线阵CCD测玻璃管

（二〇一七年一月本科课程设计说明书学校代码：学号：题目：线阵CCD测量玻璃管内外径尺寸的研究学生姓名：学院：系别：专业：班级：指导教师：内蒙古工业大学课程设计说明书摘要传统的对玻璃管产品几何尺寸的检测方法主要是利用千分尺等手工测量，测量周期长、准确度不高且易受主观因素影响，难以满足批量生产和在线实时测量控制的要求。本文根据玻璃管生产线的结构，提出了一种以线阵CCD传感器为基础的在线检测方法，并对此方法进行了测量系统的研制过程的技术总结与方法计算。线阵CCD是一种结合光、机、电和计算机的高新技术半导体光电传感器，它的技术特点是：精度高、非接触测量、便携灵活；由于这些技术特点使得线阵CCD在图像处理和工业检测领域中得到了广泛的应用。关键词：CCD传感器；玻璃管内外径尺寸；在线检测目录第一章绪论.........................................................11.1课题设计背景...............................................11.2课题来源及意义.............................................11.3本文所做的主要工作.........................................2第二章CCD图像传感器...............................................32.1CCD工作原理................................................32.2CCD的功能特性..............................................32.3CCD的主要应用..............................................3第三章CCD测量玻璃管尺寸系统.......................................53.1线阵CCD测量玻璃管直径尺寸方法.............................53.2线阵CCD的选择.............................................63.3光学系统的选型(或设计).....................................73.3.1照明系统..............................................83.3.2光学成像系统.........................................103.4光对外径、壁厚的检测电路..................................113.4.1二值化电路............................................113.4.2检测电路.............................................123.5微机数据采集接口..........................................153.6系统的长线传输............................................15结论.............................................................17参考文献...........................................................18内蒙古工业大学课程设计说明书1第一章绪论1.1课题设计背景电荷耦合器件(CCD)属于半导体器件，是一种图像传感器，能够把视场内的光学图像转化为电荷并存储在相应的像素中，然后通过读出电路将存储的像元电荷读出，并用外围电路中的模数转换模块转换为数字信号。一个完整的CCD阵列是由一系列的微小光敏物质(像素)组成。CCD图像传感器上拥有的像素数量越，能够提供的画面清晰度也就越高。CCD器件自1969年在贝尔实验室诞生以来，随着半导体技术的发展，CCD技术也随之得到迅速发展，从当时简单的8像元移位寄存器，到现在已具有数百万、上千万乃至上亿像元。CCD的像元尺寸已经减小到2um以下，在缩小像元尺寸的同时，通过背面光照技术等，使饱和电压和灵敏度也得到提高，在暗电流、出噪声抑制、光晕转移效率等方面也得到了极大的善。现在的CCD探测器可以探测到短波红外光谱以及一部分紫外光谱，可应用的范围广泛。CCD和CMOS都是基于MOS结构进行光电转换达到图像采集目的，但它们对光电转换后的电荷采用不同的处理方式。由于工作方式、结构和制造工艺差别，与CMOS相比，CCD器件一直有灵敏度高、噪声低等优点。CCD器件拥有光响应宽、噪声低、动态范围大、图像畸变小、灵敏度和几何精度高、寿命长、抗冲击、耐震动、抗电磁干扰能力强、坚固耐用、可以长时间在恶劣环境工作、进行数字化处理和与计算机连接方便等优点，在图像采集、工业测控、非接触测量、天文遥感、航空航天、机器视觉、实时监控、军事电子对抗等领域得到了广泛应用，是光电子学和测试技术中最活跃和最富有成果的研究领域之一。随着科学技术发展和图像采集系统的广泛应用，人们对于图像釆集系统的主要指标：采样速率、分辨率、精度和抗干扰能力等方面，提出了越来越高的要求。CCD探测器作为光电转换式的图像传感器，是现代电子学和现代测试技术中最活跃的传感器，有广泛的应用需求。而大面阵，高帧频的应用需求也在逐步提高。高分辨率、高帧频的高速高清CCD技术的发展越来越受到人们的重视。1.2课题来源及意义内蒙古工业大学课程设计说明书2课题属与内蒙古工业大学课程设计。本文介绍了利用光学成像系统、CCD技术、信号处理、对玻璃管的直径进行测量的实现方法。检测方法采用光电检测技术，它和传统机械检测方法相比有许多优点,如它能以非接触方式检测被加工产品,测量中对工件无磨损,可消除人为误差。线阵CCD作为一种光电传感器件，几何精度高，像元尺寸小，配合适当的光学系统能够设计高精度测量直径仪器，在工业非接触检测和控制中有广泛的应用前景。1.3本文所做的主要工作1）分析研究利用线阵CCD进行玻璃管外径尺寸测量的测量方法。2）对线阵CCD做出正确的选择。3）对光学系统的设计。4）实现玻璃管外径尺寸检测电路的硬件设计。内蒙古工业大学课程设计说明书3第二章CCD图像传感器2.1CCD工作原理电荷耦合器件（Charge-CoupledDevice，CCD）又称图像传感器，是一种大规模集成电路光学器件，是在MOC集成电路技术基础上发展起来的新型半导体传感器。电荷耦合器件的突出特点是以电荷作为信号，而不同于其他大多数器件是以电流或者电压为信号，所以CCD的基本功能是电荷的存储和电荷的转移。它存储由光或电激励产生的信号电荷，当对它施加特定时序的脉冲时，其存储的信号电荷便能在CCD内作定向传输。CCD工作过程的主要问题是信号电荷的产生、存储、传输、和检测[3]。2.2CCD的功能特性CCD图像传感器可直接将光学信号转换为模拟电流信号，电流信号经过放大和模数转换，实现图像的获取、存储、传输、处理和复现。其显著特点是：体积小重量轻；功耗小，工作电压低，抗冲击与震动，性能稳定，寿命长；灵敏度高，噪声低，动态范围大；响应速度快，有自扫描功能，图像畸变小，无残像；.应用超大规模集成电路工艺技术生产，像素集成度高，尺寸精确，商品化生产成本低。许多采用光学方法测量外径的仪器，把CCD器件作为光电接收器。CCD从功能上可分为线阵CCD和面阵CCD两大类。线阵CCD通常将内部电极分成数组，每组称为一相，并施加同样的时钟脉冲。所需相数由芯片内部结构决定，结构相异的CCD可满足不同场合的使用要求。线阵CCD有单沟道和双沟道之分，其光敏区是MOS电容或光敏二极管结构，生产工艺相对较简单。它由光敏区阵列与移位寄存器扫描电路组成，特点是处理信息速度快，外围电路简单，易实现实时控制，但获取信息量小，不能处理复杂的图。面阵CCD的结构要复杂得多，它由很多光敏区排列成一个方阵，并以一定的形式连接成一个器件，获取信息量大，能处理复杂的图像[4]。2.3CCD的主要应用内蒙古工业大学课程设计说明书4CCD器件及其应用技术的研究取得了惊人的进展，特别是在图像传感和非接触测量领域的发展更为迅速。随着CCD技术和理论的不断发展，CCD技术应用的广度与深度必将越来越大。CCD是使用一种高感光度的半导体材料集成，它能够根据照射在其面上的光线产生相应的电荷信号，在通过模数转换器芯片转换成“0”或“1”的数字信号，这种数字信号经过压缩和排列后可由闪速存储器或硬盘卡保存即收光信号转换成计算机能识别的电子图像信号，可对被侧物体进行准确的测量、分析。CCD是一种感光元件可以把感觉到的光学影像转换为数字信号，具有反应灵敏、可靠性高、稳定性好、使用简单、耐用性强、使用寿命长等优点。CCD的应用领域广泛，在数码相机、摄像机、安防、传真机等领域中都有一定的应用[5]。内蒙古工业大学课程设计说明书5第三章CCD测量玻璃管尺寸系统3.1线阵CCD测量玻璃管直径尺寸方法将置于准直平行光路中的透明玻璃管经过远心成像系统后,在像面(CCD光敏面)形成一个反映玻璃管外径及壁厚几何尺寸的影像,CCD视频信号经微机数据采集和数据处理后,可获得玻璃管外径及壁厚值。设玻璃管外径为R,内径为r,则一束平行光按透过玻璃管后的特性可分为三部分如图3-1所示,h为入射光线与光轴的距离,n为玻璃折射率。a.Rh部分，直接透射b.Rhr时，光线在玻璃管内壁发生全反射、透射。经数学推导可知出射光线与水平轴夹角.]/[sin)]/([sin/sin2180111nrhnRhRh(3-1)c.rh0时，光线在玻璃管内壁发生折射、透射。经数学推导可得出射光线与水平轴夹角.)]/([sin)/(sin)]/([sin)/(sin21111nrhRhnRhrh(3-2)系统是用仪器灯泡作光源，可采用光线追迹的方法建立实际的光线分布数学模型。基于上面玻璃管透光特性的数学模型，利用反射率公式).coscos/()coscos(),coscos/()coscos(12212112//22112211ananananrananananr(3-3)计算每根光线到达像面时的光强透过率，然后再计算出所有到达像面光线光强的迭加，就模拟出像面上的光强分布，计算出的像面光强分布如图3-1所示。图3-1CCD输出的信号波形图3-1是实际CCD视频信号。可见，计算机模拟结果与实际结果是一致的。内蒙古工业大学课程设计说明书6经计算机进一步模拟表明，表征壁厚T的特征量t（21tt和）是与成像系统的孔径光阑直径pd和成像透镜焦距f以及nrR,,有关的函数，即).,,,,(nrRfdGtp(3-4)由此可推出).,,,,(ntRfdHrp所以，测出R和t后，由),,,,(ntRfdFrRTp(3-5)可求出壁厚T。3.2线阵CCD的选择将系统采用同一只线阵CCD对玻管外径和壁厚进行同时测量。选择CCD的主要依据[1]：测量范围、测量精度、测量速度被测玻璃管的最大外径Φ28土0.4mm，壁厚的测量精度要求最高为0.05mm，因而，系统的测量范围应大于28.4mm，相对测量精度应高于1.76‰。从而选择像元数超过1000像元的线阵CCD即可以满足测量系统对精度的要求。当考虑到系统应该具有更大的视场，并满足测量精度的要求。为此，系统选用具有2160个有效像素单元的TCD1206SUP线阵CCD为光电检测器件。它的相对精度高于0.5‰，像元尺寸为0.014*0.014mm，像敏区总长度为30.24mm。还要考虑信号读出频率是否满足测量仪器对测量速度的要求。图2是TCD1206sup的管脚图。其特性如下：1、像敏单元数目