陣列細絲直徑實時快速檢測系統(tǒng)設(shè)計

黃戰(zhàn)華，張晗笑，曹雨生，陳智林，申苜弘

（天津大學(xué) 精密儀器與光電子工程學(xué)院，光電信息技術(shù)教育部重點實驗室，天津 300072）

引言

近年來，尼龍[1]、芳綸[2]、光導(dǎo)纖維[3]等高性能的新型人造細絲大量涌現(xiàn)，如何在工業(yè)生產(chǎn)中進行并行化、非接觸和實時的陣列細絲直徑檢測成為制造商亟待解決的問題。干涉測徑法[4-5]、衍射測徑法[6-7]測量精度較高，但光路復(fù)雜且測量速度慢，難以實時化；掃描測徑法[8-10]只適合測量較大直徑的不透明細絲，成品尺寸大且價格貴；光電成像測徑法[11-15]受限于測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸以及計算效率，檢測速度較慢，難以陣列化。

為實現(xiàn)陣列細絲直徑的實時快速檢測，提出了一種基于CPLD 的陣列細絲直徑實時快速檢測系統(tǒng)。

1 檢測原理

本系統(tǒng)采用基于線陣CMOS 的光電成像測徑法[16]。如圖1所示，成像物鏡將被測細絲以放大倍率 β成像在線陣CMOS 上。

圖1 光學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of optical structure

成像物鏡的像方焦距為f′，像距為x′。系統(tǒng)的放大倍率 β為

細絲的像高為h，線陣CMOS 的光敏單元的尺寸為l，若細絲的像在線陣CMOS 上所占像元的個數(shù)為m，則細絲的直徑d為

線陣CMOS 采集的含有細絲直徑信息的視頻信號經(jīng)放大比較電路二值化處理后進入CPLD 解算直徑。如圖2 及圖3所示，當(dāng)細絲透明度較低時，細絲像呈現(xiàn)亮-暗-亮的變化，二值信號呈現(xiàn)出高-低-高的變化；透明度較高的細絲對應(yīng)的二值信號呈現(xiàn)出高-低-高-低-高的變化。

圖2 細絲像的灰度值-像素關(guān)系示意圖Fig.2 Schematic diagram of gray value-pixel relationship of filament image

圖3 細絲對應(yīng)二值信號的電平-像素關(guān)系示意圖Fig.3 Schematic of electrical level-pixel relationship of binary signals corresponding to filaments

在一個線陣CMOS 采集周期中，只需得到二值信號的第一個下降沿與最后一個上升沿之間的像素數(shù)，便可計算出細絲實際直徑的大小。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

如圖4所示，陣列細絲直徑實時快速檢測系統(tǒng)由過程控制單元、數(shù)據(jù)測量單元和探測傳感單元組成。每個數(shù)據(jù)測量單元對應(yīng)1 個主CPLD 芯片、3 個從CPLD 芯片、24 個探測傳感單元，以實時檢測24 條陣列細絲。

圖4 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of overall structure of system

2.1 探測傳感單元

探測傳感單元用來對細絲直徑取樣。成像系統(tǒng)按照2 種放大倍率設(shè)計，0.1 mm～0.3 mm 直徑細絲的檢測系統(tǒng)的放大倍率為22.32 倍，0.3 mm～1.0 mm 直徑細絲對應(yīng)的放大倍率為6.01 倍，分別對應(yīng)選用8 mm 和25 mm 焦距的鏡頭。

線陣CMOS 傳感器是系統(tǒng)的關(guān)鍵器件。本系統(tǒng)選用Panavision Imaging 公司的ELIS-1024A 線陣CMOS。其像元尺寸為7.8 μm，最大分辨率為1 024，驅(qū)動頻率范圍為1 kHz～30 MHz，在300 nm～900 nm 范圍內(nèi)，其量子效率均大于0.5。

細絲陣列的小間距對光源體積提出要求，故系統(tǒng)光源采用白光貼片LED。白光LED 的光的相干性較低，成像時衍射現(xiàn)象不明顯，可以忽略。

2.2 數(shù)據(jù)測量單元

數(shù)據(jù)測量單元由放大比較電路、CY7C68013A芯片、FIFO 芯片以及CPLD 組成。放大比較電路將線陣CMOS 信號轉(zhuǎn)換為二值信號。CY7C68013A芯片與FIFO 芯片承擔(dān)數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蝿?wù)。CPLD 負責(zé)線陣CMOS 驅(qū)動信號的產(chǎn)生、細絲直徑的計算、檢測頻道選擇功能，采用LC4512V 芯片。

主CPLD 內(nèi)部程序邏輯框圖如圖5所示。

圖5 主CPLD 程序邏輯框圖Fig.5 Logic block diagram of main CPLD program

頻率為24 MHz 的外部時鐘MCLK 信號經(jīng)分頻器后產(chǎn)生6 MHz 的驅(qū)動時鐘DCLK 和12 MHz的計數(shù)時鐘SCLK。繼而產(chǎn)生頻率5 kHz 占空比0.14 的方波MSTA、5 kHz 的CMOS 讀取信號DATA以及5 kHz 的計數(shù)啟動信號MSTP。

當(dāng)讀取新的一幀線陣CMOS 信號時，計數(shù)啟動信號MSTP 產(chǎn)生。MSTP 與RS 觸發(fā)器配合，計數(shù)器啟動，輪詢24 個細絲直徑。信號SEL 選擇相應(yīng)直徑數(shù)據(jù)通過CY7C68013A 芯片與FIFO 芯片傳輸給上位機。

從CPLD 內(nèi)部程序邏輯框圖如圖6所示，主要負責(zé)細絲直徑的測量并匹配頻道選擇信號SEL 向主CPLD 傳輸直徑數(shù)據(jù)。

圖6 從CPLD 程序邏輯框圖Fig.6 Logic block diagram of secondary CPLD program

MSTP、SCLK 與RS 觸發(fā)器、計數(shù)器和判斷邏輯配合，在一幀信號傳輸完畢時，產(chǎn)生幀發(fā)送信號MSEND。

二值信號CMOS0 經(jīng)檢測邏輯后產(chǎn)生上升沿信號CMOHP 和下降沿信號CMOQP。計數(shù)器感知CMOQP 開始計數(shù)；鎖存器感知每個CMOHP，并將計數(shù)器當(dāng)前數(shù)值鎖存至信號MD0。新一幀視頻信號到來時計數(shù)清零。

每個從CPLD 接收二值信號CMOS0～CMOS7，分別計算出8 個頻道的直徑數(shù)據(jù)MD0～MD7。

2.3 過程控制單元

過程控制單元由上位計算機構(gòu)成，負責(zé)細絲直徑數(shù)據(jù)的接收與顯示、數(shù)據(jù)測量單元的參數(shù)設(shè)置、判斷與報警。

2.4 系統(tǒng)樣機

如圖7所示，每8 個探測成像單元為1 組，總共放置3 組。每組錯開1 個基本細絲間隔，分3 排放置。

圖7 LED 與細絲的對應(yīng)關(guān)系圖Fig.7 Corresponding relations of LEDs and filaments

圖8 為陣列細絲直徑實時快速檢測系統(tǒng)樣機。探測傳感單元的照明系統(tǒng)的內(nèi)部構(gòu)造未顯示在圖中，其由LED 陣列和準(zhǔn)直透鏡陣列組成。成像鏡頭陣列和線陣CMOS 電路板之間添加了遮光筒陣列，以消除不同細絲測量單元的光的相互影響。計算機型號為ThinkPad X1 Extreme，具有2 個USB 3.0 接口，處理器為Intel Core i7-8750H。

圖8 系統(tǒng)樣機圖Fig.8 Picture of system prototype

3 實驗數(shù)據(jù)分析

對系統(tǒng)進行多直徑陣列細絲靜態(tài)測量實驗和動態(tài)測量實驗，使用精度為0.001 mm 的螺旋測微器對細絲量測定標(biāo)。

3.1 靜態(tài)測量實驗

保持測徑系統(tǒng)內(nèi)細絲的位置不變，對不同直徑的細絲進行100 次直徑測量。測量系統(tǒng)的測量頻率為5 kHz。

多直徑陣列細絲靜態(tài)多次測量實驗結(jié)果如圖9所示，在0.1 mm～1.0 mm 的直徑范圍內(nèi)，細絲直徑測量結(jié)果基本穩(wěn)定。

0.122 mm 0.126 mm 0.181 mm 0.259 mm 0.199 mm 0.146 mm 0.289 mm 0.36 0.166 mm 0.233 mm 0.313 mm 0.34 0.32 0.30/mm0.28 0.26值0.24量0.22測徑0.20直0.18 0.16 0.14 0.12 0.10 020406080100陣列細絲靜態(tài)測量實驗序號(a)0.1 mm~0.3 mm實驗結(jié)果0.298 mm 0.319 mm 0.351 mm 0.385 mm 0.414 mm 0.449 mm 0.482 mm 0.599 mm 0.652 mm 0.717 mm 0.831 mm 0.864 mm 0.950 mm 1.0 0.9/mm0.8值0.7量測0.6徑直0.5 0.4 0.3 020406080100陣列細絲靜態(tài)測量實驗序號(b)0.3 mm~1.0 mm實驗結(jié)果

圖9 靜態(tài)測量實驗直徑測量值Fig.9 Diameter measured values in static measurementexperiment

3.2 動態(tài)測量實驗

實際測量時細絲相對于測徑系統(tǒng)是運動的，因此分析測徑系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性。令電機帶動細絲運動，對靜態(tài)實驗使用的細絲進行100 次直徑測量,測量頻率仍為5 kHz。

如圖10所示，測量結(jié)果基本穩(wěn)定，但與靜態(tài)相比波動變大。

圖10 動態(tài)測量實驗直徑測量值Fig.10 Diameter measured values in dynamic measurement experiment

3.3 數(shù)據(jù)誤差分析

多直徑陣列細絲重復(fù)性測量實驗誤差如表1所示。靜態(tài)和動態(tài)重復(fù)性測量實驗的誤差較小，系統(tǒng)具有并行測量能力，動態(tài)測量穩(wěn)定性好。

表1 重復(fù)性測量實驗誤差Table 1 Experimental error of repeatability measurement

在實際的測量過程中，測量誤差受多種因素影響。例如，單像元分辨能力，即單個像元能夠分辨的尺寸，線陣CMOS 的像元尺寸為7.8 μm，基本決定了測量精度；照明系統(tǒng)包括高亮度LED 和透鏡，不能提供理想的平行光；成像鏡頭為廣角鏡頭，其畸變會影響測量結(jié)果。

4 結(jié)論

本文提出了基于CPLD 的陣列細絲直徑實時快速檢測系統(tǒng)。通過陣列化傳感系統(tǒng)，利用CPLD 的可編程性，降低了上位機與下位機之間的數(shù)據(jù)傳輸量，顯著提高了測量效率。本系統(tǒng)的測量頻率為5 kHz，量程為0.1 mm～1.0 mm。重復(fù)性測量實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)在0.1 mm～0.3 mm 以及0.3 mm～1.0 mm 的直徑范圍內(nèi)動態(tài)測量重復(fù)精度分別為3.5 μm 和8.3 μm，動態(tài)重復(fù)性誤差百分比絕對值分別不超過1.21%與1.43%。

本系統(tǒng)在生產(chǎn)線上實時快速檢測直徑是可行的，滿足了現(xiàn)代生產(chǎn)提出的并行化、非接觸、實時測量的要求。