中北大学信息商务学院2013届毕业论文
1.1.2 非接触测量的研究方法
近年来非接触测量的方法发展迅速，比较具体的方法包括三角法、离焦法、自聚焦法、反射强度法、像面扫描法、光学图像识别法、物理扫描法等。现在国际上主要利用光电检测方法进行各种行为误差、尺寸要素的测量，采用的原理和方法也是多种多样的。在这其中CCD在图像检测领域得到了很好的应用。
将CCD应用于图像检测领域的这种测量方法主要是将光测技术与计算机图像处理进行有机的结合。先用CCD成像系统对被测物体影像进行摄取，再利用计算机对图像进行处理并分析、识别，最终得到各项检测数据。作为测量领域的一种新型的测量方法，图像测量技术以光学为基础，融合了光电子学、激光技术、计算机技术、图像处理技术等现代科学技术为一体，组成光、机、电、算综合的测量系统。对被测物体的各项几何参数进行图像测量，是一种测量效率和测量精度都比较高的非接触式测量技术。一般的方法是：将被测物体置于一个平行光场中，利用光学系统进行投影或反射成像，以CCD传感器作为接收图像的硬件设备，在该图像数字化后，然后由计算机进行管理、图像处理和分析。CCD测量具有无接触、准确度高、便于计算机处理，易于和自动控制设备连接等优势，因此CCD用于测量的研究一直延续到现在。 1.2 线阵CCD尺寸测量的应用方法概述
在实际的检测中，我们可以根据被检测物的尺寸（设被检测物尺寸为L）的不同，按照CCD器件芯片感光面长度D进行分类：
（1） 微小尺寸测量：L≤1mm
当被测尺寸L≤1mm时，一般采用的测量方案是：用线阵CCD测量光对微小尺寸工件的衍射条纹，再通过低通滤波、高速数据采集后送入计算机，通过软件计算获得被测工件的尺寸。相较于直接读出被测件尺寸大小的电荷信号的测量方法这种检测方式避免了大量测量误差的产生。
图1.1 微小尺寸测量
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图1.1为微小尺寸测量的激光衍射测量原理图。氦氖激光器射出的激光束入射到被检测的微小器件上，在距器件一定距离处产生如图1.1所示的衍射条纹，CCD接受到衍射条纹，产生与之相应的输出信号，经计算机后置处理达到测量目的。
由Fraunhofer衍射公式可得：
F?
k?1?k?[1?X]2XKsin? (1-1)
在图1.1中，L为被测器件；λ为激光波长；k为暗纹级数；X为被测器件到CCD的距离；为被测工件到第k级暗纹的连线与光线主轴的夹角；错误！未找到引用源。为第k级暗纹到中央亮纹中心的距离。根据公式（1-1）可计算出被测器件的尺寸大小。
（2） 一般尺寸测量：错误！未找到引用源。
当被测器件尺寸1mm?L?D时，可以采用平行光成像法进行测量，这种测量方案只需要将检测器件至于CCD前，在CCD光敏区的挡光部分即为器件的长度，从而测出被测器件尺寸。
假设CCD挡光部分所插入的计数器脉冲数为N,脉冲当量为s，则：
L?Ns(cos?) (1-2)
其中：θ为平行光线与CCD光敏面法线之间的夹角。
（3）较大尺寸测量：错误！未找到引用源。
当被测尺寸大于CCD感光面尺寸时，有两种方法：
(a) 缩小成像测量法：在CCD与被测工件之间放置一面透镜，使得被测物在CCD光敏面上缩小成像，以达到测量目的。
?s)? (1-3) L?Ns(co其中：?为透镜的放大倍数。
(b) CCD拼接技术测量法：这种方法是机械地将线阵CCD在显微镜下首尾拼在一起，然后使用拼接后的CCD对检测物进行测量。
（4）大尺寸测量：2D 第 3 页 共 55页 中北大学信息商务学院2013届毕业论文 当被测物尺寸已超过拼接CCD的测量范围时，可以采用两套CCD测量系统实现大尺寸工件的边缘测量，使用两套CCD测量系统结合工件边缘位置，得出被测器件的尺寸大小。在本文中，作为单根被测件而言，由于1mm<被测件的尺寸 本论文涉及到的非金属管状工件为一种塑性药柱。其内、外径几何尺寸的一致性直接关系到药柱的燃烧性能。药柱的制作工艺是：原料在特制的设备上压制成管状，切割后烘干、成型。在管状药柱压制过程中，由于种种原因，挤压设备电压、电流、工艺参数发生波动，药柱在药型几何尺寸上有所差别，同时挤压成型的管状药柱在切割等过程中发生变形，由管状柱体变成不规则管状柱体，使不同方向上的几何尺寸变得不一致。 由于药柱的内、外径几何尺寸的一致性直接关系到药柱的燃烧性能，使用方对药柱的内、外径几何尺寸要求很严；对于生产单位来说，准确测量药柱的几何尺寸，能够及时调整设备参数，使废品率降到最低，因此，生产和使用部门都非常重视对药柱几何尺寸的检测。 传统的对于药柱测量方法是：采用千分尺人工分别测量从每批药柱中抽取的样品中的每根药柱水平方向和垂直方向的外径和弧厚，而后将水平和垂直方向的几何尺寸进行平均作为该根药柱的平均尺寸，最后将该批样品的几何尺寸进行平均，得到该批样品的平均外径和平均内径。如果该批药柱中抽检的药型平均尺寸偏差超过指标要求，则该批产品就得全部报废，使生产单位蒙受较大经济损失。因此，生产部门一直想采用一种自动的、智能化的在线检测方法，在线实时检测每根药柱的平均外径和内径，以便根据检测结果，及时调整设备参数，使废品率降到最低。使用这种检测方式，不仅可以提高工作效率，它所具有非接触，精度高、抗干扰力强等优点，也很好地满足实际生产的需求，显示出广阔的应用前景。 第 4 页 共 55页 中北大学信息商务学院2013届毕业论文 2 测量系统总体方案的设计及工作原理 2.1 CCD检测方案的确定 塑性药柱物理特性：半透明、管状、外径大约为0.5cm。本文采用窄谱LED光源和线阵CCD传感器TCD132D构成透射式光学测量检测系统对其进行检测，其初步原理图如图2.1所示： 图2.1 透射式光学测量系统 测量原理： 被测工件经过光源均匀照明后，在CCD传感器的光敏阵列面上成像。此时被测件在CCD传感器的光敏面上的影像形成了一个暗区，这个暗区反映了被测工件的轮廓尺寸，被测工件与影像之间的关系为： 错（2-1） 其中：d表示被测工件的直径大小，表示被测件的尺寸在CCD光敏面上成像的大小，表示成像系统的放大倍数。 在CCD传感器输出的视频信号中会反映出被测件的尺寸信息，如图2.2所示： 被测尺寸 误！未找到引用源。 图2.2 CCD上的影像上被测件的尺寸 随后将视频信号进行二值化后，填入时钟脉冲，该时钟脉冲对应CCD传感器的空间 第 5 页 共 55页 中北大学信息商务学院2013届毕业论文 分辨率。当成像系统的放大率和CCD传感器的空间分辨率给定时，则被测件尺寸d的计算公式为： d?M?N? （2-2） 其中：M为CCD的空间分辨率，N为对应被测件尺寸的像素。 本测量装置采用平行光投影的方法，放大率为1，则所要测量的尺寸大小为： d?M?N （2-3） 测量系统如图2.3所示： 图2.3 测量系统示意图 药柱由电机带动从导向管进入检测设备，在通过CCD传感器之前首先通过料位检测传感器，以判定检测开始。进料驱动轮使药柱匀速通过CCD传感器，光源从CCD传感器的上面照射被测物体。由于被测物体是半透明的，被工件遮挡住的部分在CCD表面会形成阴影，阴影下的光敏单元输出信号幅度很小，CCD器件有光照射到的光敏单元部分产生载流子，从而产生较大的输出电压，进行A/D转换后会产生数字信号，再通过后续的图像处理计算出被测物体成像的边缘部分的位置，通过计算二值化后的1或者0像元的 第 6 页 共 55页