8第八章CCD应用举例

二值化数据采集主要适用系统：尺寸测量；尺寸测量原理：在得到的二值化方波脉冲中填入与CCD像敏单元尺寸有关的高频时钟脉冲，并对其中的高频时钟脉冲计数，再乘以单个高频时钟脉冲对应的尺寸(脉冲当量)。被测尺寸=计数值×脉冲当量例：采用TCD1206进行尺寸测量时，计数值为50，脉冲当量为14μm，则被测尺寸为50×14=700微米。这里，脉冲当量就是当用CCD的复位脉冲作计数脉冲时的CCD的象元中心距。两种计数值获取方法：硬件逻辑电路、边沿计数第八章CCD应用举例378.1CCD用于一维尺寸的测量8.2CCD用于轨道振动的非接触测量8.3CCD高精度细丝直径测量系统8.4线阵CCD在扫描复印中的应用8.5CCD用于数码相机直径测量条码识别8.6彩色线阵的工程应用总目录CCD应用举例1.焦点与焦面F/(像方焦点)(物方焦点)FAA像方焦平面物方焦平面像方焦点：无限远轴上的物点所对应的像点Fˊ物方焦点：无限远轴上的像点所对应的物点F物方焦面：过物方焦点的垂轴平面像方焦面：过像方焦点的垂轴平面光学基础知识焦距垂轴放大率公式（横向放大率）lβl定义为像高与物高之比。光学基础知识●孔径光阑限制成像光束大小的光阑●视场光阑限制成像范围大小的光阑光学系统中，对光束起限制作用的光学元件称为光阑。如透镜的边框、光孔等。物A.S.L像孔径光阑Fy'视场光阑光学基础知识入射光瞳——孔径光阑经其前面的光组在光学系统物空间所成的像。入射光束的入口。入瞳出射光瞳——孔径光阑经其后面的光组在光学系统像空间所成的像。出射光束的出口。出瞳主光线——由轴外一物点发出并通过入瞳中心的光线叫主光线。孔径光阑、入瞳、出瞳三者之间互为共轭关系。对整个光学系统来说，出射光瞳也是入射光瞳的像，二者对整个光学系统是共扼的。孔径光阑的位置对整个光学系统而言，孔径光阑位于光学系统的最前端，则孔径光阑就是入瞳；若孔径光阑位于光学系统的最后端，则孔径光阑就是出瞳。入瞳:它决定了光学系统物方的成像光束的孔经角,可看成成像光束的公共的入口。出瞳:它决定了光学系统像方的孔径角，可看成成像光束的公共出口。照明系统优点：亮度高，结构简单（若忽略光能的损失，则光源像的亮度与光源本身相同，因此，这种方法相当于在物平面上放置光源）缺点：照度不均匀（如果光源表面亮度不均匀，或明显地表现出细小的结构，如灯丝等，则会使物体表面照度不均匀，从而使接受器上的光能量分布不均匀，而影响成像质量和测量精度）光源经过聚光镜后，成像于物平面上的照明方法，称为临界照明。照明系统主要由光源和聚光镜组成。照明系统的作用是为了使目标物得到充分地照明，以保证像平面有足够的照度。优点：照度均匀缺点：结构复杂照明系统为了克服临界照明中物面光照度不均匀的缺点，采用柯拉照明。柯拉照明：将光源成像在物镜的入射光瞳处。光源经柯拉镜成像在视场光阑处；柯拉镜经聚光镜成像于物平面上；聚光镜把它焦点处的视场光阑成像于无限远，与成像物镜的入瞳重合（设物镜的入瞳位于无限远）。柯拉镜在光电检测中,常常在生产线上对工件进行动态测量。如测量钢丝直径、玻璃管直径等。对物体(工件)大小的测量,一般是将物体按一定倍率要求,经光学系统成像在CCD的接收面上。光信号转变成电信号后,经微机处理,可数字显示测量结果。物方远心光路1.概念：为了消除像平面位置的放置误差而引起的测量误差，在物镜的像方焦平面上加入一个光阑作为孔径光阑，入瞳则位于物方无穷远，称为“物方远心光路”。2.应用：（放大率一定，求被测物长度）优点：物体不论处于何位置，发出的主光线都不随物体位置的移动而变化；读出刻尺面上光斑的中心示值，即可求出准确的象高。物方远心光路①在物镜L的像方焦平面F′处设置孔径光阑,即物镜的出瞳,其入瞳位于物方无限远处。②物体B1B2上各点发出的光束经物镜L后,其主光线通过光阑中心所在的像方焦点F′,而其物方主光线均平行于光轴。③如果物体B1B2正确地位于光电器件接受面M1M2相共轭的位置A1处,则在光电器件上像的长度为M1M2;④如果物体B1B2沿光轴方向有所移动,不在位置A1处,而在位置A2处时,那么它的像面B1′B2′将与光电器件接受面不重合，在光电器件上得到的是B1′B2′点的投影像。⑤由于B1′B2′与M1M2二者不重合,使像点B1′、B2′在M1M2上形成弥散斑。其中心仍为M1和M2点，按此投影像读出的长度仍为M2M1。这就是说，上述物距改变并不影响测量精度。人眼与照相机眼睛如同一只自动变焦和自动改变光圈大小的照相机。从光学角度看，眼睛中三个最重要的部分是水晶体、瞳孔和网膜，它们分别对应与照相机中的镜头、光阑和底片。系统组成：线阵CCD.光学成像系统.计算机数据采集与处理特点：高分辨率、高灵敏度自扫描、非接触结构紧凑无需配合复杂的机械运动结构图像传感器用于尺寸测量的技术是非常有效的非接触检测技术，广泛地应用于各种工件的在线检测和高精度、高速度的检测技术领域。8.1CCD用于一维尺寸的测量一维尺寸的测量实例——玻璃管外径、壁厚尺寸测量仪器设计用于玻璃管生产线，对相关尺寸进行实时监测，控制生产过程.线阵CCD非接触外径测量仪典型应用：石英玻璃管成品测量仪另外还完成石英玻璃管的截面积、椭圆度、偏壁度、弯曲度、管重等参数的测量精度要求为0.01mm;直径测量范围:20-50mm;壁厚测量范围:1.65-9.5mm;管长测量范围:1000-1600mm;一维尺寸的测量实例——玻璃管外径、壁厚尺寸测量仪器设计（一）玻璃管内、外径尺寸测量控制仪器的技术要求(1)被测的玻璃管外径尺寸分为Φ20mm，Φ28mm两种，整个测量仪器的测量范围应大于28mm；(2)仪器测量精度的要求分别为外径Φ20土0.3mm,Φ28土0.4mm，壁厚1.2土0.05mm，2土0.07mm；(3)仪器显示内容分别为实测玻璃管的直径、玻璃管的壁厚值、上下偏差值及超差报警；(4)仪器执行的过程控制为：玻璃管拉制速度、吹气量及玻璃管产品的质量的筛选等控制。玻璃管测量原理框图123玻璃管的外径、壁厚测量控制仪器的原理图由于透射率和光在不同形状介质中的折射的不同使得通过玻璃管的像在上下边缘处形成两条暗带，中间部分的透射光相对较强，形成亮带，两条暗带的最外边的边界距离为玻璃管外径所成的像，中间亮带的宽度反映了玻璃管内径像的大小，而暗带宽则是玻璃管的管壁所成的像。SLLCCDFF’12经过二值化电路进行二值处理，分出外径和壁厚信号。将外径、壁厚信号送入到计算机数据采集系统，并在软件的支持下计算出玻管外径和壁厚值，再与公差带值比较，得到偏差量。然后，一方面保存所测得的偏差量，另一方面根据偏差的情况给出调整玻璃管的拉制速度和吹气量等参数，随时调节玻璃管，并进行分选，将不合格的玻璃管淘汰。•CCD测出的是被测物体像的尺寸。•由于光学成像系统的横向放大倍率为β，所以被测物体的尺寸•式中，D/为被测物的像的尺寸；n为所测的脉冲数；M为脉冲当量（当用CCD的复位脉冲作计数脉冲时，脉冲当量M为CCD的象元中心距）；β为光学成像系统的放大倍数。玻璃管测量工作波形图玻璃管外径的值玻璃管的壁厚式中，L0为线阵CCD的像敏单元中心距，β为光学系统放大倍数☆玻璃管能否得到均匀照明对测量结果有很大影响☆成像系统采用了物方远心光路☆照明系统需用柯拉照明与之相匹配☆光源为12V、100W的白炽钨丝灯，灯丝尺寸为4mm×3mm照明系统TCD1206UD线阵CCD为光电探测元件它的像敏单元尺寸为0.014mm×0.014mm像敏区的总长度为30.24mm满足测量系统对视场与测量精度的要求线阵CCD的选择测量范围和测量精度是选择CCD的主要依据被测玻璃管的最大外径，为28mm±0.4mm壁厚的测量精度要求较高，为±0.05mm因此，系统的测量范围应大于28.4mm二值化电路采用浮动阈值二值化对CCD像面的光强进行采样，以便消除背景光的不稳定带来的影响峰值保持缓冲级缓冲级RCR1R2RWVHVCCdVbinVth阈值比较器图3浮动阈值电路浮动阈值固定阈值正确二值化波形不正确二值化波形振动测量与试验一直是工程技术界重视的课题，对于航空航天、动力机械、交通运输、军械兵器、能源工业、土木建筑、电子工业、环境保护等尤为重要。用线阵CCD光电传感器对铁轨的震动进行非接触的测量方法，该方法适用于桥梁等构件振动的非接触测量。运用光学、电子学、CCD光电传感技术与微机数据处理技术相结合，克服了接触式测量方法的缺点，同时，能进行多点振动的测量，具有造价低、灵敏度高、安全性好等优点。8.2CCD用于轨道振动的非接触测量8.2CCD用于轨道振动的非接触测量铁轨受到机车的激励会产生受迫振动，当振动量级过大时会使铁轨产生裂纹、疲劳、断裂、接触面磨损、紧固件松动，从而提前报废，严重时甚至会造成车毁人亡的惨痛事故，因此在机车行车过程中对铁轨的振动状况检测已成为铁路部门的重要课题。2012.02加拿大安大略省南部伯灵顿市一列火车脱轨2014.04黑河开往哈尔滨的K7034次旅客列车脱轨2010.05上海南开往桂林的K859次列车在江西境内发生脱轨2013.07西班牙首都马德里开往加利西亚自治区的客车脱轨火车轨道工作原理图示为采用线阵CCD测量铁轨振动的原理图。将粘贴在铁轨外侧的黑底白条图案经光学成像物镜成像到线阵CCD的光敏面上，线阵CCD的输出端将得到如图所示的输出信号U0。黑底白条图案线阵CCD输出的U0信号经二值化电路处理后得到图所示的二值化方波脉冲，脉冲的前沿对应于黑白边N1，而后沿对应于白黑边N2。任一时刻白条中心值N应为122NtNtNt设轨道在没有受到机车的冲击时的初始(t＝0时)位置为N(t)=N(0)，当轨道受激振动时（t≥0），轨道上的白条图像在线阵CCD的像敏单元阵列上做上、下的振动。线阵CCD不断地输出白条像在像面上不同位置的视频信号U0。经二值化处理电路得到每个积分时间内的二值化方波，经数据采集电路得到轨道位置N(t)值。[()0]tNtNlS式中，l为CCD两相邻像元的中心距；β为光学成像系统的横向放大倍率。21lNtNtW从而得到时间位移量S(t)与测量值N1(t)与N2(t)的关系112221[(t)(0)][(t)(0)]t2(t)(t)NNNNSWNN利用上式可以得到铁轨在垂直方向上振动的位移S(t)曲线。N(t)值与轨道的时间位移量S(t)的关系为β可以通过已知的白条宽度W随时进行标定120002NNN检测原理CCD的位置检测为标定和检验轨道振动的测量仪器，将黑白条标志贴在标准的液压振动台上。该振动台可以产生已知振幅和频率的正弦波震动。图12-35所示为轨道振动测量仪对标准振动台进行实测所得到的实测振动波形。根据实测数据分析，该仪器的振幅测量范围为0.1~200mm，测量精度优于0.lmm。CCD的选择:TCD1500C5340像元7*7um测试系统组成检测原理：铁轨外侧贴黑底白条，经光学系统成像（透镜部分）到CCD光敏元上，振动改变白条在CCD的像移动，关系式：S=(N-N0)•L/β其中：S为轨道位移，β为光学系统放大系数，N为白条像中心对应的值8.3CCD高精度细丝直径测量系统氦氖激光器射出的激光束入射到被测细丝上，在距细丝一定距离处产生衍射图样，CCD接收衍射条纹，产生与之相应的输出信号，经低通滤波放大，再经A/D变换后送入计算机进行计算和处理。激光衍射测量原理衍射/绕射:波能够绕过障碍物而弯曲地向它后面传播的现象，称为波的衍射现象波:声、光、电磁、机械波障碍物：大小、形状对现象均有影响现象：与波的波长、障碍物的大小、光源/观察的位置有关衍射测量的特点：全场，非接触，稳定性好，自动化程度高，精度高单缝衍射的特点：1）中央明纹最亮、最宽，它的宽度为其他各级明纹宽度的两倍2）次级明纹的光强随级次的增加而逐渐减小3）若光程差不等于λ/2的整数倍，亮度介于最明与最暗之间。4）条纹的方向平行于缝的方向5）暗条纹β=kπ即b