影響線性CCD非接觸測徑結果因素的研究

楊濤 楊云 李震春

摘? 要：該文研究影響線性CCD非接觸測量細絲直徑精度的因素，通過改變光源強度，研究光強對測量結果的影響;利用直徑不同的標準細絲定標，研究被測細絲直徑與標準細絲直徑之間的關系，為二次定標和高次定標提供參考。實驗結果表明光強比例在50%到90%，測量結果變化較小，精度較高，且被測細絲直徑越接近標準細絲直徑測量結果越準確。

關鍵詞：光源強度? 標準細絲? 被測細絲? 偏差

中圖分類號：TH741? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A文章編號：1672-3791（2020）11（a）-0089-05

Study on the Factors Influencing the Results of Non-Contactmeasurement of Linear CCD Diameter

YANG Tao? YANG Yun? LI Zhenchun

（School of Materials Science and Engineering， Guilin University of Electronic Technology，Guilin， Guangxi zhuang autonomous region， 541004? China）

Abstract： This paper studies the factors that affect the precision of non-contact measurement of filament diameter by linear CCD， which provides reference for secondary calibration and higher. By changing the intensity of light source， the influence of light intensity on measurement results is studied. By using the standard filament calibration with different diameters， the relationship between the measured filament diameter and the standard filament diameter is studied. The experimental results show that the ratio of light intensity is between 50% and 90%， the measurement results change little and the accuracy is high， and the closer the measured filament diameter is to the standard filament diameter， the more accurate the measurement results are.

Key Word： Intensity of light source; Standard filament; Measured filaments; Deviation

隨著科學技術的發展，傳感器已經大規模應用在人類社會的各個領域。而CCD是一種能把光信號轉化成電信號的傳感器，具有體積小、質量輕、功耗低、可靠性高、壽命長、圖像畸變小、有較高的空間分辨力、易與電腦連接等優點，所以應用非常廣泛[1-3]。

細絲在我們日常生活和高端設備中有著廣泛的應用，而細絲直徑是一個重要參數。細絲直徑的測量方法很多，有游標卡尺和千分尺直接測量方法，有用密度、電橋、光杠桿、光的衍射等間接測量方法，但這些方法有的直接接觸被測細絲，測量過程中容易引起細絲的形變，有的測量精度較低，有的成本較高。而利用線性CCD的優點，采用非接觸測量，不僅測量精度提高，而且成本低，被測物不發生形變[4]。

該文利用DM99型CCD測徑儀，在系統定標下測量0.8～3 mm以內細絲直徑，通過光源強度的變化，研究光強對測量結果的影響，利用直徑不同的標準細絲定標，測量被測細絲直徑，研究被測細絲直徑與標準細絲直徑之間的關系。

1? 實驗方法

DM99型CCD測徑儀是南京浪博開發的一款測量微細線徑的實驗儀器，可選用投影法、放大成像法測量0.8～3 mm以內的物體直徑，具有多種信息處理算法選擇及效果分析，提供了一種非接觸方式，實時在線的高精度測量手段，實用性強，分辨率可達0.1 μm。為了能比較好的研究對測量結果影響的因素，采用系統定標和梯度邊緣檢測法，研究光源強度對測量結果的影響和標準細絲與被測細絲直徑大小關系對測量結果的影響。

系統定標的數學模型是：d=kN，式中，d是細絲直徑;k是像元分辨率;N是細絲所遮擋的像元個數。細絲像元個數N是由電腦的計數脈沖獲得，像元分辨率k是用標準細絲確定的。

在研究光源強度對測量結果影響的實驗中，在0.8～3 mm之間選取一組標準細絲，對系統定標;選取一組被測細絲，測量被測細絲直徑。光源強度從20%（縱坐標顯示）開始變化，每次光源強度增加10%，測量結果與參考值比較，研究光源強度對測量結果影響的規律。

在研究標準細絲與被測細絲直徑大小關系對測量結果的影響實驗中，固定光源強度，在0.8～3 mm之間選取一組標準細絲，標準細絲直徑用千分尺測量，選取一組被測細絲，用千分尺測出直徑作為參考值。由細到粗依次選取標準細絲做系統定標，定標后測量選取的一組被測細絲直徑，測量結果與參考值比較分析，尋找標準細絲與被測細絲直徑大小關系對測量結果的影響規律。

2? 數據測量與分析

2.1 光源強度對測量結果影響

首先選取4根標準細絲和4根被測細絲，千分尺分別測出標準細絲的標準值和被測細絲的參考值。每一根標準細絲和直徑相近的被測細絲組成一組，由標準細絲定標，光源強度從20%增加到100%，每次增加10%，測量被測細絲直徑dc測i的數據（見表1）。

CCD系統測量值與千分尺所測被測細絲直徑比較，求出其絕對誤差?i=d4測i-dc測i，其數據具體見表2。

根據表2數據，以光源強度的百分比為橫坐標，被測細絲直徑的絕對誤差為縱坐標，光強與被測細絲直徑絕對誤差的關系見圖1。

從圖1我們能看出：光強由弱變強的過程中，被測細絲直徑測量值絕對誤差由負變正，根據?i=d4測i-dc測i，說明測量值逐漸變小;光強從50%到90%變化時，被測細絲直徑的測量值變化較小，說明光強在這個區間測量精度較高，但準確度不高;而光強從40%到50%的變化過程中，絕對誤差由負變正，說明在這個區間測量準確度較高，但曲線斜率較大，精度偏低;當光強超過100%后，測量值減小加劇，測量的精度與準確度都降低。產生這一現象的原因在于：隨著光強的逐漸增強，亞像素級邊緣位置逐漸向區域內部移動，且變化趨勢放緩;當光強增強到一定強度后，亞像素級邊緣位置迅速向區域內部移動[5]。

2.2 標準細絲與被測細絲直徑之間的關系

在實驗研究1的基礎上，選擇40%～50%光強，選取一組標準細絲和被測細絲，用千分尺測出標準細絲直徑，并對CCD系統定標獲得元分辨率ki，測得被測細絲的直徑dc測i，獲得數據見表3。

用千分尺測出被測細絲直徑，作為與CCD測量值比較的參考值，用表3被測細絲直徑與千分尺測的被測細絲直徑比較，獲得其絕對誤差?i，并取其絕對值∣?i∣，數據見表4。

觀察表4中數據，發現數據矩陣的對角線上的數據很小，即CCD測量的被測細絲直徑接近千分尺測量的結果。為了更加清楚地發現規律，根據表4數據，以標準細絲由細到粗的編號為橫坐標，被測細絲絕對誤差的絕對值為縱坐標，獲得圖2。

圖2中（a）是不同標準細絲定標與被測細絲1測量結果偏差的絕對值分布情況，被測細絲1的參考值為772 μm，我們可以看出，標準細絲1定標時，測量結果偏差最小，標準細絲與被測細絲直徑相差越大，其測量結果的偏差有變大的趨勢。從圖（a）（b）（c）（d）（e）（f）都能看出這個變化規律，即：被測細絲直徑與標準細絲直徑越接近，測量結果的偏差越小，也就是測量越準確。

3? 結語

通過上述實驗，我們發現光源強度的變化對被測細絲直徑的測量結果有明顯的影響，選擇光強比例在50%到90%之間，測量結果變化比較小，而在50%附近，測量應該是最準確的。在定標標準細絲直徑與被測細絲直徑測量值關系的研究中，我們發現被測細絲直徑與標準細絲直徑越接近，測量的結果越準確。這一特性為分段二次定標奠定了實驗基礎。

參考文獻

[1] Wei T， Rui. W， Tingfeng W， et al. Outeld experiment of semiconductor laser jamming on color CCD camera[J].Optik，2018（173）：185–192.

[2] 盧佳寶，韓學輝，王彩霞.基于線陣CCD的精密尺寸測量系統[J].光電子? 激光，2019，30（9）：935-940.

[3] 徐航，崔江紅，席建普，等.基于線陣CCD的軸類零件直徑測量儀設計[J].中原工學院學報，2017，28（6）：16-18.

[4] 陳青.基于數字圖像的細絲直徑測量實驗[J].數字技術與應用，2018（6）：116-117.

[5] 吳一全，皺宇，劉忠林.基于Franklin矩的亞像素級圖像邊緣檢測算法[J].儀器儀表學報，2019，40（5）：221-229.

[6] 譚海軍，鄧先申，田芃，等.線陣CCD精密尺寸測量系統的設計與研究[J].電子技術與軟件工程，2015（11）：148-150.