利用线阵 CCD 进行物体外形尺寸的测量

实验5 线阵 C CD 应用实验电荷耦合器件（Charge coupled devices）是70年代初期发现的新型集成光电传感器件。

它有线阵列与面阵列两种基本类型，各有不同的工作原理与特性。

它们的应用为机器视觉领域的改革创新立下了汗马功劳，使机器有了获取70%以上信息的能力，加之它易于与计算机配合，使机器安装“眼睛”与“大脑”成为可能，使机器走向自动化、智能化的趋势进入现实阶段。

线阵CCD的工作原理简单，易于掌握，而它在机器视觉领域的地位举足轻重。

线阵CCD 通常用于工业领域的非接触自动检测设备上，尤其是自动化生产过程或生产线上，用作在线非接触光电检测设备或俗称为“电眼”。

非接触检测物体的尺寸、运动速度、加速度、运动规律、位置、面形、粗糙度、变形量、光学特性变化、条码信息和其他应用。

本实验共有9 项实验容，前2 项实验属于原理性或认识性实验，实验3~9 属于典型应用的实验，学生通过这些代表性的应用实验能够充分认识与理解线阵CCD 在工业领域非接触测量工作中的重要地位。

（一）线阵CCD 原理与驱动特性一、实验目的1、掌握彩色线阵CCD开发应用实验仪的基本操作和功能。

2、掌握用双踪迹示波器观测二相线阵CCD驱动脉冲的频率、幅度、周期和各路驱动脉冲之间的相位关系等测量方法。

3、通过对典型线阵CCD 驱动脉冲的时序和相位关系的观测，掌握二相线阵CCD的基本工作原理，尤其要掌握RS 复位脉冲与CR1、CR2 驱动脉冲间的相位关系，分析它对CCD输出信号的影响。

SH转移脉冲与CR1、CR2驱动脉冲间的相位关系，掌握电荷转移的几个过程。

二、实验仪器1.LCCDAD-Ⅱ-A型线阵CCD应用开发实验仪一台；2.装有VC++软件及相关实验软件的PC计算机一台；3.双踪迹同步示波器（推荐使用数字示波器，带宽应在50MHz以上）一台；三、实验容及步骤1．实验预备（1）首先将示波器的地线与实验仪上的接地线连接好，并确认示波器和实验仪的电源插头均已插入交流220V电源插座上；（2）取出双踪迹同步示波器的测试探头待用；（3）打开示波器的电源开关，选择自动测试方式（按下示波器右上角“自动设置”按钮），旋转“垂直设置”旋钮，调整显示屏上出现的扫描线处于便于观图1-1线阵CCD的参数设置界面察的位置；（4）通过USB总线将实验仪与计算机或GDS-Ⅲ实验平台的USB输入端口相连；（5）将LCCDAD-Ⅱ-A型线阵CCD应用开发实验仪的电源开关打开，红色指示灯亮；（6）启动计算机，打开桌面上的快捷方式“线阵CCD”，点击“1-LV”，弹出如图1-1所示的执行界面，点击需要设置的参数，该参数会以较大数字显示在下方，用鼠标点击“设置”，完成设置工作。

使用说明书武汉方寸科技有限公司Wuhan CCD Technology Co.Ltd线阵CCD尺寸原理（衍射法）武汉方寸（CCD）科技有限公司利用线阵CCD进行目标尺寸（含大小、高度、宽度、厚度、直径等技术指标）测量是当前高精度非接触测量以及计量检测领域中广泛应用的技术手段之一。

在工业生产和科学实验中，经常碰到微小几何尺寸的检测问题，如细丝、薄板、狭缝等，不仅费时费力，而且精度不高，不便于实时检测、显示和控制，其应用范围也受到一定的限制。

由线阵CCD传感器、光学系统、信号采集与处理构成的测量系统的使用范围和优越性是现有其它测量方法所无法比拟的。

对利用MCU进行脉冲计数法有详尽描述，可参考。

但有些特殊测量领域，比如被测件尺寸很小，或者被测件要求精度很高（如微米及以下级别等），当采用平行光源对被测件进行照射测量时，由于被测件尺寸过于微小，经过光学系统成像后，往往会发生衍射现象，会出现衍射条纹。

图1 传统线阵CCD脉冲计数法进行尺寸测量图2 夫琅和费衍射条纹根据夫琅和费衍射公式，当满足远场条件λ/2dL>>时，如图2所示，L为被测细丝到CCD靶面上的距离，d为细丝直径，λ为激光波长。

图3 利用线阵CCD进行细丝成像灰度采集与USB传输控制系统根据夫琅和费衍射公式可得到：θλsin /K d = （1）式（1）中，n K ,2,1±=，θ为被测细丝到第K 级暗纹的连线与光线主轴的夹角。

细丝经过衍射成像在CCD 靶面上成像如图2所示，当θ很小时，即L 足够大时，L X tg k /sin =≈θθ，代入式（1）得:SL K X L X L K d k k λλλ===/ （2） 其中K X S k /=，定义为暗纹周期，则测细丝直径d 转化为用线阵CCD 来测暗纹周期S 。

细丝成像后在CCD 视频信号中所形成的暗纹信号，需要经过高精度的线阵CCD 像元灰度信号采集与USB 传输控制系统，可暗纹周期信号S 经过USB2.0线阵CCD 数字相机FC-USB-L16采集传输至计算机后，在计算机判断并确定两暗纹之间的像元数s n ，则暗纹周期p n S s⋅=，其中p 为图像传感器的像元中心距（或者像元大小），代入式（2）后，即可算得细丝的尺寸大小d 。

CCD在尺寸测量方面的应用线阵CCD在尺寸测量方面的应用一、引言电荷耦合器件〔CCD〕是以电荷为信号载体的传感器，属于集成光电传感器，主要应用于光电图像的传感。

自从CCD于1970年首先在美国研制成功，它就一系列与众不同、无可比拟的优势就显示出来：灵敏度高、几何尺寸精确、光谱响应宽、动态范围大、操作容易、维护方便等。

一般说来，CCD输出信号有以下几个特点:(1)能够输出与光像位置相对应的时序信号。

(2)能够输出各个脉冲彼此独立相间的模拟信号。

(3)能够输出反映焦点面信息的信号。

我们将光源、光学系统与这三个特点相结合，可以实现尺寸的测量。

而尺寸的测量在一些场合时非常有必要的，特别是高精度尺寸测量。

在工业生产和科学实验中，经常碰到微小尺寸的检测问题，如细丝、薄板、狭缝等，不仅费时费力，而且精度较低，不便于实时检测、显示和控制，其应用范围也受到一定的限制⋯。

近年来，利用线阵CCD进行无接触一维测量已经得到广泛应用。

线阵CCD器件具有许多优点：〔1〕非接触式，防止对所测器件的损伤。

〔2〕高速测量，动态性能好，可以测高速机械运动的物体的尺寸。

〔3〕空间分辨率高，可以实现高精度测量。

〔4〕空间自扫描可以实现量的绝对测量。

〔5〕可靠性高，可以在很恶劣的环境下工作。

〔6〕其线扫描输出的光电信号有利于其后续信号处理，便于同计算机组成高性能测控系统。

典型的CCD光电测试系统由光源、光学系统、CCD传感器、信号采集与处理电路以及后续处理系统组成。

本文将介绍几种测量不同量级尺寸的方法，可以分为微小尺寸、中尺寸、大尺寸，并且给出了信号处理方法，重点是高性能微分电路的实现和二值化过程的实现。

二、测量方法1、CCD尺寸测量系统线阵CCD由一系列等距离光电二极管构成，当目标成像在CCD光敏面上时，相应的像元上将获得一系列的光电脉冲输出。

由于光电二极管的尺寸在制作时就已经确定，所以输出脉冲的个数就代表着目标尺寸的大小，为了确定光学系统对测量尺寸的影响，通常用一个已经精确标定过的样品进行校正，也就是将标准样品经过光学系统成像在线阵CCD上，根据所占像元的数目求得该系统每一像元所对应目标尺寸的大小，再用同一系统测量未知目标时，即可根据输出信号像元的数目(脉冲个数)来确定待测目标的尺寸。

ccd测尺寸机理CCD测尺寸机理引言CCD（Charge-Coupled Device）是一种常见的光电转换器件，广泛应用于数码相机、摄像机和光谱仪等设备中。

它通过将光信号转换成电荷信号，并将这些电荷信号按照一定规律传输和读取，实现对图像的采集和处理。

本文将以CCD测尺寸机理为题，介绍CCD测尺寸的原理和方法。

一、CCD的基本结构CCD主要由感光元件和信号处理电路两部分组成。

感光元件是一种由光敏二极管构成的阵列，其数量和排列方式决定了CCD的分辨率和像素数。

信号处理电路则负责将感光元件采集到的电荷信号转换成数字信号，并进行放大、滤波和编码等处理。

二、CCD测尺寸的原理CCD测尺寸的原理是基于CCD的感光元件对光信号的敏感性。

当CCD 感光元件暴露在光线下时，光子会激发出电子，形成电荷。

而不同尺寸的物体所反射的光线强度不同，因此CCD感光元件所接收到的电荷信号也会有所差异。

在CCD测尺寸过程中，首先需要将待测物体放置在CCD感光元件的视野范围内。

然后，通过设置合适的曝光时间和增益值，使CCD感光元件能够获得足够的光信号。

接下来，利用信号处理电路对采集到的电荷信号进行放大和滤波处理，以提高信噪比和图像质量。

最后，通过对处理后的信号进行编码和解码，得到待测物体的尺寸信息。

三、CCD测尺寸的方法1. 边沿检测法边沿检测法是一种常用的CCD测尺寸方法。

它通过检测物体边沿的亮度变化来确定物体的尺寸。

首先，将待测物体与背景分离，使物体的边沿清晰可见。

然后，通过对物体边沿的亮度变化进行分析和处理，可以得到物体的尺寸信息。

2. 栅格法栅格法是一种基于CCD像素点分布的测尺寸方法。

它通过将物体映射到CCD感光元件上，并利用像素点的坐标和像素间距来计算物体的尺寸。

栅格法需要准确测量物体在CCD感光元件上的位置，以及像素点的大小和排列方式。

3. 相位法相位法是一种利用CCD感光元件对光信号相位的变化进行测尺寸的方法。

它通过测量物体反射光的相位差来确定物体的尺寸。

第23卷　第3期 西　安　工　业　学　院　学　报 V ol123　N o13　2003年9月 JOURNA L OF XIπAN I NSTIT UTE OF TECH NO LOGY Sept.2003基于线阵CCD的尺寸测量装置Ξ高爱华,田爱玲,赵贵波(西安工业学院光电工程学院,陕西西安710032)摘　要:　研制了用单片机系统拾取线阵CC D信号的装置,从而实现了对5～25mm内的线径尺寸的非接触测量.单片机的智能化功能使系统可以自标定,剔除了系统误差的影响.外扩计数器提高了计数频率,从而提高了系统精度.关键词:　非接触测量;线阵CC D;单片机;外扩计数器中图号:　TP216 文献标识码:　A 文章编号:　1000-5714(2003)03-0189-05A dimension measuring device based on line scan CCDG AO Ai-hua,TIAN Ai-ling,ZH AO Gui-bo(School of Optoelectronical Engr,X i’an Inst of T ech,X i’an710032,China)Abstract:　A dimension measuring device using single-chip microcom puter based on line scan CC D is introduced.The device can achieve contactless measurement of dimension from5mm to25mm.The system can be calibrated by itself,s o system error can be eliminated.As a result of using high frequency counter circuit the instrument can achieve higher accuracy.K ey Words:　contactless measurement;line scan charge coupled device;single-chip microcom puter;expanding counter在一般应用场合,一维尺寸的测量是采用接触方式完成的,如利用游标卡尺测量工件尺寸.但在一些特殊场合,接触式测量并非合适,如连续运行的生产线上;一些环境恶劣或被测对象材料不允许接触的场合,这时就要考虑用非接触手段完成测量.CC D(Charge C oupled Device)是目前图像处理、非接触尺寸测量领域的研究热点之一.CC D具有许多优良特性:空间分辨率高(线阵可达7μm);具有数字扫描能力,便于和计算机、单片机结合;具有理想的“扫描”线性,尺寸重现性好,特别适用于尺寸测量、定位和成像传感等方面[1].1　测量原理Ξ收稿日期:2002-11-27基金项目:陕西省自然科学基金(2001C55)作者简介:高爱华(1967-),女(汉),西安工业学院副教授,从事光电仪器的开发与应用研究. 被测物体被均匀照明后,经光学系统按一定倍率成像(影像反映了被测件的尺寸)在CC D 的光敏面上,CC D 器件把光敏面上工件影像的光学信息转换成与光强成正比的电荷量.用一定频率的时序脉冲驱动CC D ,在CC D 输出端获得被测件的视频信号.视频信号中每一个离散电压信号的大小对应着该光敏元所接收光强的强弱,信号输出的时序则对应光敏元位置的顺序.对视频信号进行二值化处理后,得到矩形波的宽度即与被测工件的一维尺寸成正比[2].再用单片机系统对与尺寸成正比的矩形波进行测量、处理、即可显示被测件的尺寸.系统的原理方框图如图1所示.CC D 工作脉冲、CC D 复位脉冲、视频信号和二值化信号对应关系如图2所示. 图1　线阵CCD 测一维尺寸原理方框图 图2　各脉冲波形的对应关系Fig.1　Schematic diagram of dimension measuring based on line scan CCD Fig.2　Relation between several pulse waves 2　光学系统的选择CC D 像敏元上所成像的稳定性与准确性对系统精度影响很大[3].这就要求光学系统成像好、杂散光少、像面照度分布均匀、成像几何畸变小.我们选用氦-氖激光器作为光源,激光的最大特点是方向性好.将激光器发出的细束激光扩束、准直后可直接作为测量用光源.外购CC D 自带驱动电路,成像系统采用与CC D 标准接口的成像物镜.选择物镜主要应该考虑物镜的像场大小,应根据CC D 的像面尺寸选择合适的物镜,使被测尺寸部分能完全对称地成像于CC D 的像面上.物镜的焦距应根据测量范围、物距远近来确定,焦距越短、视场越大、检测目标尺寸越大,但检测精度随之降低.3　电路部分CC D 的视频信号经二值化处理后,转变成矩形波信号,矩形波的宽度直接与被测尺寸对应,用标准脉冲(CC D 的复位脉冲2MH z )对矩形波进行填充计数,对计数值进行处理可以直接得到尺寸值,然后用数码管显示输出.键盘可以用来设定标定系数,以消除系统误差的影响.填充计数的频率越高,同样宽度的矩形波所计数值越大,测量精度越高.而51系列单片机本身虽然具有定时/计数功能,但是单片机的最高计数频率是其晶振频率的1/24,若晶振91 西　安　工　业　学　院　学　报 第23卷频率为6MH z ,那么所允许的最大计数频率仅为6/24MH z ,所以我们扩展8254接口芯片作为专门计数用,8254计数频率最高为10MH z [4],可以满足要求.填充计数脉冲选用CC D 自带的2MH z 的复位脉冲.8254与AT 89C51的连接如图3.8254由软件编程写入控制字启动计数,二值化信号同时接8254的G ATE0与AT 89C51的外部中断零I NT 0.计数器选择工作方式2,当G ATE0有正跳变时,启动计数,在高电平期间计数;G ATE0由高电平跳低电平时,禁止计数,同时向CPU 申请中断,由中断完成读数等功能.图3　计数接口扩展电路图Fig.3　Expanding counter circuit主电路部分:外扩8279作为键盘/显示管理部分,减轻了CPU 对键盘/显示管理的烦琐负担[5].8279芯片中设有先入先出栈(FIFO ),可存储8个键值,当FIFO 中有数据时,可以向CPU 发出中断申请,请求取走数据.8279的显示输出部分设有16×8bit 显示RAM ,可先指定图4　主电路部分Fig.4　Main circuit显示RAM 的地址,再对其写入或读出.另外,8279不需要再译码器,它的显示RAM 与CPU 的191第3期 高爱华等:基于线阵CC D 的尺寸测量装置 数据相对,直接由软件译码,这样可以显示许多其他的字符.主电路部分如图4所示.中断I NT 0用作读计数值、数据处理等.中断I NT 1用作键盘处理.减轻了CPU 的负担.4　软件部分由于8279具有自扫描功能,所以不必编写去抖动及查找键程序,使得整个程序很简练.整个软件主要包括系统初始化、计数中断、键盘中断、显示、数字滤波、系统标定、进制转换等部分.主程序流程图见图5所示.图5　主程序流程图Fig.5　Flow chart of the main program 5　系统精度与测量数据分析系统将CC D 信号处理后送入单片机进行处理、显示,使测量实现了智能化.装置的精度主要由光学成像系统的质量、CC D 的分辨率、二值化信号的提取、计数频率的高低等决定.(1)测量时,若CC D 感光面与像面不重合,CC D 将接收到模糊的图像信息,造成测量误差.一方面选用激光照明,另外精密测量的场合可以增加瞄准部分来解决;(2)二值化处理后的信号直接与被测尺寸对应,二值化处理方法中最关键的问题是图像边缘特征点的确立,即阀值电平的取值问题,阀值电平设置的高低不同,经变换得到的图像边缘出入很大,跟被测对象的实际值相差较大,但由于每一个阀值电平都唯一地对应着一个特征点,所以这种误差可以看作是系统误差,通过标定的方法可以解决,因此二值化处理法的精度是能够得到一定保障的;(3)计数频率越高,尺寸信息细分越好,精度越高.可以通过外扩计数部分解决了这个问题.用游标卡尺测得标准件1,2,3的值分别为9.4mm ,12.6mm ,16.8mm.用该系统测量结果见下表1所示.表1中偏差δi =x i -x ,其中x i (i =1,2,3,4,5,6)为测量值,x 为真值(此处用游标卡尺测得值代替),标准差σ[6]为∑6i =1δi 26.由表1可见,检测目标尺寸越大,焦距越短、视场越大,检测精度随之降低.实验过程中发现,光学系统的准确调节对测量误差影响较大,整个实验是在光基座上完成,激光器发出的激光经扩束、准直后应垂直照射到CC D 的感光面上,即CC D 的接受面应与光轴垂直,使成像清晰,另外调焦不准,也会造成成像模糊,表1是在对光学系统经过反复调291 西　安　工　业　学　院　学　报 第23卷节对准后得到的测量结果.表1　不同尺寸的标准件测量结果T ab.1　Measurement results of different standard w orkpieces序号显示值/mm (标准件1)偏差δ/mm 显示值/mm (标准件2)偏差δ/mm 显示值/mm (标准件3)偏差δ/mm 19.3-0.112.3-0.316.4-0.429.1-0.312.2-0.416.3-0.539.2-0.212.4-0.216.1-0.749.5+0.112.9+0.317.3+0.559.4012.8+0.217.2+0.469.3-0.112.2-0.416.3-0.5平均值9.3标准差0.16平均值12.5标准差0.31平均值16.6标准差0.516　结论外购CC D 仅用了1024像元、14mm 成像区,使光学部分的测量精度受到影响.若将光学成像系统设计到同一基座上,并增加瞄准系统,可以确保成像清晰准确.电路部分由于采用提高计数频率、双字节运算、用软件剔除系统误差等措施使装置精度有所提高,本装置适用于低成本、精度要求不高的非接触测量场合.参考文献:[1]　王庆有,孙学珠.CC D 应用技术[M].天津:天津大学出版社,1993[2]　郭华,邵向东,杨淑华.CC D 输出信号的电处理方法[J ].传感器技术,1999,18(1):39[3]　达争尚,施浣芳.线阵CC D 尺寸测量信号的提取[J ].西安工业学院学报,2000,20(1):35[4]　吴产乐.微机系统与接口技术[M].武汉:华中科技大学出版社,2002[5]　李朝清.单片机原理及接口技术[M].西安:西安电子科技大学出版社,2000[6]　费业泰.误差理论与数据处理[M].北京:机械工业出版社,1998391第3期 高爱华等:基于线阵CC D 的尺寸测量装置 。