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基于衍射法测量细丝直径的CCD系统设计
摘 要
近些年来，伴随着半导体技术与光电子学科技的迅速发展，在各个领域中广泛应用着大量光电器件。其中，电荷耦合器件（CCD）由于具有光电转换、像元尺寸小、几何精度高、性能稳定等优点，被大量用于非接触式直径测量领域。相对于接触式的直径测量方式，非接触直径测量具有测试速度快，精度高，对环境要求低等特点，因此使用范围较广。 本文对基于线阵CCD的非接触直径测量系统进行了较为全面的研究，并结合本课题的特点（测量细丝直径），提出了适合本课题的具体设计方案，在课题研究过程中，本文主要完成了以下几个工作：介绍了非接触直径测量的国内外发展现状及发展趋势。通过对线阵CCD特性及工作原理的分析，设计了一种基于线阵CCD非接触直径测量系统。 [1]

关键字：线阵 CCD 直径测量 衍射法

目 录
1 绪论 1
1.1前言 1
1.2基于CCD测径仪的国内外发展现状 2
2 测量原理和方案论证 3
2.1驻波测量导电金属细丝直径[4] 3
2.2衍射法测量细丝直径[5] 4
2.3双光束干涉法测量细丝直径[ 6] 4
小结 6
3 计算机程序设计 6
3.1系统的软件设计 6
3.2软件流程框图 7
3.2数据转换模块的设计 8
3.3显示及报警模块的设计 8
3.6系统程序 10
4 精度分析 11
4.1差分放大电路 11
4.2光学系统对测量精度的影响分析 11
4.2.1衍射 11
4.2.2环境光扰动 12
4.3信号处理电路对测量精度的影响分析 12
4.4零点漂移对测量精度的影响 12
4.5被测工件的均匀性对测量精度的影响 12
4.5.1误差分析 12
4.5.2标定误差 12
5 总结 13
参考文献 14

1 绪论
1.1前言
光电自动检测技术在工业自动化生产中有着极其广泛和重要的用途。然而，目前产品零件尺寸的检测大多数是人工测量的接触式和静止测量，所以检测速度低，生产效率低，劳动强度大，远远跟不上目前自动化生产的需要。尤其在全面质量管理过程中，更需要先进的、智能的检测手段。目前，国内外常采用激光扫描光电线径测量，但是这种方法受电机的温度及振动的影响，扫描恒速度的限制，会产生高温使其降低寿命。我们研制的基于线阵 CCD 便携式非接触直径测量仪器正是适应当前社会自动化生产的急需而设计的，该测径仪是一种光、机、电、一体化的产品。尤其适用于电缆、电线、玻璃管、轴类零件的外径测量，对保证产品质量，降低原材料消耗，降低生产成本，提高劳动生产率有着重大的经济效益和社会意义。
对各种细丝直径的测量常常关系到工业产品的级别，如钟表中的游丝、光导纤维、化学纤维、各种细线、电阻丝、集成电路引线以及种类仪器、标尺的刻线等。传统的测量方法多数为接触法，其它的有电阻法、称重法。也有采用光学方法的，如光学显微镜法、干涉法、扫描法、投影放大法、比较法等。然而，大多检测方法检测速度低，生产效率低，劳动强度大，远远跟不上目前自动化生产的需要。尤其在全面质量管理过程中，更需要先进的、智能的检测手段。目前，国内外常采用激光扫描光电线径测量，但是激光衍射细丝测量法比较适合于静态的高精度测量 ,当用于动态测量时会由于被测丝的晃动导致衍射条纹快速移动而失准 ,也难以快速得到测量结果 ,同时还具有结构复杂、格昂贵等缺点 ,不太适于现场快速测量细丝直径。基于CCD技术的快速发展及后续处理算法的日益真实有效故CCD在现代自动化生产中扮演者越来越重要的作用。为满足大工业化生产线阵CCD测量仪便应运而生，该测径仪是一种光、机、电、算于一体的产品。尤其适用于电缆、电线、玻璃管、轴类零件的外径测量，对保证产品质量，降低原材料消耗，降低生产成本，提高劳动生产率有着重大的经济效益和社会意义。[2]
1.2基于CCD测径仪的国内外发展现状
社会的进步重要体现就是科技的进步，科技进步主要体现使用劳动工具的进步。从18世纪工业革命以来，科学技术以前所未有的速度在突飞猛进的发展，特别是近50年来，随着现代化生产和加工技术的发展，对于加工零件的检测速度与精度有了更高的要求，向着高速度、高精度、非接触和在线检测方向发展。为此，工业发达国家对于检测仪器与设备速度与精度一直作为检测仪器的主要指标。CCD测径仪特别适用于电缆、电线的在线自动检测，对保证产品的质量，降低原材料消耗，降低生产成本，提高劳动生产率有着十分重要的意义，所以各国政府都很重视对测径仪的研究。英国Beta AS3系列全新的激光测径仪：LD1040-S(单向直径测量仪)、LD1040XY-S(双向直径测量仪)，精度：0.1μm，测量范围最广，单向测径仪最大可测直径达330.3mm，双向测径仪最大可测直径值达100mm，测量精度最高，最高测量精度可达0.1μm，是目前同类产品中的最高的测量精度。日本生产的 LS-7000 系列高速、高精度 CCD 测量仪器，如：LS-7030M（配备测量摄影机）测量范围：0.3mm～30mm，测量精度：±2μm，重复性精度：±1.5μm。LS-7010M（配备测量摄影机）测量范围：0.04mm～6mm，测量精度：±0.5μm。
国内由于自身的工业加工水平有限、测量原理的不完善和结构搭理欠合理，所以，国内生产的测径仪测量精度没有国外的精确，河北省激光研究所光电检测控制室生产的JCJ-1激光测径仪，是专为玻璃管生产线上玻璃管外径的测量、控制、分选而设计的集激光、精密机械、计算机于一体的智能化精密仪器。通过激光光束高速（200次/秒）扫描被测玻璃管，计算机实时采样处理，实现玻璃管直径在线非接触检测、控制，测量范围：0.5mm～60mm，测量精度：±0.01mm。广州一思通电子仪器厂生产的ETD-05系列激光测径仪，测量范围：0.2mm～30mm，测量精度：±2μm，ETD-05系列激光测径仪是一种基于激光扫描测量原理而设计的高精度非接触式的外径测量设备，仪器采用二维测量模式，有效消除工件振动造成的测量误差，特别适合生产现场的实时测量，适用于通信电缆、光缆、同轴电缆、漆包线、PVC管、铜管、纤维线等圆形线材的在线检测，也可用于其它各种圆形工件的外径测量。南京亿佰泰科技有限公司生产的 TLSM100 激光扫描测微仪，测量范围：0.2mm～30mm，测量精度：±3μm，是一种高精度、非接触的尺寸测量仪器。它通过激光束的扫描获得被测目标的尺寸，广泛用于测量热的、软的、易碎的以及其它传统方法不易测量的物体，而且很适合生产中的在线测量或者线材、棒材、管材、机械和电子元件以及其它生产过程的监控。TLSM100 的自动方式适用于连续的测量；手动方式适合单次测量。它可以设置上下偏差、峰值限制，当超限后做相应的报警；还可以计算最大值、最小值、平均值。例如：可以测量旋转圆柱体的最大值、最小值，辊子的偏差。我们研制的基于线阵 CCD测径仪测量范围：0.5mm～30mm，测量精度：±5μm，适用于对被测工件进行静态测量，也适用于生产现场的实时测量。[3]
2 测量原理和方案论证
在工业生产和科学实验中,经常碰到尺寸较小的细丝直径的测量问题.细丝直径测量的方法有许多,传统测量方法通常有两种:一种是细丝称重法,即称出一定长度的细丝的重量后,把细丝看成为均匀细长的圆柱体,然后根据材料的密度计算出细丝的直径;另一种方法是用游标卡尺或螺旋测微器手工测量。设计性实验的选题应体现实验内容的设计性和实验方法的多元性。有以下几种方法:
磁场方向
接线柱2
2.1驻波测量导电金属细丝直径[4]
接线柱1

劈尖B

磁钢
劈尖A
砝码

图 1驻波测量导电金属细丝直径实验装置

图1 所示的实验装置中,接线柱 1 和 2上的导线与金属细丝连接,构成通电回路。金 属细丝一端固定,另一端接在破码盘上用以产生张力。中间由 A、B 两个壁尖支柱,金属细丝下方放置磁钢,通有电流的金属弦线在磁场中会受到安培力的作用,弦线上接通正弦 交变电流时,它在磁场中所受与磁场方向和电流方向均为垂直的安培力,也随之发生正弦变化,移动劈尖改变弦长,当弦长是半波长的整倍数时,弦线上便会形成驻波。此时,金属细丝A、B 两端之间的距离L等于半波长的整数倍: 即 L =nλ2 式中n为金属细丝上驻波的波段数,即半波数。由波动理论可知,金属细丝中横波的传播速度为:v=Tρ式中 T 为金属细丝的张力,ρ是金属细丝的线密度。波速、频率与波长的关系:υ= fλ,得: ρ=n2T4f2L2由金属细丝线密度ρ和体密度ρ′的关系可以求出金属细丝的直径为:d=2ρπρ
2.2衍射法测量细丝直径[5]
衍射法测量细丝直径平行光束照射细丝时,其衍射效应和狭缝一样,在接收屏上得到同样的明暗相间的条纹。
S

X

f
激光器

细丝
观察屏

L

图 2为细丝的衍射图
图2 为细丝的衍射图,当L≫d2λ时为夫琅和费衍射,观察屏上光强分布为:I=I0sin2(πdsinϕ/λ(πdsinϕ/λ)2当 dsin K =±kλ ,k =1,2…时出现暗纹,设第 k 级暗纹离光轴的距离为xK由xK << L ,则有:细丝的直径d=klλxk=LλS式中: S为衍射暗条纹间距,d 为细丝直径,L为细丝距观察屏的距离。已知L和光波长λ,测出S或xK ,可得到钢丝的直径d。
2.3双光束干涉法测量细丝直径[ 6]
测量装置如图 3所示,待测金属丝的轴垂直于纸面,激光束由分束器PS分束,经过全反镜 M1,M2和M3相向入射到细丝上,光束在细丝表面上反射后的光波产生平直的干涉条纹,在两入射光束垂直方向上放置的 CCD相机摄取条纹图进入微机处理。

激光器

M3
PC
PS 细丝 CCD

M1 M2

图 3双光束干涉法测量细丝直径装置图

A1 B1 r1 P

d r2 Y

R O

B2 D
A2

图 4两反射光线干涉光路
图 4表示两反射光线产生干涉的光路,实验中观测距离 D 一般比细丝直径 d 以及观测区域Y大很多,因此上下测两光线的入射角大都在45°角附近。由几何光学,在45°角入射点,附近的细光束反射产生虚线源,他们的位置
观察屏 OP 上的条纹类似于杨氏双缝的干涉条纹,可知道条纹光强度。
条纹间距为:

由CCD 摄取条纹图片进入计算机处理。如果得到条纹间距,细丝到相机的距离 D , 已知入射激光束的波长λ,便可得到细丝的直径d。
小结
与同类测量系统比较，CCD细丝直径测量系统具有测量速度快，测量精度高，抗干扰能力强等优良特点，是一种非接触式的测量系统，属无损伤测量，不影响加工系统正常运行，非常适合于生产线上尺寸的测量。该设计方案集成化程度高，可与计算机相联，可进行测量数据的集中采集和分析，以便进行质量分析和统计，并在生产过程中出现质量问题时进行报警提示，便于控制和自动化生产。
综合上述分析及我们小组的讨论研究，我们决定采用基于衍射法的CCD细丝直径测试仪的设计方案。
3 计算机程序设计
3.1系统的软件设计
系统的软件由主程序模块、数据采集模块和显示报警模块三大模块组成。在主程序中首先给定参数值，然后通过启动AD转换循环显示当前值。
Y
Y
N
N
启动A/D
转换
转换完成
开始

初始化
不符合要求
LCD1602
显示
绿灯亮

结束
红灯亮，蜂鸣器报警

3.2软件流程框图

3.2数据转换模块的设计
外部的模拟信号量需要转变成数字量才能进一步的由单片机进行处理。ADC0808可以非常方便的处理输入的模拟信号量。 ADC通过逐次比较方式，将输入端的模拟电压转换成8位的数字量。
while(1)
{
ST = 0; delay1ms(1);
ST = 1; delay1ms(1);
ST = 0;//寄存器SAR复位，启动ADC0809
while(1)
{
if(EOC == 1)//ADC0808转换结束后改引脚为高低平
{
OE = 1;//输出允许信号为1时表示把ADC0808采集的数据输出
getdata=P0;//把采集到的数据送到P0口处理
OE = 0;//又打开ADC0808继续开始转换
｝
3.3显示及报警模块的设计
经由单片机处理后的数字量通过LCD1602进行显示当前的细丝直径，同时如果当前的细丝直径大于1.01mm或小于0.99mm，则红灯亮同时蜂鸣器报警。
void init_play()//初始化显示
{
lcd_init();
wr_com(0x80);//第1行第一列
display(str1); //显示Consentration
wr_com(0xc0); //第二行第一列
display(str2); //显示空格
wr_com(0xc9); //第二行第九列
display(str3);//显示ppm
}
void show_Concentration()//细丝直径显示
{
disdata[1]=con%1000/100+0x30;//百位数
disdata[2]=con%100/10+0x30;//十位数
disdata[3]=con%10+0x30;//个位数
if(disdata[1]==0x30)
disdata[1]=0x20;//如果千位为0，百位为0也不显示
if(disdata[2]==0x30)
disdata[2]=0x20;//如果千位为0，百位为0,十位为0也不显示
wr_com(0xc4);
wr_dat(disdata[1]);//显示百位
wr_com(0xc5);
wr_dat(disdata[2]);//显示十位
wr_com(0xc6);
wr_dat(disdata[3]);//显示个位
}
show_Concentration();//LCD1602显示
con=getdata*100;
if(con >99&&con<101)//如果符合要求不报警
{
G_LED=0;
R_LED=1;
SPK=1;
}
else //如果不符合要求声光报警
{
G_LED=1;
R_LED=0;
SPK=0;
}
break;//跳出继续进行ADC0808的采集
3.6系统程序
void main()//主函数

{
Init();//定时器初始化
init_play();//初始化显示
while(1)
{
ST = 0; delay1ms(1);
ST = 1; delay1ms(1);
ST = 0;//寄存器SAR复位，启动ADC0809
while(1)
{
if(EOC == 1)//ADC0808转换结束后改引脚为高低平
{
OE = 1;//输出允许信号为1时表示ADC0808把采集的数据输出
getdata=P0;//把采集到的数据送到P0口处理
OE = 0;//又打开ADC0808继续开始转换
con=getdata*100;//因为有AD采集回来的数为0~255；显示直径为0~5000
show_Concentration(con >99&&con<101));
if()//如果符合要求不报警
{
G_LED=0;
R_LED=1;
SPK=1;
}
else //如果不符合要求则声光报警
{
G_LED=1;
R_LED=0;
SPK=0;
}
break;//跳出继续进行ADC0808的采集
}
}
}
}
4 精度分析
4.1差分放大电路
VS为有用视频信号输出，CS为输出复位电平信号。因此，在外部电路采用差分比例运算电路时，把这两个信号加到差分比例运算电路的两个输入端即可很好地消除噪声，并可得到有用信号。下面对差分比例运算电路进行一下分析：首先，我们设VS输出的CCD信号（含噪声）电压为Ui1，CS端输出信号电压为Ui2。这里，我们知道Ui1=Ui2+UCCD（其中UCCD为不含噪声的CCD输出信号），实际上，我们可以把Ui和Ui′这一对输入信号看成是一对共模信号和一对差模信号组成。

4.2光学系统对测量精度的影响分析
4.2.1衍射
光线在细丝上会产生衍射效应，衍射会导致线性度变差。实验证明：在20um以上，线性度是比较好的；在20um以下线性度较差，但Vi与d的正相关关系没有改变，此时应采用值运算以合法来提高精度。
4.2.2环境光扰动
环境光扰动会降低信噪比，影响测量精度，在使用了滤波片已滤出了大部分干扰光，再加上遮光罩可使环境光扰动忽略不计。
4.3信号处理电路对测量精度的影响分析
由于外界环境及电路自身元器件的不稳定性，会使得测量结果偏离理想状况。
4.4零点漂移对测量精度的影响
什么是零点漂移现象：输入为零输出不为零的情况。
产生原因：温度变化，直流电源波动，器件老化，其中晶体管的特性对温是主要原因，故也称零漂为温漂.客服温漂的方法：引入直流负反馈，温度补偿，典型电路：查分放大电路。
4.5被测工件的均匀性对测量精度的影响
在生产过程中，轴类零件，电缆或电线的外径有时不很均匀。被测工件经过光照在CCD成像，线径不等时则被照部分CCD输出脉冲数与均匀被测工件被照部分的CCD输出脉冲不等反应到测量结果上就会产生测量误差，在设计中，我们采用对被测工件的多次测量，然后求平均值的方法来消除这种误差，粗大误差也影响测量精度，但它是由外界条件的突然变化引起的，当外界条件改变时引起CCD输出信号的不稳定，只要保证外界条件持续稳定，则粗大误差就很少发生。
4.5.1误差分析
在实验过程中，我们分别对直径D=1.0mm的标准件进行了三次测量，每一组采取多次重复测量，取平均值，并进行相应的精度计算。
 4.5.2标定误差
图像处理在使用前都会与有一个相对的测量单位对所测量的对象进行标定（在此处对CCD象元尺寸进行标定）。在细丝直径检测算法中，采用的是屏幕后续检测单位标定法。标定中难免会有误差引入，但该误差属于系统误差。
5 总结
通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关光电仪器设计方面的知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。实践出真知，通过亲自动手制作，使我们掌握的知识不再是纸上谈兵。 
过而能改，善莫大焉。在课程设计过程中，我们不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获取。本身就是在践行“过而能改，善莫大焉”的知行观。这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在老师的指导和同学的帮助下，终于游逆而解。在今后社会的发展和学习实践过程中，一定要不懈努力，不能遇到问题就想到要退缩，一定要不厌其烦的发现问题所在，然后一一进行解决，只有这样，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上披荆斩棘，而不是知难而退，那样永远不可能收获成功，收获喜悦，也永远不可能得到社会及他人对你的认可！

参考文献
[ 1 ]和志忠. 基于线阵CCD的非接触直径测量系统研究[D]. 河北工业大学, 2014.
[ 2 ]樊富友. 基于线阵CCD的便携式非接触直径测量系统设计[D]. 长春理工大学, 2008.
[ 3 ]王丽娟. CCD-Ⅰ型电线电缆动态测径仪[J]. 电气应用, 1988(5).
[ 4 ]姜　华. 一种测量金属细丝直径的新方法[ J ] . 青海大学学报(自然科学版) , 2006
[ 5 ]孙定源、周桂贤、郑德锋. 衍射法测量细丝直径的研究[ J ] . 辽宁大学学报(自然科学版) , 2003
[ 6 ]高　伟、吴卫民、孙晓红等. 细丝直径的双光束干涉法[ J ] . 量子电子学报, 1999
[ 7 ]李 焘. 基于线阵CCD的钢丝直径测量系统研究[D]. 华中科技大学, 2012.