線陣CCD非接觸直徑測量系統設計

王彩霞

(長春理工大學電子信息工程學院，吉林 長春 130022)

0 引言

現代工業生產的發展對工件直徑、表面輪廓、幾何尺寸的測量提出了新的要求。傳統的接觸式測量方法存在其固有的局限性，往往在環境惡劣的條件下存在難以使用、生產線上難以實現動態在線測量、人為讀數導致測量精度低等問題。因此，非接觸測量方法越來越受到業界的普遍關注。現有的非接觸測量方法存在自動化和智能化程度低的弊端，研究高精度、高速度、自動化、智能化、小型化的直徑測量系統已成為非接觸測量領域技術人員的研究重點［1］。

本文闡述了如何設計直徑測量系統的光學照明系統和光學成像系統，以及如何采用現代圖像傳感電荷耦合技術和單片機技術實現對生產線上的工件直徑進行測量并達到微米級測量精度。本文針對工件直徑測量提出了光電檢測方法。與傳統的機械檢測方法相比，光電檢測法具有許多優點，它能夠以非接觸的方式檢測被加工產品，測量中對工件無磨損，可消除人為誤差，保證了系統的測量精度。

1 測量原理

電荷耦合器件(charge couple device，CCD)是一種特殊的半導體器件和新型的固體成像器件。CCD由一系列排列緊密的MOS電容器組成，其突出特點是以電荷作為信號［2］。CCD芯片上有許多光敏單元，它們可以將不同的光信號轉換成電荷輸出，從而形成對應原始光圖像的電荷圖像。當被測工件放置在線陣CCD前端時，光學系統會把被測工件成像在CCD的光敏面上。在CCD驅動信號的作用下，被測工件與背景在光強分布上的變化被反映在CCD輸出的視頻信號中。線陣CCD測量工件直徑的原理框圖如圖1所示。

圖1 線陣CCD測量原理框圖Fig.1 Block diagram of linear array CCD measurement

圖1中，被測工件被照明系統均勻照明后，經光學成像系統按一定倍率成像于線陣CCD圖像傳感器上。工件光學成像示意圖如圖2所示。

圖2 工件成像示意圖Fig.2 Schematic of work-piece imaging

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為光學系統的放大率;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(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，則有:

式中:N為所計脈沖個數(亦即工件影像d'所遮擋的CCD像元個數);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。

2 硬件設計

2.1 光學系統的設計

基于線陣CCD的非接觸直徑測量系統以光電CCD器件作為接收器，屬于光電能量轉換系統。CCD對物體的取樣是通過光學系統實現的，CCD像敏元上所成像的穩定性與準確性對系統測量精度影響很大。為滿足系統的測量精度，光學系統設計時必須做到像面照度分布均勻、雜散光少、成像幾何畸變小［4－5］。光學系統的設計主要包括照明系統設計和成像光學系統設計。該測量系統對照明系統的要求是照度均勻、穩定和能提供足夠的光強。

在照明系統設計中，涉及到光源的選擇和照明方式。由于該照明系統的設計依據是通過測量被檢測物體的像來測量被檢測物體的特征參數，因此，光源選擇LED，光照方式采用柯拉照明方式，成像光學系統確定為物方遠心光路。

2.2 CCD 電路設計

2.2.1 CCD 選擇

工程測量中，CCD器件選擇的主要依據是測量精度和測量范圍。為了獲得圖像細節，必須要保證CCD的空間分辨率。按照采樣定理的要求，如果已知圖像的最大空間頻率(即每毫米的線數)，則抽樣頻率應大于圖像最大空間頻率的2倍。例如，設圖像的最大空間頻率為每毫米40條線數，則抽樣頻率應大于或等于每毫米80條線數，對應的抽樣尺寸(分辨率)為1/80=12.5 μm。我們應根據所求得的抽樣尺寸選擇CCD器件。CCD的抽樣尺寸即為所要求的CCD的像元尺寸。若CCD的像元數為N，則其所能測量的最大尺寸也就確定，即為(N×像元數)/β，其中β為光學系統的放大率。

此外，還要保證圖像的亮度值處于CCD器件的轉換特性允許的動態范圍之內，確保轉換后的圖像信息不失真。如果光學圖像亮度值在時間坐標上還有變化(即動態測量)，則圖像亮度對時間的變化上有一個最高截止頻率。按照采樣頻率定理，CCD在時間坐標上對光學圖像的采樣頻率應保證大于或等于圖像最高截止頻率的2倍。由此可以確定允許的CCD光積分時間和計算機對信息采集的時間。為保證被測信號的質量，實際采樣頻率取被測信號最高頻率的3～4倍，有時甚至取到10倍。

CCD的像元是由光敏材料制成的。由于材料本身的性能所限，在光電轉換時，CCD的各像元存在響應非均勻性和單個像元響應的非線性問題，這都將對測量精度產生影響。因此，選擇器件時，應選用響應非均勻性低和線性度好的器件。

由于本文是在實驗室條件下完成對被測工件直徑的測量，因此，對積分時間和光譜響應靈敏度無特別要求，主要是根據測量精度來確定CCD的分辨率。

綜合考慮以上CCD選擇的基本原則，并針對本系統測量精度為±5 μm的要求，系統最后選用MN3611作為線陣CCD器件［6］，有效像元為2160，像元間距為14 μm，采用細分可以達到所需要的最小像元數和測量精度;采用兩相脈沖驅動，且驅動脈沖頻率可調(由CPLD 實現)［7－8］。器件工作時，RS為復位脈沖，標準值為1 MHz為雙相驅動時鐘，時鐘頻率標準值為0.5 MHz為轉移脈沖，脈沖寬度標準值為1000 ns。

2.2.2 CCD 驅動電路設計

當線陣CCD器件MN3611工作時，需要提供四路脈沖，分別是轉移脈沖、驅動脈沖、復位脈沖，其時序由CPLD來實現。CPLD輸出的四路脈沖經反相驅動器反相后疊加到MN3611的相位管腳上。在這四路驅動脈沖的作用下，該器件將輸出OS信號(即經過光積分的有效電信號)和DOS信號(即補償信號)。硬件線路的連接如圖3所示。

圖3 MN3611驅動電路Fig.3 Driving circuit of MN3611

從圖3可以看出，DOS信號反映了CCD的暗電流特性，也反映了CCD在復位脈沖的作用下信號傳輸溝道產生的容性干擾。共模干擾可利用差動放大器進行抑制。

2.3 CCD信號檢測電路設計

由于被測工件的表面不一定是鏡面，因此，在CCD光敏面上將得到一部分光強，經過CCD器件轉換的光電信號比較微弱，在設計CCD信號檢測電路時應注意采用低噪聲器件［9］。信號檢測電路在實現時所選用的電阻一定保證是金屬膜電阻;電容采用鉭電解電容器、云母電容器和磁介質電容器;晶體管選用低噪聲晶體管，設計選擇最佳工作點，并進行噪聲匹配，以進行降噪處理。

CCD信號檢測電路如圖4所示。

圖4 CCD信號檢測電路Fig.4 Detecting circuit of CCD signal

圖4中，CCD信號檢測電路被設計為三級，目的在于盡量減小噪聲干擾。第一級是射極跟隨器電路，CCD器件輸出信號通過第一級射極跟隨器進行阻抗匹配，可以減少相互干擾，防止測量短路或靜電感應尖脈沖對CCD器件的損害;同時，射極跟隨器實現了增益近似為1、輸出與輸入同相的功能，具有高輸入阻抗、低輸出阻抗和帶載能力強的優點。第二級和第三級采用共發-共基電路，既提高了電路的上限頻率，又改善了信號輸出的信噪比。

2.4 二值化電路設計

在CCD輸出的視頻電壓信號中，低電平部分表征實際工件尺寸的大小，高電平部分表征背景光信號的大小，也就是說，工件與背景光信號的差異在CCD輸出信號中體現為電平的明顯變化。因此，需要通過二值化處理，把CCD視頻信號中工件尺寸部分與背景光部分分離成二值電平。

實現CCD視頻信號二值化的方法主要有固定閾值法、浮動閾值法［10］和微分法，一般用硬件電路實現。無論采用哪種信號處理方式，都是為了從CCD的輸出信號中提取真正表示被測工件邊界的特征點。本文采用固定閾值法實現二值化，線陣CCD二值化電路圖如圖5所示。

圖5中，CCD輸出的放大視頻信號送入電壓比較器的同相輸入端，比較器的反相輸入端加可調電位器就構成了固定閾值二值化電路。CCD視頻信號經電壓比較器后輸出的是二值化方波信號。調節閾值電壓，方波脈沖的前、后沿將發生移動，使脈沖寬度發生變化。當CCD輸出的視頻信號含有被測物體直徑的信息時，可以通過適當地調節閾值電壓，獲得方波脈沖寬度與被測物體直徑的精確關系。

3 數據采集程序設計

CCD輸出的視頻信號經過電路處理轉化為二值化信號后輸入到單片機的 P1.5口，單片機對 P1.5口進行查詢，完成數據采集。當P1.5口為0時開始計數，否則等待;繼續查詢，當P1.5口為1時，停止計數，關閉計數器，然后將計數器清0，繼續循環測量。單片機控制采集CCD輸出脈沖信號的流程如圖6所示。

圖6 單片機處理軟件流程圖Fig.6 Software flowchart of the single chip computer

根據圖6的計數結果，再乘以脈沖當量，計算出被測工件直徑在CCD成像中的大小，然后代入式(1)～式(3)，即可確定被測工件的實際尺寸。

4 測試數據及分析

試驗中，分別對直徑為φ=1.770 mm、φ=16.990 mm、φ=28.997 mm的標準件進行了測量，測量結果如表1所示。

從表1可以看出，對每個標準工件進行9次測量，每一次測量值與真值的差值均小于5 μm，滿足測量精度的設計要求。同時，軟件上采用平均值濾波算法，可以進一步提高系統的測量精度。

表1 3種標準工件測量結果Tab.1 Measuring results of 3 standard working pieces

5 結束語

本文利用線陣CCD MN3611傳感器幾何位置精度高、可靠性高、壽命長、適合較惡劣環境的特點，設計了在線非接觸工件直徑測量系統，研究了系統的軟硬件設計并展開了試驗研究。試驗結果表明，系統測量精度高，均在±5 μm之內。如果進一步提高光學系統的加工和裝調精度，就能保證CCD感光面與像面的完全重合;對CCD輸出視頻信號采用浮動閾值法進行二值化處理等，可進一步提高系統的測試精度。

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