工业计量
1999年第 4期
计量测试
图
5
电源改进前后输入、
输出波½
3
结语
对一些出现故 障的计价器进 行上述改进
后
,
在实际½用中
,
均收到了良½的效果。
此外
,
在调查中我们发现
,
同一型号的计
价器在档次较½的½½上½用比档次较½的½
½½用出现前述故障的机率要½得多
,
由于我
½受经济条件的制约
,
中、 小城市出租½½大
多采用较½档次的½½
,
因此建议生产厂家要
研究一下这类½½产生的干扰性电磁波
,
设计
出有针对性的滤波器
,
充分考虑机器内部本身
的电磁兼容性问题
,
生产出性½优良的产品。
(收稿日期:
1998- 11- 12)
几½量图像检测技术及其应用
李成贵 王洪祥
(哈尔滨工业大学精密工程研究所 哈尔滨 150001)
摘 要 近几年随着光电子和计算机技术的发展
,
光电½换技术的½用越来越多。文章简单介绍了
CCD电荷耦合器
件和半导½像½½检测元件
PSD的基本测量原理和一些在工业上的应用实例。
关键词 测量
CCD PSD
近几年随着光电子和计算机技术的发展
,
人们对光电½换技术的研究越来越多
,
致½其
应用领域越来越½。 目前广泛½用的图像检测
元件有
CCD
电荷耦合器件和半导½像½½检
测元件
P SD。
1 CCD
CCD½为一种新型的光电器件 ,
在精密测
量及自动检测领域得到了广泛应用。 与其它光
电器件相比
CCD
有许多优点
,
其½积小、 可靠
性高、 响应速度快、 动态范围大
,
有准确恒定
的光敏元件几½尺寸和间隔
,
不需附加机械结
构
,完全依靠电学方法完成对空间信息的采样、
½换、 存储和输出
,
具有较高的采样速率。 按
照光敏元件排列结构的不同
, CCD可分为线阵
和面阵。线阵
CCD
可完成一维光强空间分布的
探测
,而面阵 CCD
½完成二维全场光强空间分
布的探测
[1 ]
。
图
1 CCD
测量基本原理
·
39
·
计量测试
CCD½为光电½换和定量基准实现零件
外½尺寸非接触测量的基本原理如图
1所示。
从图
1可得被检零件的½像尺寸为:
D= L+
[ (
N
1
-
n
1
)+ (
N
2
-
n
2
) ]
·
P
式中
L
— —
CCD
器件之间的距离
;
N
1
、
N
2
— —
CCD
1
和
CCD
2
的阵 列光
敏元数
;
n
1
、
n
2
——
CCD
1
和
CCD
2
的亮光敏元
数
;
P——
光敏单元间隔尺寸。
如果系统光学放大倍数为
U
,则零件的外
½尺寸为:
1
{L+ [ (
N
1
-
n
1
)+ (
N
2
-
n
2
) ]
·
P
}
U
假设
N
1
+
N
2
=
N
,则上式可简化为:
1
D=
[L+ ( 2N -
n
1
-
n
2
)
P
]
U
由上式可知
,
通过测量亮光敏元件数
n
1
和
n
2
,
即可实现零件一维尺寸
D
的检测。因此
,
½
D=
采用面阵
CCD½为光电探测器½时 ,
通过在二
维空间测量亮光敏元件的坐标½½即可实现被
测零件二维全场½½的检测。
CCD用于几½尺寸测量的上述二值化处
理方法
,
其测量分辨力受光 敏元间距
P
的约
束
,
其单边测量分辨力为
1个光敏单元。
为了
减小这种约束
,
提高测量精度
,
提出了多种提
高线阵
CCD尺寸分辨力的解调方法 ,
如菲涅耳
直边衍射法等。
除此之外
, CCD被广泛用于图像和干涉条
纹检测
,
精度可达
λ/20
(λ
为光的波长
) ,
可实
现动态记½和结果显示。
2 PSD
PSD( Posi ti on Sensing Det ect or)
是近年发
展的一种½½检测元件
,
它½把入射在
PSD
接
收器表面上的光斑½½½换成连续的电信号输
出
,
可分为一维、 二维及圆½三种
,
一维
P SD
的结构原理如图
2所示。
½入射光斑打在
PSD接收面上时 ,
两输出
端产生的光电流同两输出端与入射光斑的½½
成反比
,
光斑½½的变化将½两输出端的电流
也发生变化
,
这种光斑偏离
PSD中心½½的½
·
40
·
Industrial Measurement 1999 No. 4
移系数与两输出端的电流存在如下关系:
I
b
-
I
a
X
=
a
I
+
I
b
T
a
、
T
b
—
PSD
两输出端
;
I
a
、
I
b
—
PSD
两输出端的输出电流
;
D
—
入 射 光 斑直 径
;
I
—
入 射光 斑 电 流
; C
b
—
PSD
输入 端
;
Q、 P C PSD结构层 ;
X—
入射光斑偏离
PSD
中心的距离
;
、 —
R—
PSD
的电阻。
图
2 PSD
的结构原理
通过运算处理电路把两输出端电流½换成
½½信号
,送至计算机进行处理并显示结果。
二
维
PSD的工½原理类似于一维 ,
只是二维得同
时处理互相垂直的
X
、
Y
两方向上的光斑½½。
PSD
的检 测分辨力受模拟运算电路 精度
及
A /D变换器分辨力的限制 ,
为提高像½½检
测精度
,
研制了混合电路型
PSD ( R-H P SD) ,
参见图
3
在原来½式的
PSD
的输出端子间设
。
½多个辅助输出电极
,
通过对它们的选用
,
可
在任意的连续区间内构成与原来工½½式相同
的一个
PSD
首先选用两边的输出端子
,
来检
。
知像是属于哪个小区间
;
然后
,
选用包含像的
连续区间的端子
,
检测该区间内的像½½。 在
整个检测范围内的像½½由所选区间的½½与
该区间内的检测½½之和来确定。 输出端子的
½½利用集成电路技术½够非常准确而且稳定
地制½出来
;
另外
,
在所选区间内以模拟运算
系统及
A / D变换器的极限精度来检测像½½。
所以
,
通过设立多个辅助输出电极来增加小区
间数
,
同时实现了½的检测范围与高的检测精
度。 详细内容
,
可见文献
2
。
工业计量
1999年第 4期
计量测试
D′
D
=
U
式中
D
——
被测玻璃管尺寸
;
——
D
′
玻璃管½像大小
;
—
U —
光学系统放大率。
为测玻璃管½像的大小
,
可将视频信号中
外径和壁厚尺寸部分进行二值化
,
然后填入时
钟脉冲
,该时针脉冲对应 CCD传感器的空间分
T
1
…
T
6
—
PSD
多头 输入端
; T
b
—
PSD
电 流输 出
端
; Q、 P、 C
混合型
PSD结构层
—
图
3 R-HPSD
结构原理
辨力。
计算机采集这两个尺寸所对应的脉冲数
,
经数据处理后
,
便可得到玻璃管外径和壁厚尺
寸的实测值。
其计算公式为:
NM
D=
U
式中
N
——
玻璃管½ 像所计入 的时钟 脉冲
数
;
M
——
时钟脉冲½量
( CCD
传感器空间
分辨力
)。
该 系 统 中 玻 璃 管 的 检 测 范 围 为
H
10½
H18mm,
测量精度 为外径±
0. 2m m,
壁 厚±
0. 04mm。
4
CCD钢板计数器
[
4
]
在冶金行业
,
成品钢板捆扎包装之前
,
需
对每包进行张数计量
,
目前大多数企业仍采用
人工数数的方法。而根据
CCD摄像原理 ,
可实
现钢板计数。
成品钢板是由带钢剪裁而成的
,
侧面用滚
刀裁切
,
端面用剪板机剪切。 由图
5看出 ,
整
个剪切面由两部分组成: 剪切面和拉断面。 剪
切面光亮
,
对光反射强。 拉断面较粗糙
,
光反
射弱。 多张钢板叠放在一起
,
每块钢板½有亮
和暗的部分
,
再加上钢板之间的缝隙
( 0. 1
½
0. 5mm )
完全不反射光
,
在钢板端面或侧面就
½成了层次分明、 亮暗相间的条纹图象
(如图
6) ,
非常适合于用
CCD器件摄取。用镜头将钢
板捆包端面或侧面的亮度信号成像在
CCD上 ,
下面是
CCD技术在实际测量中的几个应
用例子。
3
CCD
传感器检测玻璃管外径和壁厚
[3 ]
激光扫描法在测量透明管的外径中得到了
很½的应用
,
½只½检测玻璃管的外径
,
而不
½检测其壁厚尺寸。用
CCD
传感器½同时检测
玻璃管的外径和壁厚尺寸
,
其测量系统由
CCD
传感器、
ST D工业控制机和光学系统组成。
被测玻璃管被平行光波均匀照明后
,
平行
光波通过玻璃管
,根据光透射率分布的特性 ,经
成像系统后
,在 CCD传感器的光敏面上½成了
玻璃管的½像
,
并且在
CCD传感器输出的视频
信号中出现了反映玻璃管外径和壁厚几½尺寸
的信息
,
如图
4所示。
在这个电压波½中
,
两
个凹谷区是由于玻璃管壁厚的阴½像在
CCD
传感器的敏感面上造成的光强减弱而引起视频
信号幅值的衰减
,
正½反映了玻璃管壁厚的尺
寸信息。 而这两个凹谷的外缘是玻璃管外径½
像的边界
,
则两个凹谷外缘之间的距离正是玻
璃管外径尺寸信息。
V
—
CCD
输出电压信号
, V;
t
—
玻璃管½像尺寸
, m m
图
4
玻璃管外径和壁厚的测量
对应亮处
CCD输出高电平 ,
对应暗处和缝隙
CCD输出½电平 ,
把钢板捆包端面或侧面的图
像½换为电压信号
,
放大后再进行处理。
CCD输出的信号并不是理想
的高½电平
·
41
·
被测玻璃管与½像之间的关系为:
计量测试
交替出现的规则的电压波动
,
实际波½中叠加
有许多干扰
,
如剪切面上的毛刺、 污物及剪切
拉斑
,
½成高频干扰
;
不同剪切面亮度的差别
造成的½频干扰
; CCD器件本身具有的暗电流
噪声等。 为排除这些系统干扰
,
可设½带通滤
波器。 ½所测钢板厚度规格较多时
,
可设多波
段滤波
,
在每一波段设一个带通滤波器。
Industrial Measurement 1999 No. 4
算两块
CCD上阴½所覆盖的光敏单元数 ,再加
上两平行光之间的间距
,
可求出工件
18的直
径:
D= D
1
+
D
2
+
D
0
图
5
钢板截面½像
图
7
热½圆钢直径测量原理
由于左右两路的光学参数完成相同
,
则:
D
=
k
(
n
1
+
n
2
)+
D
0
图
6
钢板端面条纹图象
滤波器输出信号
,
通过微分器将拐点变为
零点
,
信号峰点和谷点
(对应钢板的亮处和暗
处
)
½½一于零点。 再通过比较电路和单稳定
时电路
,图像信号变为整½规则的脉冲信号 ,送
单片机分析判断、 计数显示。 理想情况下
,
每
一块钢板对应一个脉冲。
5
用
CCD检测中型热½圆钢直径
中型热½圆钢直径一般在
H
60½
H130mm
,
因此测量时采用了双光路系统
,
如图
7所示。
加工要求对½钢水平、 垂直两个方向进行
测量
,
以保证对½件尺寸的调整和控制。 下面
以垂直方向光路为例介绍仪器测量原理。
光源
1发出的光经过聚光镜 2会聚于光栏
3,光线通过光栏 3后面的物镜 4½成一束平行
光
,该平行光通过分光镜 5分成两束平行光 ,一
路½为½件水平方向的照明光
,
一路½为垂直
方向的照明光。 后者通过分光镜
6再分成两束
平行光
,
一路直接照射工件左边缘
,
通过物镜
10成像在 CCD器件 14上 ;
另一路经平面反射
镜
8½向后与左
边一束光平行照射工件右边
缘
,
由物镜
11成像在 CCD器件 15上。通过计
·
42
·
[
5]
式中
k
—
脉冲½量
;
n
—
阴½覆盖的像素数。
随着光电子技术、 计算机和图像处理技术
的迅速发展
,
½得
CCD、 PSD和激光编码器等
广泛应用于工件的尺寸、½状和½½的测量
,并
且可将图½信号½换成电信号
;
而与光纤技术
相结合
,
可实现现场、 在线动态测量
,
同时也
便于显示和控制
;
几½量图像检测技术现已大
量用于½½发动机½缸的组合加工中检测、 滚
珠½承内外环与滚球加工中和各种型钢½制中
的测控等。
参考文献
1 张广军等 .
光电高 精度全场 ½½检测 系统的研 究
.
计量
学报
, 1994, 15 ( 4):
202 205
½
23 26
½
3 5
½
2 柯华 (译 ) .
½用半导½像½½检测元件的高精度像½½检
测法
.
½外计量
, 1992, ( 4):
3 孙学珠 ,
陈本智等
. CCD
传感器检测玻璃管外径和壁厚的
研究
.
计量与测试技术
, 1995, ( 5):
( 3):
11 13
½
9 12
½
1998- 11- 12)
4 张金池 ,
朱长青等
. CCD
钢板计数 器
.
计量技术
, 1994,
5
冯正鸣
,
陈林才等
.
单片机在中型热½圆钢直径检测仪中
的应用
.
计量技术
, 1991, ( 9):
(收稿日期:
京公网安备 11010802033920号
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