玻璃管内外径测量仪

1课程设计(论文)题目：玻璃管内、外径尺寸测试仪系别：光电信息系专业：光电信息工程班级：学生：学号：任课教师：2015年11月2目录1绪论31.1综述31.2CCD的发展史31.3CCD的功能特性31.4CCD的主要应用41.5CCD的基本工作原理41.6本文主要研究工作52利用线阵CCD进行玻璃管外径尺寸测量的测量方法63光学系统的选型说明73.1CCD的选择具有采样保持输出电路的线阵TCD1500C73.2光源及成像物镜选择84CCD用于玻璃管尺寸测量的原理105测量仪的设计原理126总结和体会13参考文献1431绪论1.1综述CCD广泛应用在数码摄影、天文学，尤其是光学遥测技术、光学与频谱望远镜和高速摄影技术，如Luckyimaging。CCD在摄像机、数码相机和扫描仪中应用广泛，只不过摄像机中使用的是点阵CCD，即包括x、y两个方向用于摄取平面图像，而扫描仪中使用的是线性CCD，它只有x一个方向，y方向扫描由扫描仪的机械装置来完成。1.2CCD的发展史CCD是于1969年由美国贝尔实验室（BellLabs）的维拉·波义耳(WillardS.Boyle）和乔治·史密斯（GeorgeE.Smith）所发明的。当时贝尔实验室正在发展影像电话和半导体气泡式内存。将这两种新技术结合起来后，波义耳和史密斯得出一种装置，他们命名为“电荷‘气泡’元件”（ChargeBubbleDevices）。这种装置的特性就是它能沿着一片半导体的表面传递电荷，便尝试用来做为记忆装置，当时只能从暂存器用“注入”电荷的方式输入记忆。但随即发现光电效应能使此种元件表面产生电荷，而组成数位影像。到了70年代，贝尔实验室的研究员已经能用简单的线性装置捕捉影像，CCD就此诞生。有几家公司接续此一发明，着手进行进一步的研究，包括快捷半导体（FairchildSemiconductor）、美国无线电公司（RCA）和德州仪器（TexasInstruments）。其中快捷半导体的产品领先上市，于1974年发表500单元的线性装置和100x100像素的平面装置。1.3CCD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：1.体积小重量轻；2.功耗小，工作电压低，抗冲击与震动，性能稳定，寿命长；3.灵敏度高，噪声低，动态范围大；4.响应速度快，有自扫描功能，图像畸变小，无残像；5.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。因此，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。4CCD从功能上可分为线阵CCD和面阵CCD两大类。线阵CCD通常将CCD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CCD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电容或光明二极管结构，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，不能处理复杂的图像（线阵CCD如右图所示）。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。1.4CCD的主要应用四十年来，CCD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程序排列后，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，可对被测物体进行准确的测量、分析。一般的CCD大多能感应红外线，所以衍生出红外线影像、夜视装置、零照度（或趋近零照度）摄影机/照相机等。为了减低红外线干扰，天文用CCD常以液态氮或半导体冷却，因室温下的物体会有红外线的黑体辐射效应。CCD对红外线的敏感度造成另一种效应，各种配备CCD的数码相机或录影机若没加装红外线滤镜，很容易拍到遥控器发出的红外线。降低温度可减少电容阵列上的暗电流，增进CCD在低照度的敏感度，甚至对紫外线和可见光的敏感度也随之提升（信噪比提高）。1.5CCD的基本工作原理电荷耦合摄像器件（CCD—ChargedCoupledDevice）的突出特点是以电荷为信号的载体，而不同于其他大多数器件是以电流或者电压为信号的载体。CCD的基本功能是电荷的储存和电荷的转移。因此，CCD的基本工作过程主要是信号电荷的产生、存储、转移和检测。线阵CCD由光敏阵列与移位寄存器组成，光敏阵列呈线性排列，在光的作用下产生光生电荷存储于光敏MOS电容势阱中。按一定的方式将一维线阵CCD的光敏单元及移位寄存器排列成二维阵列，即可构成二维面阵CCD，二者都需要用光学成像系统将景物成像在CCD的像敏面上。像敏面将照在每一像敏单元5上的图像照度信号转变成少数载流子密度信号存储于像敏单元中。然后，再转移到CCD的移位寄存器中，在驱动脉冲的作用下顺序地移出器件，成为视频信号。对于线阵器件，它可以直接接受一维光信息，而不能直接将二维图像转变为视频信号输出。为了得到整个二维图像的视频信号，就必须用扫描的方法实现。在此次的项目中只需测量玻璃管的一维尺寸，只要使用线阵CCD将玻璃管的一维尺寸信息成像到CCD上即可，所以在项目中使用了线阵CCDTCD1500C。由于TCD1500C是双沟道的线阵CCD，下面内容为介绍双沟道线阵CCD的原理。双沟道线阵CCD摄像器件。它具有两列CCD模拟移位寄存器A与B，分别在像敏阵列的两边。当转移栅A与B为高电位时，光敏阵列势阱里积存的信号电荷包将同时按箭头制定的方向分别转移到对应的模拟以为寄存器内，然后在驱动脉冲的作用下分别向右转移，最后经输出放大器一视频信号方式输出。显然，同样像敏单元的双沟道线阵CCD要比单沟道线阵CCD的转移次数少一半，转移时间缩短一半，它的总转移效率大大提高。因此，在要求提高CCD的工作速度和提高转移效率的情况下，常采用双沟道的方式。对于一般器件的情况来说高于256位的线阵CCD大多为双沟道的期间。然而，双沟道器件的奇、偶信号电荷分别从通过A、B两个模拟移位寄存器和两个输出放大器输出。由于两个模拟移位寄存器和两个输出放大器的参数不可能完全一致，就必然会造成奇、偶输出信号的不均匀性。所以，又是为了确保像敏单元的一致关系特性好，在较多像敏单元的情况下也采用单沟道的结构。1.6本文主要内容此次课程设计依托光电子成像为基础，应用线阵CCD图像传感器实现对待测物体尺寸的测量，并构建了一个图形轮廓绘测系统。从而分析研究利用线阵CCD进行玻璃管外径尺寸测量的测量方法，对线阵CCD做出正确的选择，对光学系统的设计，实现玻璃管外径尺寸检测电路的硬件设计。以期进一步加深了我们对于光电子技术在科技领域应用的理解，为将来的实际工作打下坚实的基础。62利用线阵CCD进行玻璃管外径尺寸测量的测量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。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分为三部分。如图1所示，h为入射光线与光轴的距离，n为玻璃折射率。a.h≥R部分。直接透射。b.r≤h≤R时，光纤在玻璃管内壁发生全反射、透射。经数学推导可得出射光线与水平夹角β=180º-2{sin-1（h/R)+sin-1[h/(nR)]-sin-1[h/(nr)]}c.0≤h＜r,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夹角β=2{sin-1（h/r）+sin-1[h/(nR)]-sin-1（h/R)-sin-1[h/(nr)]}实际证明，CCD成像法用于测量玻璃管内外径是可行的，配上微机后，能够实现快速自动测量。73光学系统的选型说明3.1CCD的选择具有采样保持输出电路的线阵TCD1500C本项目采用的是TCD1500C，这是从TCD1500C的基本结构、工作原理及测量要求等方面考虑的。TCD1500C是一种典型的具有采样保持输出电路5340像素单元线阵CCD，它的像元尺寸为7um长、7nm高，中心距离为7nm，像敏单元总长度为37.38mm。该器件被用作非接触尺寸测量系统中的光电传感器。TCD1500C是一种高灵敏度、低暗电流、5340像元的线阵CCD图像传感器。该传感器可用于传真、图像扫描和OCR。该器件的内部信号预处理电路包含采用保持和输出预防大电路，它包含一系列5340像元的光敏二极管。图2是1500C的管脚图。其特性如下：a.像敏单元数目：5340像元b.箱门单元大小：7um*7um，中心距离7umc.光敏区域：采用高灵敏度、低暗电流的PN结作为光敏单元d.时钟：二相（5V）e.极限工作值：见表2-1f.管脚定义：见表2-1若被测玻璃管的尺寸范围较大、精度要求高，为了达到测量所有尺寸的玻璃管而不需要增添或更换测量系统，必须选择或设计好测量元件。本测量仪采用了两个线阵TCD1500C的机械拼接结构