基于CCD的工件直径动态检测
基于CCD的工件直径动态检测张永枫1，杨中雨2(1．深圳职业技术学院电子与信息学院，广东深圳；2．长春理工大学光电信息学院，吉林长春)摘要：为实观Jj件自：径的柏i线检测，本文采用了CCD动态检测方法，它以CCD和微型计算机为核心构成了工件直径动态检测系统。将上件直径影像成像于CCD光敏面上，经光电转换可获得CCD像元的电荷图像，以CCD像元(素)的间距为尺子实现对I：件影像的度鼍，所以它属于模数变换法。将CCD输出的光电脉冲经放大、整形后输入计算机，通过运算处理即得到jj件Nt{：f-值。用标准工件直径做了大量的实验测试，其系统精确度超过1．5栅，从而得到CCD动态检测系统具有精确度-哥和实际应用价值的结论。关键词：工件直径；CCD；微计算机；动态检测中图分类号：T117ll文献标识码：A文章编号：(2011)012～0043-04DynamicTesting ofTheWorkpieceDiameter based onCCDZHANGYong-feng，YANGZhong-yu1引言在生产中对零部件尺寸的检测，常采用千分尺、千分表、高度计及块规等机检测工具，也可采用光学公差投影仪等光学方法。显然，上述方法由于人直接参与检测操作，不仅检测精度低，而且劳动强度大，已远不能满足现代化工业生产中的生产速度快、效率高(可达每分钟上千件)、加工精度高(零件公差达微米级)等生产与技术要求。所以，需要采用新的自动化在线检测技术。自动化检测技术就是利用电子技术来实现自动测量及数据处理，其关键是如何将非电量(长度量)转换成电量。能够实现这种转换的传感器有几种，比如电容传感器、电感传感器和光电传感器等。无论是电容变换还是电感变换，被测零部件和传感器都是直接接触，所以对测量仪器本身的机械精度要求高，且测量的长度往往受到限制，因此，这些传感器的结构较复杂，只适用于位移量测量。与之相比，光电传感器具有更大的优势，利用光电转换技术可将零部件的尺寸量，通过光学元件变成光学量(光通量或光脉冲数)，经光电器件将光学量变换成电量，这个反映被测尺寸的电量信号经过运算和处理，即可用于实现自动测量和控制。用光电变换技术实现尺寸测量的方法有模拟量变换法和模数变换法，从测量精度高及便于与微机接口Techniques ofAutomation＆ApplicationsI43一一一一一～～一砒咖蛳～一帅～．一一～一=耋一一一一～一～一一～一一一一一一一一一一一～一一一一一一一一一一～一一一一一一～～一一一一一～～一一一一～～一一一一～～一一一一一“自动化技术与应用*2011年第30卷第12期仪器仪表与检测技术 lnstrumentation andMeasurment等角度考虑，大多采用模数变换法。在模数变换法中有激光扫描和电荷耦合器件CCD(charge coupledDeviCe)动态检测法两种。本文就是采用较为先进的CCD动态检测法，该方法具有光机结构简单、使用方便和信息处理容易等优点。2线阵CCD传感器[1]CCD耦合器件是一种金属一氧化物半导体结构(简称MOS结构)的新型器件，由于它具有一些独特性能，因而在摄像、信息处理和信息存储及光电检测等方面得到了日益广泛的应用。该器件可分为线阵器件和面阵器件两种。线阵CCD器件是摄取一行图像信息，适用于运动物体的摄像，可用作传真、遥感、光谱线或条形码信息的识别、工件尺寸的自动检测等方面；面阵CCD器件是将一帧图像信息同时摄取，因此它适用于电视摄像。线阵CCD器件结构示意图如图1所示。阴影面代表着势阱存储光生电荷的光敏面，每一光敏面对应一个像元(素)。收集“电荷包”之后，首先将其传输到两个平行的移位寄存器中，然后再按箭头所指的方向将摄像区中的信号电荷分成两部分传输(两个移位寄存器)，这样可把每个电荷包的传输次数减少一半，进而降低了电荷的传输损失。律斑搿撑嚣A┏━━━━━━━┳━━━━━━┳━━━━━━━┳━━━━┓┃————啼┃—---o┃·__。一┃一卜┃┣━━━━━━━┻━━━━━━┻━━━━━━━┻━━━━┫┃囱冒囱图囱国囱图┃┣━━━━━━━┳━━━━━━┳━━━━━━━┳━━━━┫┃—-—-—■┃———*●┃·———_-┃一卜┃┗━━━━━━━┻━━━━━━┻━━━━━━━┻━━━━┛图1线阵CCD器件结构示意图线阵CCD的工作过程是：(1)在光积分脉冲作用下，每一像元产生一个势阱，称作像元势阱，能存储光生电荷。其存储电荷的多少与像元的光照强度成比例。(2)在转移脉冲控制下，像元信号电荷向移位寄存器注入。(3)在时钟脉冲作用下，信号电荷由移位寄存器依次输出。各种控制脉冲和时钟脉冲由专用集成块或微机产生l3】。3CCD动态检测法[2]CCD零部件尺寸检测系统如图2所示，零部件尺寸的信息量通过CCD检测和微机处理后，可用于实时显示和控制。图2CCD尺寸检测系统原理图由照明器产生的平行光照射在以速度v运动的被测零件上，通过投影物镜，将零件的轮廓放大并成像在两个CCD的像元上，这些像元按等距排成一线阵，每个像元好像一把“尺子”的刻线，用它们来量度影像的大小。那些未被阴影挡住的像元受光照后产生光生电荷，其光电荷的分布与影像关系如图3所示。图3影像及光电荷分布CCD势阱的光电荷在驱动脉冲的作用下成为脉冲信号输出，设脉冲数分别为门。和力，，并按时序送到放大器和比较器f3】，经处理后的亮脉冲送至微型计算机进行运算I5|，零件阴影尺寸的计算公式为D’=[(Ⅳ。+N6)一(，z。+rt6)]q+L(1)式中Ⅳa和肋分别为两个CCD的像元位数，力。和力。分别为两个CCD输出的亮脉冲数，q为脉冲当量(mm／脉冲)，上为两个CCD阵列之间的问距(mm)。则工件的实际尺寸 z：
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