基于衍射法测量细丝直径的CCD系统设计摘要近些年来，伴随着半导体技术与光电子学科技的迅速发展，在各个领域中广泛应用着大量光电器件。
其中，电荷耦合器件（CCD）由于具有光电转换、像元尺寸小、几何精度高、性能稳定等优点，被大量用于非接触式直径测量领域。
相对于接触式的直径测量方式，非接触直径测量具有测试速度快，精度高，对环境要求低等特点，因此使用范围较广。
本文对基于线阵CCD的非接触直径测量系统进行了较为全面的研究，并结合本课题的特点（测量细丝直径），提出了适合本课题的具体设计方案，在课题研究过程中，本文主要完成了以下几个工作：介绍了非接触直径测量的国内外发展现状及发展趋势。
通过对线阵CCD特性及工作原理的分析，设计了一种基于线阵CCD非接触直径测量系统。
[1]关键字：线阵CCD 直径测量衍射法目录1绪论 (1)1.1前言 (1)1.2基于CCD测径仪的国内外发展现状 (2)2 测量原理和方案论证 (3)2.1驻波测量导电金属细丝直径[4] (3)2.2衍射法测量细丝直径[5] (4)2.3双光束干涉法测量细丝直径[ 6] (4)小结 (6)3 计算机程序设计 (6)3.1系统的软件设计 (6)3.2软件流程框图 (7)3.2数据转换模块的设计 (8)3.3显示及报警模块的设计 (8)3.6系统程序 (10)4 精度分析 (11)4.1差分放大电路 (11)4.2光学系统对测量精度的影响分析 (11)4.2.1衍射 (11)4.2.2环境光扰动 (12)4.3信号处理电路对测量精度的影响分析 (12)4.4零点漂移对测量精度的影响 (12)4.5被测工件的均匀性对测量精度的影响 (12)4.5.1误差分析 (12)4.5.2标定误差 (12)5 总结 (13)参考文献 (14)1 绪论1.1前言光电自动检测技术在工业自动化生产中有着极其广泛和重要的用途。
然而，目前产品零件尺寸的检测大多数是人工测量的接触式和静止测量，所以检测速度低，生产效率低，劳动强度大，远远跟不上目前自动化生产的需要。
尤其在全面质量管理过程中，更需要先进的、智能的检测手段。
目前，国内外常采用激光扫描光电线径测量，但是这种方法受电机的温度及振动的影响，扫描恒速度的限制，会产生高温使其降低寿命。
我们研制的基于线阵CCD 便携式非接触直径测量仪器正是适应当前社会自动化生产的急需而设计的，该测径仪是一种光、机、电、一体化的产品。
尤其适用于电缆、电线、玻璃管、轴类零件的外径测量，对保证产品质量，降低原材料消耗，降低生产成本，提高劳动生产率有着重大的经济效益和社会意义。
对各种细丝直径的测量常常关系到工业产品的级别，如钟表中的游丝、光导纤维、化学纤维、各种细线、电阻丝、集成电路引线以及种类仪器、标尺的刻线等。
传统的测量方法多数为接触法，其它的有电阻法、称重法。
也有采用光学方法的，如光学显微镜法、干涉法、扫描法、投影放大法、比较法等。
然而，大多检测方法检测速度低，生产效率低，劳动强度大，远远跟不上目前自动化生产的需要。
尤其在全面质量管理过程中，更需要先进的、智能的检测手段。
目前，国内外常采用激光扫描光电线径测量，但是激光衍射细丝测量法比较适合于静态的高精度测量,当用于动态测量时会由于被测丝的晃动导致衍射条纹快速移动而失准,也难以快速得到测量结果,同时还具有结构复杂、格昂贵等缺点,不太适于现场快速测量细丝直径。
基于CCD技术的快速发展及后续处理算法的日益真实有效故CCD在现代自动化生产中扮演者越来越重要的作用。
为满足大工业化生产线阵CCD测量仪便应运而生，该测径仪是一种光、机、电、算于一体的产品。
尤其适用于电缆、电线、玻璃管、轴类零件的外径测量，对保证产品质量，降低原材料消耗，降低生产成本，提高劳动生产率有着重大的经济效益和社会意义。
[2]1.2基于CCD测径仪的国内外发展现状社会的进步重要体现就是科技的进步，科技进步主要体现使用劳动工具的进步。
从18世纪工业革命以来，科学技术以前所未有的速度在突飞猛进的发展，特别是近50年来，随着现代化生产和加工技术的发展，对于加工零件的检测速度与精度有了更高的要求，向着高速度、高精度、非接触和在线检测方向发展。
为此，工业发达国家对于检测仪器与设备速度与精度一直作为检测仪器的主要指标。
CCD测径仪特别适用于电缆、电线的在线自动检测，对保证产品的质量，降低原材料消耗，降低生产成本，提高劳动生产率有着十分重要的意义，所以各国政府都很重视对测径仪的研究。
英国Beta AS3系列全新的激光测径仪：LD1040-S(单向直径测量仪)、LD1040XY-S(双向直径测量仪)，精度：0.1μm，测量范围最广，单向测径仪最大可测直径达330.3mm，双向测径仪最大可测直径值达100mm，测量精度最高，最高测量精度可达0.1μm，是目前同类产品中的最高的测量精度。
日本生产的LS-7000 系列高速、高精度CCD 测量仪器，如：LS-7030M（配备测量摄影机）测量范围：0.3mm～30mm，测量精度：±2μm，重复性精度：±1.5μm。
LS-7010M（配备测量摄影机）测量范围：0.04mm～6mm，测量精度：±0.5μm。
国内由于自身的工业加工水平有限、测量原理的不完善和结构搭理欠合理，所以，国内生产的测径仪测量精度没有国外的精确，河北省激光研究所光电检测控制室生产的JCJ-1激光测径仪，是专为玻璃管生产线上玻璃管外径的测量、控制、分选而设计的集激光、精密机械、计算机于一体的智能化精密仪器。
通过激光光束高速（200次/秒）扫描被测玻璃管，计算机实时采样处理，实现玻璃管直径在线非接触检测、控制，测量范围：0.5mm～60mm，测量精度：±0.01mm。
广州一思通电子仪器厂生产的ETD-05系列激光测径仪，测量范围：0.2mm～30mm，测量精度：±2μm，ETD-05系列激光测径仪是一种基于激光扫描测量原理而设计的高精度非接触式的外径测量设备，仪器采用二维测量模式，有效消除工件振动造成的测量误差，特别适合生产现场的实时测量，适用于通信电缆、光缆、同轴电缆、漆包线、PVC管、铜管、纤维线等圆形线材的在线检测，也可用于其它各种圆形工件的外径测量。
南京亿佰泰科技有限公司生产的TLSM100 激光扫描测微仪，测量范围：0.2mm～30mm，测量精度：±3μm，是一种高精度、非接触的尺寸测量仪器。
它通过激光束的扫描获得被测目标的尺寸，广泛用于测量热的、软的、易碎的以及其它传统方法不易测量的物体，而且很适合生产中的在线测量或者线材、棒材、管材、机械和电子元件以及其它生产过程的监控。
TLSM100 的自动方式适用于连续的测量；手动方式适合单次测量。
它可以设置上下偏差、峰值限制，当超限后做相应的报警；还可以计算最大值、最小值、平均值。
例如：可以测量旋转圆柱体的最大值、最小值，辊子的偏差。
我们研制的基于线阵CCD测径仪测量范围：0.5mm～30mm，测量精度：±5μm，适用于对被测工件进行静态测量，也适用于生产现场的实时测量。
[3]2 测量原理和方案论证在工业生产和科学实验中,经常碰到尺寸较小的细丝直径的测量问题.细丝直径测量的方法有许多,传统测量方法通常有两种:一种是细丝称重法,即称出一定长度的细丝的重量后,把细丝看成为均匀细长的圆柱体,然后根据材料的密度计算出细丝的直径;另一种方法是用游标卡尺或螺旋测微器手工测量。
设计性实验的选题应体现实验内容的设计性和实验方法的多元性。
有以下几种方法:[4]图1 所示的实验装置中,接线柱 1 和2上的导线与金属细丝连接,构成通电回路。
金属细丝一端固定,另一端接在破码盘上用以产生张力。
中间由A、B 两个壁尖支柱,金属细丝下方放置磁钢,通有电流的金属弦线在磁场中会受到安培力的作用,弦线上接通正弦交变电流时,它在磁场中所受与磁场方向和电流方向均为垂直的安培力,也随之发生正弦变化,移动劈尖改变弦长,当弦长是半波长的整倍数时,弦线上便会形成驻波。
此时,金属细丝A、B 两端之间的距离L等于半波式中n为金属细丝上驻波的波段数,即半波数。
由波动理长的整数倍: 即 L =nλ2论可知,金属细丝中横波的传播速度为:v =√T ρ⁄式中 T 为金属细丝的张力,ρ是金属细丝的线密度。
波速、频率与波长的关系:υ= f λ,得: ρ=n 2T4f 2L 2由金属细丝线密度ρ和体密度ρ′的关系可以求出金属细丝的直径为:d =2√ρπρ⁄ 2.2衍射法测量细丝直径[5]衍射法测量细丝直径平行光束照射细丝时,其衍射效应和狭缝一样,在接收屏上得到同样的明暗相间的条纹。
激光器细丝观察屏L图 2为细丝的衍射图图 2 为细丝的衍射图,当L ≫d 2λ时为夫琅和费衍射,观察屏上光强分布为:I =I 0sin 2(πd sin ϕ/λ(πd sin ϕ/λ)2当 dsin K =±k λ ,k =1,2…时出现暗纹,设第 k 级暗纹离光轴的距离为xK 由xK << L ,则有:细丝的直径d =klλxk =LλS 式中: S 为衍射暗条纹间距,d为细丝直径,L 为细丝距观察屏的距离。
已知L 和光波长λ,测出S 或xK ,可得到钢丝的直径d 。
2.3双光束干涉法测量细丝直径[ 6]测量装置如图 3所示,待测金属丝的轴垂直于纸面,激光束由分束器PS 分束,经过全反镜 M1,M2和M3相向入射到细丝上,光束在细丝表面上反射后的光波产生平直的干涉条纹,在两入射光束垂直方向上放置的 CCD 相机摄取条纹图进入微机处理。
X激光器M 3PCPS 细丝 CCDM 1 M 2图 3双光束干涉法测量细丝直径装置图A 1B 1 r 1 Pd r 2 YROB 2 DA 2图 4两反射光线干涉光路 图 4表示两反射光线产生干涉的光路,实验中观测距离 D 一般比细丝直径 d 以及观测区域Y 大很多,因此上下测两光线的入射角大都在45°角附近。
由几何光学,在45°角入射点,附近的细光束反射产生虚线源,他们的位置观察屏 OP 上的条纹类似于杨氏双缝的干涉条纹,可知道条纹光强度。
条纹间距为:.42,22y R Z R =±=由CCD 摄取条纹图片进入计算机处理。
如果得到条纹间距,细丝到相机的距离D , 已知入射激光束的波长λ,便可得到细丝的直径d。
小结与同类测量系统比较，CCD细丝直径测量系统具有测量速度快，测量精度高，抗干扰能力强等优良特点，是一种非接触式的测量系统，属无损伤测量，不影响加工系统正常运行，非常适合于生产线上尺寸的测量。
该设计方案集成化程度高，可与计算机相联，可进行测量数据的集中采集和分析，以便进行质量分析和统计，并在生产过程中出现质量问题时进行报警提示，便于控制和自动化生产。