基于CCD非接觸線徑測量系統(tǒng)的設(shè)計與研究

韓　星，劉　倩，熊靜琪，王李立

(1．電子科技大學機械電子工程學院，四川成都　611731；2．北華航天工業(yè)學院電子工程學院，河北廊坊　065000)

0　引言

在電纜、光纜的生產(chǎn)中，直徑的偏差直接影響著它們的等級．而目前線材外徑的檢測主要依靠人工的接觸的檢測手段。因而，檢測速度低、勞動強度大，并且無法檢測生產(chǎn)線上高速運動的線材外徑[1]。激光檢測技術(shù)能滿足高速非接觸在線檢測的需要，而隨著非接觸測量技術(shù)的迅猛發(fā)展，線陣CCD因其響應速度快、信號易處理、精度高和無磨損的特點而廣泛應用于一維尺寸測量中[2]。為此，采用半導體激光器，結(jié)合先進的快速光電耦合器件(CCD)以及計算機技術(shù)，研制出了能用于生產(chǎn)實際的高精度激光檢測系統(tǒng)[3-4]。文中系統(tǒng)利用高速AD轉(zhuǎn)換芯片對線陣CCD的信號進行AD轉(zhuǎn)換，并由FPGA對轉(zhuǎn)換的信號進行高速采集、存儲和處理，最后將測量結(jié)果發(fā)送PC上位機[2]。

1　線徑測量系統(tǒng)

線徑測量系統(tǒng)由以下3部分組成：(1)光電系統(tǒng)；(2)單片機系統(tǒng)；(3)上位機系統(tǒng)。其系統(tǒng)組成如圖1所示[3]。

圖1　系統(tǒng)組成

1．1測徑系統(tǒng)模型

激光束將被測量棒投影于CCD上，由于CCD是一個理想的光傳感器，有很高的感光靈敏度，所以它在檢測中成為一個高靈敏度的光電傳感器件。又由于線陣CCD的光敏元陣列依靠高精度的光刻技術(shù)，有著精確的幾何間距，所以，CCD在光電檢測中又是一把數(shù)字式的高精度測量標尺[5]。當CCD的整個光敏元件陣列被激光照射時，在驅(qū)動脈沖作用下，其輸出端將得到與CCD位數(shù)相應的脈沖信號數(shù)。當被測量棒被扇形激光束投影于CCD上時，部分CCD光敏元件將被遮去，僅在被光均勻照明的光敏元區(qū)域有對應位數(shù)的脈沖信號輸出[6]。實際系統(tǒng)抽象出來的幾何模型如圖2所示。

圖2　光學模型

圖3　光學幾何模型抽象

1．2單片機系統(tǒng)電路設(shè)計

針對系統(tǒng)需求，系統(tǒng)選用STM32F103芯片作為主控芯片實現(xiàn)控制，其主要特點是：128 K字節(jié)的閃存程序存儲器，20 K字節(jié)的SRAM；2個12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，1 us轉(zhuǎn)換時間(多達16個輸入通道)；七通道DMA控制器等[7]。

圖4　單片機電路

1．3CCD驅(qū)動電路設(shè)計

CCD是檢測系統(tǒng)的核心，其性能優(yōu)劣直接影響系統(tǒng)的功能和檢測精度，通常線陣CCD傳感器，可靠性、靈敏度、分辨率等方面都能滿足一般工業(yè)要求。根據(jù)系統(tǒng)需求情況，在考慮性價比、工作頻率及使用簡單等因素。TCD1209DG，它是一種高靈敏度、低暗電流的線陣CCD傳感器。具有2 048位有效象元的兩相陣線CCD器件，每個光敏元尺寸為14 μm×14 μm，中心間距14 μm．TCD1209DG為雙列22腳封裝，只需加上一組時序脈沖進行驅(qū)動控制就能實現(xiàn)對線徑像的一維掃描和信號輸出，硬件電路上通過增加一個驅(qū)動器SN72LVC1G66來實現(xiàn)。

TCD1209DG工作需要SH、Φ1、Φ2、RS 4路脈沖驅(qū)動。由非門及晶體振蕩器構(gòu)成的振蕩電路輸出頻率為2 MHz的方波脈沖，經(jīng)D觸發(fā)器分頻得到頻率為1 MHz的方波脈沖，將2 MHz與1MHz脈沖相與形成RS脈沖，其占空比為1∶3，頻率為1 MHz．將RS經(jīng)D觸發(fā)器分頻產(chǎn)生頻率為10 MHz的Φ1脈沖和Φ2脈沖，Φ1和Φ2反相。將SH、Φ1、Φ2、RS經(jīng)反相器、阻容加速電路送至SN72LVC1G66驅(qū)動器，供給TCD1209DG[8]。驅(qū)動電路如圖5所示。

圖5　CCD驅(qū)動電路

2　基于CCD幾何模型算法

分析圖3光學幾何模型抽象，不難發(fā)現(xiàn)當量棒線徑發(fā)生變化時，其幾何模型相應的發(fā)生改變，這種改變最終直接導致了最終結(jié)果的誤差，因此對幾何模型做如圖6所示修正。

圖6　改進后的光學幾何模型

圖中，可以判定兩虛線焦點處為坐標原點，則得到實際中量棒的坐標(x，y)，激光LD的坐標(0，-L2)(-L2，0)，同時可以利用CCD測得衍射陰影坐標，Ly(L1-L2，ly)，Ry(L1-L2，ry)，Lx(lx，L1-L2)，Rx(rx，L1-L2)，其中L1為激光LD到CCD的距離。

利用三角關(guān)系，可以求得：

(1)

(2)

同時，由于測得衍射陰影坐標，可以解出sinαx，sinαy。同時兩條垂直平分線斜率為：

(3)

(4)

同時利用αx，αy，kx，ky根據(jù)各條線之間的關(guān)系，可以得出其他兩條曲線的斜率：

(5)

(6)

同理y方向有：

(7)

(8)

而根據(jù)坐標，可以確定以上4條曲線的斜率為：

(9)

(10)

聯(lián)立以上方程，化簡有：

(11)

(12)

(13)

(14)

由CCD測得Rx，Ry，Lx，Ly4個已知量，聯(lián)立式(11)、式(12)、式(13)、式(14)最終可以求出量棒坐標(x，y)，x方向線徑x_width，y方向線徑y(tǒng)_withy，綜合二者得結(jié)果為：

(15)

3　實驗仿真

3．1線徑測量試驗臺

因系統(tǒng)對光污染比較敏感，因此在搭建系統(tǒng)時添加了遮光板，搭建的試驗臺如圖7所示。圖7黑色部分即是對CCD做出的相應遮光處理。

圖7　實驗臺系統(tǒng)

3．2線徑測量實驗步驟

(1)定義CCD信號中左右陰影位置與另一路測得線徑誤差的二維關(guān)系，并在通過RS-232口將數(shù)據(jù)讀到上位PC機，取定量棒直徑為450 μm，CCD測得陰影波形如圖8所示。

圖8　CCD采集陰影波形

(2)Matlab中仿真左右陰影位置Rx，Ry，Lx，Lr與另一路測得線徑誤差的關(guān)系；

(3)線徑擬合出陰影位置Rx，Ry，Lx，Ly被測線芯直徑d之間的關(guān)系；

(4)擬合的參量回代到單片機系統(tǒng)中進行補償修正；

3．3線徑測量仿真結(jié)果分析

在keil中實現(xiàn)上述幾何算法，并且分析系統(tǒng)誤差源，在分析測得的兩路CCD信號中的左右陰影位置對另一路測得的線徑誤差的影響，然后在Matlab中顯示出相應的樣本點，該實驗取定中心偏離度-200～200 μm，通過觀察樣本點的誤差，發(fā)現(xiàn)其樣本點的波形類似于周期性的三角波，則可以分段對該波形進行一階最小二乘擬合。在Matlab中觀察擬合后的曲線，發(fā)現(xiàn)其擬合效果較好，基本能將誤差控制在±2個像素點，擬合后效果如下。圖9為X方向樣本點及一次擬合曲線。

(a)450 μm X方向R路誤差擬合中心偏離度

(b)450 μM X方向L路誤差擬合中心偏離度

得到擬合參量見表1，然后將這些參數(shù)在keil中進行相應擬合補償實驗。

擬合后的誤差效果基本能控制在-2 μm以內(nèi)，因此，擬合補償明顯對誤差的糾正有較好的效果。

(b)450 μmX方向L路誤差擬合中心偏離度

表1　最小二乘擬合參量

4　結(jié)束語

(1)文中利用最小二乘對陰影部分進行算法擬合補償，修正了因為衍射造成的CCD檢測到的陰影位置誤差，使得在幾何模型中的原始樣本值更精確。

(2)在基于最小二乘數(shù)據(jù)擬合的邊緣檢測算法的基礎(chǔ)上，針對所采集圖像的過程，提出了一種優(yōu)化光學幾何模型的算法，和普通光學模型算法相比，改進的算法著重分析了優(yōu)化的光學模型，在分析模型時不做近似處理，因此算法誤差更小，這也進一步增加了測量精度。

(3)在系統(tǒng)中只對450 μm量棒進行了實驗仿真，對于系列不同線徑量棒還有待進一步的分析，找出規(guī)律，進行不同線徑量棒的補償，在后續(xù)研究中有待做進一步探討分析。

參考文獻：

[1]吳建兵 李川奇．CCD高精度線徑測量．工業(yè)儀表與自動化裝置，1996(1)：27-29．

[2]雷波，盧紅．基于線陣CCD的在線亞像素邊緣測量系統(tǒng)，武漢理工大學學報，2010 (8)：526-529．

[3]魏紅偉，尤文，王宏志．高精度激光CCD在TP線徑檢測儀中的應用．吉林工學院學報，1994(4)：68-72．

[4]李慶先．電荷藕合器件-CCD應用概述．儀表技術(shù)與傳感器，1991(6)：12-14．

[5]蘇波，王紀榮．CCD高精度測徑系統(tǒng)的研究．太原理工大學學報，2002，(5)：506-509．

[6]ST hac．STM32F103 data sheet，2009．

[7]TOSHIBA hac．TCD1209D Image Sensors．TCD1209D datasheet，2001．