基于面陣CCD的寬度測量系統(tǒng)設計

李莎

摘 要 文章提出了一種基于面陣CCD的寬度非接觸測量系統(tǒng)，介紹了該系統(tǒng)的測量原理及硬件組成，采用藍牙4.0技術實現(xiàn)采集信號到計算機的無線傳輸。實驗對不同寬度的鋼板進行測量，結果表明該系統(tǒng)測量誤差小、效果好，具有一定的實用價值。

關鍵詞 CCD 寬度測量 藍牙4.0 非接觸測量

中圖分類號：TB96 文獻標識碼：A

Width Measurement System Design Based on Array CCD

LI Sha

（School of Physics and Mechanical and Electrical Engineering， Hubei University of Education， Wuhan， Hubei 430205）

Abstract Proposed width of the non-contact measurement system based on CCD array， introduced the measurement principle and hardware of the system components， the use of Bluetooth 4.0 technology for wireless transmission of acquired signals to the computer. Experiment with different widths of steel were measured， the results show that the system measurement error is small， the effect is good， has some practical value.

Key words CCD； width measurement； Bluetooth 4.0； non-contact measurement

0 引言

CCD（Charge Coupled Device），電荷耦合器件，是貝爾實驗室在20世紀60年代末期發(fā)明的圖像傳感器。由于其在檢測方面的獨特空間特性和結構特性，CCD自問世以來便廣泛應用于光電檢測領域，尤其在工業(yè)在線檢測領域具有不可替代的地位。與傳統(tǒng)的機械式、電磁式、光學式檢測技術相比，基于CCD傳感器的非接觸式檢測技術在尺寸檢測的智能化和自動化方面體現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢。文獻[1]提出一種基于面陣 CCD 和激光輔助的測寬系統(tǒng)用于在線測量鋼板寬度。文獻[2]采用兩個面陣CCD的圖像拼接方法實現(xiàn)對 130mm的大尺寸軸徑的高精度測量，并就圖像拼接時需要注意的問題進行了說明。文獻[3]介紹了一種基于面陣CCD的振動非接觸測量系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)參數(shù)的確定方法和系統(tǒng)所采集的序列運動圖像的處理方法進行了分析。本文介紹一種基于面陣CCD的寬度測量系統(tǒng)，并運用藍牙4.0技術實現(xiàn)圖像信息的傳輸。藍牙4.0整合包括傳統(tǒng)藍牙技術、藍牙低耗能技術和藍牙高速技術，低功耗是藍牙4.0的突出特點，使其在短距無線應用和便攜式操作控制方面具有優(yōu)勢。

1 硬件系統(tǒng)組成

基于面陣CCD的非接觸測量系統(tǒng)的硬件部分由面陣 CCD、傳感器固定附件、圖像采集模塊以及計算機組成，如圖1所示。CCD將被測物體成象后的光信號轉換為電信號，圖像采集模塊則進行模數(shù)轉換獲得相應的數(shù)字信號，運用藍牙4.0技術實現(xiàn)信號的無線傳輸，通過計算機上的圖像處理軟件對獲取的圖像進行處理、提取，最終將計算的測量結果輸出。

1.1 CCD圖像傳感器

CCD圖像傳感器將光學信號直接轉換為對應大小的模擬電流信號，再經(jīng)放大和模數(shù)轉換從而實現(xiàn)圖像的獲取、存儲、傳輸和處理。根據(jù)感光單元的排列方式不同，CCD可分為線陣CCD和面陣CCD兩大類。前者價格低廉，結構簡單，適用于一維動態(tài)目標的測量，但在獲取二維圖像時需配以運動掃描，獲取時間長且測量效率低，不適于高精度的平面曲線輪廓檢測；后者則應用面較廣，可以獲取二維圖像信息，測量圖像直觀，適合測量面積、尺寸、位置、形狀甚至溫度等信息。面陣CCD圖像傳感器是感光單元有序排列成二維網(wǎng)狀的傳感器，因其具備自掃描特性，能夠把光學圖像變換成按空間域分布的離散電壓信號，再通過計算機系統(tǒng)進行處理，就可以完全實現(xiàn)高精度、高分辨率檢測。①

圖1 測量系統(tǒng)框圖

圖2 CCD檢測原理

用面陣CCD的非接觸測量物體寬度的原理如圖2所示，光源發(fā)出的均勻光線照在被測物體上，其寬度信號通過成象物鏡成象在面陣CCD的光敏面上，CCD再將光信號轉換成對應的模擬電信號。

1.2 藍牙4.0

藍牙無線技術是使用范圍最廣泛的全球短距離無線標準之一，藍牙4.0包括了傳統(tǒng)藍牙、高速藍牙和低功耗藍牙三種藍牙技術。②③低功耗技術（Low Energy）是藍牙4.0的核心，其最大的特點是運行功耗和待機功耗極低，只需一粒紐扣電池便可使藍牙低功耗設備連續(xù)工作達數(shù)年之久，這種技術即為藍牙4.0BLE。測量系統(tǒng)中，由CCD獲取的模擬電信號經(jīng)圖像采集模塊轉換為數(shù)字信號后，采用藍牙4.0技術傳輸至計算機端進行相應的處理。藍牙無線傳輸技術可以實現(xiàn)非接觸測量系統(tǒng)的便攜式操作和戶外應用。藍牙4.0BLE不僅有低功耗特點，還具有高可靠性、高安全性、低成本、快速啟動、瞬間連接的特點，其有效的傳輸距離較傳統(tǒng)藍牙有極大提高，可達60～100m。這些保證了測量系統(tǒng)的無線傳輸?shù)目煽亢透咝В泊蟠筇岣吡藨敉夥墙佑|測量的應用范圍。

表1 鋼板寬度測量記錄

2 測量實驗

為了檢測系統(tǒng)的測量效果，實驗選取10塊不同寬度的鋼板進行測量，選用激光光源照在被測鋼板上，測量結果見表1。數(shù)據(jù)顯示10次測量的誤差8在0.1mm以內，10次測量誤差的平均值為0.08743mm，測量效果是理想的。測量誤差主要是因為系統(tǒng)中存在光學系統(tǒng)造成的誤差、環(huán)境誤差、設備誤差等。

3 結語

本文介紹了一種簡單易行的非接觸式寬度測量系統(tǒng)，利用面陣CCD攝像機獲取被測物體的圖像，接著經(jīng)圖像采集模塊進行模數(shù)轉換，并通過藍牙無線傳輸技術傳送至計算機，再經(jīng)圖像處理獲得寬度值。實驗對10塊不同的鋼板進行測量，測量誤差較小，效果理想，證明了本系統(tǒng)是可行的。

基金項目：湖北省教育廳科學研究計劃資助項目（Q20133006）

注釋

① 郭偉.基于面陣CCD的鋼板幾何尺寸測量系統(tǒng)的研究[D].太原科技大學碩士學位論文，2013.

② 歐陽駿，陳子龍，黃寧淋.藍牙4.0BLE開發(fā)完全手冊[M].北京：化學工業(yè)出版社，2013.4.

③ 張德龍.基于藍牙 4.0 的無線扭矩測量分析[J].電子測試，2013.15：79-80，62.

參考文獻

[1] 秦廣勝，何對燕，商紅林.一種新的激光輔助鋼板寬度測量系統(tǒng)的實現(xiàn)[J].電子設計工程，2009.10：31-33.

[2] 王慶有，蔡銳，馬愈昭，齊龍.采用面陣CCD對大尺寸軸徑進行高精度測量的研究[J].光電工程，2003.12：36-38.

[3] 劉拓群.基于面陣CCD的振動非接觸測量[J].機械與電子，2002.4：76-77.