栅尺的选择:
例如,栅线为50线对/mm的光栅尺,其光栅栅距为0.02mm,若采用四细分后便可得到分辨率为5μm的计数脉冲,这在工业普通测控中已达到了很高精度。
由于位移是一个矢量,即要检测其大小,又要检测其方向,因此至少需要两路相位不同的光电信号。
为了消除共模干扰、直流分量和偶次谐波,通常采用由低漂移运放构成的差分放大器。
由4个光敏器件获得的4路光电信号分别送到2只差分放大器输入端,从差分放大器输出的两路信号其相位差为π/2,为得到判向和计数脉冲,需对这两路信号进行整形,首先把它们整形为占空比为1:
1的方波。
然后,通过对方波的相位进行判别比较,就可以得到光栅尺的移动方向。
通过对方波脉冲进行计数,可以得到光栅尺的位移和速度。
我们小组从现有的一些传感器公司也了解了一些。
例如,日本有名的基恩士(KEYENCE)公司中的一些产品。
我们选用了他们公司的MWS12小型数字量规(光栅尺)。
MWS12是精密的小型光栅测量系统,适用于小量程的精密测量.尤其适用于测量,机器人技术,医疗设备,精密现代化加工设备.通常用于连续的厚度测量.MWS12光栅尺将直线的位移变化转换为脉冲信号.脉冲信号的数量对应移动的距离,脉冲频率则反应了运动速度。
MWS12本体部分由一套精密直线滚珠轴承,复位弹簧,玻璃光栅,LED光照系统组成。
MWS12输出信号为矩形方波。
A,B相相差90°的两路波形,能够指示出移动距离以及方向。
EF 输出信号(向光栅尺内部移动时)
图7:
EF输出信号
下表是该光栅尺的一些技术特性:
表二:
MWS12小型数字量规(光栅尺)技术特性
测量长度
12.5 +0,5 mm
分辨率
0.1;0.2;0.5;1μm
准确度
±0.4μm/12mm(Min.)
栅距
20μm
工作温度
0-40°C
最大测量速度
0.5m/s
弹簧耐压
0.4-0.8N
工作电压
5Vss±5%
电流(LD线性差动输出)
max.130mA
电流(TTL输出)
max.50mA
防护等级
IP40
绝缘阻抗
min.20MW
输出信号(LD线性差动输出)
RS422,20mA
输出信号(TTL输出)
L=max.0.5Vat<10mA
H=min.3.5Vat>2.5mA
3、电路设计
(1)CCD驱动电路
我们已经选用了MN3611作为线阵CCD器件。
所以我们需要设计的驱动电路即该器件的驱动电路。
采用两相脉冲驱动,且驱动脉冲频率可调(由CPLD实现)。
器件工作时,RS为复位脉冲,标准值为1MHz;CR1和CR2为双相驱动时钟,时钟频率标准值为0.5MHz;SH为转移脉冲,脉冲宽度标准值为1000ns。
当线阵CCD器件MN3611工作时,需要提供四路脉冲,分别是转移脉冲SH、驱动脉冲CR1和CR2、复位脉冲RS,其时序由CPLD来实现。
CPLD输出的四路脉冲经反相驱动器反相后叠加到MN3611的相位管脚上。
在这四路驱动脉冲的作用下,该器件将输出OS信号(即经过光积分的有效电信号)和DOS信号(即补偿信号)。
硬件线路的连接如图:
图8:
MN3611驱动电路线路连接图
(2)二值化电路
在CCD输出的视频电压信号中,低电平部分表示实际工件尺寸的大小,高电平部分表征背景光信号的大小,也就是说,工件与背景光信号的差异在CCD输出信号中体现为电平的明显变化。
因此,需要通过二值化处理,把CCD视频信号中工件尺寸部分与背景光部分分离成二值电平。
实现CCD视频信号二值化的方法主要有固定阈值法、浮动阈值法和微分法,一般用硬件电路实现。
无论采用哪种信号处理方式,都是为了从CCD的输出信号中提取真正表示被测工件边界的特征点。
我们采用固定阈值法实现二值化,线阵CCD二值化电路图如下所示。
图中,CCD输出的放大视频信号送入电压比较器的同相输入端,比较器的反相输入端加可调电位器就构成了固定阈值二值化电路。
CCD视频信号经电压比较器后输出的是二值化方波信号。
调节阈值电压,方波脉冲的前、后沿将发生移动,使脉冲宽度发生变化。
我们可以通过两次测量中电平明显变化的像元位置的偏移来得到角度的精确值。
图9:
线阵CCD二值化电路图
(3)脉冲填充和计数
一般在尺寸测量系统中是对代表尺寸的二值化信号所覆盖的CCD像元数目进行采集,这种方法由于受到光敏元距离的影响,测量精度比较低。
例如,光敏元间距为d=7μm的CCD,计算出像元数目为N,则:
D=Nd±2d,即误差为2个光敏元间距14μm。
为了提高测量精度,在经过一系列电路处理将视频信号进行边界提取并形成二值化方波后,用更高频率的时钟脉冲对二值化信号的宽度进行填充计数,由于每个脉冲与CCD像元有确定的关系,用所记录的脉冲数乘以脉冲当量就可求得被测尺寸。
4、数据采集与计算机接口
CCD输出的电荷信号不能直接进行计数处理及用于尺寸计算。
首先由于信号微弱,且存在高频干扰,所以需要进行滤波放大。
另外,光源发光强度不稳定,光路系统的调节也不可能尽善尽美,光带边缘存在一定色散,输出信号在光照和阴影边界处存在着由明到暗的过渡。
为了得到与工件尺寸相关的阴影部分尺寸,需要对CCD输出视频信号进行二值化处理,将其转化成矩形波,然后用脉冲填充,计数器计数,再通过微机接口与微机相连,结合控制程序进行数据采集和信息处理。
信号处理原理框图如下所示:
图10:
CCD视频信号处理的原理框图
线阵成像器件有基于PC总线的线阵CCD数据采集卡,基于PCI总线的线阵CCD数据采集卡和基于USB总线的数据采集接口等。
目前,高速数据采集系统主要采用PCI总线和USB总线。
尽管PCI总线数据传输具有许多优点,但它在使用过程中安装麻烦、易受机箱内环境的干扰,受到计算机系统资源、插槽数量限制,不易扩展。
因此,利用USB总线设计高速数据采集系统,可提高系统的普遍适应性。
将数据输入到电脑后的控制处理即为上位机和下位机的操作。
机发出的命令首先给下位机,下位机再根据此命令解释成相应时序信号直接控制相应设备。
下位机不时读取设备状态数据(一般为模拟量),转换成数字信号反馈给上位机。
四、精度分析
要测圆台ABCD的锥度,前面已经说明只需测量角度a的值,如下图。
但是由于放置的时候圆台的轴线并不是理论的垂直于CCD的列阵,因为
圆台会在固定架上有一定程度的转动。
假如绕图中黑点
对应的垂直于纸面的轴线转动了个角度c(转动后圆台
轴线与理论轴线的夹角),此时如果再按照前面建立的数
学模型来计算将带来非常大的误差,严重影响测量精度。
因此,我们小组在解决这个问题时候,借鉴了精
密测角仪上消除偏心误差的对镜读数方法。
我们同时
测量圆台两边在CCD上成像的角度,
即可消除这种误差,这也正是我们设计旋转机械结构
的作用。
如右图,我们仍旧利用前面建立的数学模型,
只是同时测量角度x,y。
依数学关系,从图中可知:
图11:
测量误差图
因此,
,即为所测的角度。
该系统的总的分辨率由前面的分析可知:
MN3611作为线阵CCD器件,其同列像元的中心距t为14μm。
m值在这为光栅尺来回扫描设定的距离,我们选用的是MWS12小型数字量规(光栅尺),其测量范围在12mm,然而考虑到精度,我们的m值设定为10mm。
其分辨率为0.1μm,准确度为±0.4μm/12mm。
故最小分辨角即可求:
=arctan(14μm/10mm)=0.080度
t表示同列像元的中心距。
m表示两条相互平行的像敏单元阵列之间的间隔
按照前面也就是测量锥度的精度14μm/10mm=0.0014
该系统测量锥度的误差主要来自光栅尺的精度和线阵CCD的制作精度,我们小组除了再选用器材上考虑到了选用高精度的器件外,我们还考虑到了两者的误差综合匹配,和成本等问题。
另外,我们还在结构上设计了旋转机构来提高精度。
前面已经分析了,每旋转45度测量一次,共用4次,每次两个数。
表3:
测量结果的处理方式
测量次数
1
2
3
4
左边角度
a1
b1
c1
d1
右边角度
a2
b2
c2
d2
角度为
X1=0.5(a1+a1)
X2=0.5(b1+b1)
X3=0.5(c1+c1)
X4=0.5(d1+d1)
平均值
=1/8(a1+a1+b1+b1+c1+c1+d1+d1)
标准差
结果
3s
五、总结
本文利用线阵CCDMN3611传感器几何位置精度高、可靠性高、寿命长、适合较恶劣环境的特点,设计了在线非接触工件锥度测量系统。
系统包括光、机、电、算四部分,光学系统将被测工件成像在CCD的光敏面上;经过CCD驱动电路和二值化处理以及连接计算机进行数据采集,再将采集到的数据带入公式计算,便可得到被测工件外圆锥度;而且,机械系统中的旋转机构可以具有误差平均作用。
如果进一步提高光学系统的加工和装调精度,就能保证CCD感光面与像面的完全重合;若对CCD输出视频信号采用浮动阈值法进行二值化处理,可进一步提高系统的测试精度。
六、参考文献
[1]王彩霞.线阵CCD非接触直径测量系统设计
[2]刘国旗.一种通用量具测量外圆锥度的方法
[3]雷玉堂.叶声华.光电检测技术.中国计量出版社.2009.5
[4]郑理.CCD投影法直径测量系统的信号处理电路.2009.TM133
[5]蔡美琴.毛敏MCS-51系列单片机系统及其应用
[6]雷玉堂.叶胜华光电检测技术
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