CCD非接觸檢測技術在工業生產中的運用

羅天嬌 張 強

（長春電子科技學院，吉林 長春 130000）

0 引言

在以往工業生產環節中，主要是以人工檢測方式為主，但受人為因素影響會引發眾多問題，無法保證檢測結果準確性。隨著我國科技水平不斷提升，工業領域在創新發展階段注重檢測技術手段創新，引進新技術、新設備，其中就包括CCD 非接觸檢測技術，在應用階段與圖像處理技術結合，整個檢測速度、檢測精度、穩定性等均發生顯著變化，并在測量階段不會受外界因素影響，滿足工業整條生產線自動化控制要求，成為工業生產環節中必不可少的技術之一。

1 電荷耦合器件工作原理

電荷耦合器件（CCD）屬于一種以電荷為信號的載體，所具備的功能較多，能在工業生產環境中發揮著重要作用，其具有自身耐振動、尺寸較小、抗沖擊、重量較輕、壽命長、功耗較低、堅固耐用等特點，能在惡劣環境下長時間工作。基于此，我國工業領域在發展階段對該問題引起重視，并在該方面加大研究力度，使CCD 非接觸檢測技術在工業生產中占有重要地位[1]。

關于該項技術應用，主要是其自身優勢，結合圖1（電荷耦合器件工作原理框架圖）分析，能遠距離獲取到測件圖像，對于傳統化測量方法，不需要接觸測件就能完成測量工作，降低人員工作難度，并能保證較強的精確度，生產部門能結合檢測信息數據對其整體探究，適當調整生產方案與計劃，以電荷耦合器件為光敏單元，由輸入與輸出結構組成一體化光電轉換系統，根據其信號載體，會在光照射到光敏單元上時，能為工業生產提供重要的參考依據，得出計算公式：

圖1 電荷耦合器件工作原理框架圖

式中：產生光電荷為Q，材料量子效率為η，電子電荷量為q，流速率為Δn0，面積為A，設計光照時間為Te。

2 CCD 非接觸檢測技術在工業生產中的應用特點

CCD 非接觸檢測技術在工業生產中的應用特點如下：1）關于昂貴材料、易碎材料生產前要進行熱加工處理，常見材料包括鋼鐵、冶金、玻璃等。基于該范疇的產品如酒灌裝生產，在生產線上完成空瓶或滿瓶破損、污漬在線自動檢測工作；陶瓷地板磚生產中確定具體形狀、尺寸大小等；鋼鐵廠板材生產，對板材掉下套量檢測；標定溫度計精度。2）因人工檢測方法無法保證檢測環節中能對細節精確處理，往往會有肉眼無法識別的內容，那么就會使檢測數據存在一定差異性。對此，在技術手段創新階段能完成用機器觀測代替人工肉眼檢測，可保證檢測數據精確、完整等。如：在工業生產環節中，由于生產內容不同，基礎要求、標準、基礎設施等存在差異性，因此每次生產工作開始前均需對設備進行矯正，檢測設備凹槽異物，其內部比較復雜，檢測時可應用CCD 技術，該技術與計算機系統相連接，由計算機系統完成數據儲存工作，工作人員只需要根據具體信息數據就可掌握實際情況，為生產工作開展提供重要參數[2]。3）針對生產環節中不具備接觸式檢測條件的被測物，須借助非接觸檢測方式，避免對產品造成不利影響。如：活塞生產環節中利用非接觸檢測方式，能規避工件表面被劃傷，始終保證工件測量精度，尤其是對活塞外圓檢測，具體較強的依據性。

3 CCD 非接觸檢測系統硬件設計

3.1 光學成像

CCD 非接觸檢測系統中的光學成像，在檢測階段能準確地獲取到被測物主要特征量，該系統離不開光源、照明，可準確區別出檢測范疇與非檢測位置體征，只需根據光源完成檢測工作即可，能在實際測量階段減少不必要的工作環節，使檢測范圍與非檢測范疇形成鮮明對比，既能確定被測物位置變化情況，又不影響成像質量。按照投射方法分析，主要包括平行透射光、反射光2 種。

平行透射光是設定較理想的平行光，并透過被測物，利用該項技術對工件遮光而產生的影像尺寸檢測，能代表被測物檢測范疇的具體尺寸。根據其原理，能在攝影掃描過程中采集、記錄、儲存陰影圖像區中的電信號，能為目標尺寸分析提供相應的信息數據。

該方法常應用在活塞生產環節中，主要是對活塞外圓進行在位檢測，因其在位檢測非平整面，如果選擇反射光投射方法，極易出現信號失真情況，而平行透射光投射方法卻能完成活塞外圓表面檢測工作，保證整體數據完整。

反射光：主要是結合圖2（反射光原理）分析，在該方法實際應用階段，重點考慮各要素，包括光源、光學鏡頭位置、物體表面紋理、幾何形狀等。一般情況下，該方法往往會應用在紙張白度檢測環節中，設定一束光源及角度，正確投射到紙面上，因法線方向影響，光電池接收到紙面漫反射光通量，會使紙樣越來越白，所需光通量與光電流比較大。當然，也會在陶瓷生產設備調節、運行管控等方面被合理應用，先對光路成像系統全面性設計，然后在地板磚上產生反射光，滿足基礎條件后，會形成成像系統，把地板磚圖樣縮小，最后呈現在CCD 傳感器像元上。

圖2 反射光原理

3.2 攝像機

按照類別分析，主要包括線陣攝像機與面陣攝像機。

線陣攝像機只應用在圖像一行信息檢測與獲取方面，是在被測物拍攝對基礎要求有標準，必須以直線形式在攝像機前移動，才能保證最終獲取到的圖像是完整的。如：布匹條狀檢測、紙張筒狀檢測等。以紙張污點檢測內容分析，由于檢測環節中紙張是運動的，考慮到最終圖像的完整性，因此建議檢測環節中使用光學測量儀器。

面陣攝像機與前者的檢測標準和效果恰恰相反，該攝像機能在檢測環節中一次獲取到整幅圖像，整個檢測階段所產生的信息數據也會被詳細記錄，目前，前面陣攝像機常應用在機器視覺系統中。例如在陶瓷生產設備調試與運行階段，可對面陣攝像機進行隔列轉移設計，目的是在生產過程中一次獲取到整幅圖像。

3.3 驅動系統

該技術在應用階段所面臨的影響因素較多，為保證檢測過程中設備運行可靠，必須按照CCD 攝像機使用要求規范操作。如：在汽車制動鉗內凹槽檢測環節中，結合圖3（CCD 非接觸檢測驅動波形）內容分析，建議采用線陣CCD 器件μPD3575D，目的是在檢測環節中能對圖3 F1型、SHF 型、SPF 型、RS 型的任意波形信號發生器的驅動波形具體呈現。而線纜生產環節中須根據實際情況，分析纜線生產環節中會因其細線徑不同，要對其進行實時在線自動化測量，并搭配板材活套檢測系統運行實況，可選擇線陣式TCD132D 驅動，會產生φSH、φM、φCCD 3 種驅動信號[3]。

圖3 CCD 非接觸檢測驅動波形

3.4 處理系統

該技術處理系統設計中必不可少的部分是計算機處理工，包括采樣接口電路、微機系統，分別在處理系統中發揮著重要作用。其中，采樣接口電路能把測試后完成的圖像正確輸出，并以波形Uout 按電平“T 區”寬度轉換，成為相對應的數字量，以時序節拍完成計數工作，最后由單片機微機系統對具體內容展開分析、處理等。需要注意的是，在處理系統運行階段會出現一個較嚴重的問題，就是二值化電路問題，要在檢測前與檢測過程中引起工作人員重視，準備具體應急方案與措施能規避或解決該問題，從而保證整體檢測效果符合預期標準。

4 CCD 非接觸檢測系統軟件設計

CCD 非接觸檢測系統軟件設計，通常情況下，由鍵盤監控模塊、加電模塊、運行模塊所組成。1）鍵盤監控模塊主要是對識別鍵盤所輸入的命令完成指定工作，并在系統運行階段對不同命令轉換，在多個處理程序中詳細探究與分析，最終把具體參數清晰呈現，保證人機密切聯系。2）加電模塊主要是完成系統初始化程序，在人機密切聯系基礎上，能實現人機對話功能[4]。3）運行模塊主要是對系統實測軟件操作，與傳統化檢測方式相比較，能簡化檢測流程，并由設備與系統搭配代替人工操作，整體效率與技術水平顯著提升。

5 CCD 非接觸檢測技術在工業生產中的運用

5.1 常溫下條件對被測物尺寸測量

基于常溫條件下開展被測物尺寸測量工作，還需在該項工作開展前對其實際情況全面性探究，并設計測量裝置，主要包括電荷耦合器件、光學成像系統、數據采集與處理系統等，測量目標包括零件長度、寬度、厚度、圓內徑、圓外徑等。均能采用非接觸測量技術，避免對被測物表面或測量領域造成不必要的影響[5]。

例如在實際應用階段要依據其光電轉換特性，借助照明系統使被測物通過物鏡成像，并呈現在CCD 靶面上，數據采集與處理系統會完成信號處理工作，分析被測物幾何模型，由光學成像系統完成特性轉換，可計算出被測物的長度、寬度、厚度、圓內徑、圓外徑等尺寸。

5.2 高溫下條件對被測物尺寸測量

在高溫條件下完成被測物尺寸測量工作，考慮到工業生產領域中所包括的產品類別不同，因此各項參數有差異，需要人員在測量工作開展前明確具體標準、內容等，制定完善的量方案與計劃，才可在測量階段避免各項因素對測量結果準確性與完整性造成影響。同時，選擇適合的方法，以800K 以上高溫目標為主，分析到測量環節及周圍景物對影像理論信號強度帶來的不同影響，結合其所呈現出的各種特點，建議選擇“紅外積分法”，能保證在特殊環境中對高溫目標準確甄別，并獲取到相關信息數據。

在非接觸檢測系統運行階段，要先借助攝像頭對被測物側面拍攝，與計算機系統相連接，能將拍攝出的圖像儲存到系統中；然后將圖像卡與VD 轉換，計算機也會結合實際情況對圖像進行細化處理，經處理后會得出一組中間數據；最后借助數學模型完成中間數據轉換工作，計算出被測物斷面尺寸，完成預期檢測要求[6]。

5.3 溫度場被測物尺寸測量

首先，CCD 數字攝像頭能攝取高溫熔體被測物表面熱輻射圖像，由計算機系統中的圖像處理技術，可增強獲取到高溫熔體被測物表面溫度場數據。其次，選擇高溫場測量方法，是以彩色CCD 比色測溫系統運行原理為基礎，選擇WJDIl 型高溫臥式黑體爐硫化銅開展測溫實驗，其測溫精度較高，在測量過程中能對具體內容詳細探究，測量流程完整[7]。如果在現場測量過程中要求對電子束釬焊現場開展實際工作，還需對后者實際條件全面性考慮，要在溫度場分布檢測，所采用的方法也考慮到RGB 攝像機精度較高，在真空電子束焊接階段詳細記錄整個過程，再加上對數字圖像處理技術應用，來分析三基色測溫及溫度場分布實況，適用在模糊條件下溫度控制領域中。只需注重測量前、測量中、測量后各環節元素與要素詳細處理，才可實現預期測量目標。

5.4 被測物邊緣與表面檢測

因工業生產環節中物品類別不同，所應用到的零件種類也比較多，大部分零件外表面、結構等較特殊，會在邊緣檢測階段增加難度，人工測量方法無法保證信息數據準確性與完整性、對此，還需在零件邊緣與表面檢測環節中能借助CCD 非接觸檢測技術，既不會對零件外表面造成影響，又能獲取到精確的信息數據。其中，在檢測階段會分析零件形狀、邊緣位置，把所檢測到的信息數據以CCD 圖像完成小波變換，由小波變換多尺度特性，準確獲取到被測物邊緣信息數據[8]。

6 結語

結合上述內容探究，能了解到CCD 非接觸檢測技術在工業生產中的重要性與影響性，是工業生產中必不可少的一項技術，無論是對系統硬件設計還是軟件設計，均要在設計階段完成系統工作流程圖繪制工作，目的是能保證系統在運行階段整體穩定性較強，在軟件與硬件相互協作下，完善被測物檢測工作流程，提升整體技術水平，保證被測物實際情況能被清楚掌握。同時，各環節中所產生的信息數據均被系統詳細記錄，能為后續深度探究或調整作業方式等提供參考依據。