激光测长机CMOS数码影像测量系统的研制

《东方电机１２００８年第６期　３７　激光测长机ＣＭＯＳ数码影像测量系统的研制　林庆苏正浩　摘要本文总结了在我公司２０ｍ激光测长机上创造性地应用ＣＭＯＳ器件对丌　尺等线纹类计量器具进行精密检测的测量系统研制情况。该系统具有数据实时　采集、软件功能强、精度高等特点，文中重点对该系统创新点和关键技术进行了　分析。　关键词　激光测长机ＣＯＭＳ　数字图像处理线纹测量　１　引　言　ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ　Ｍｅｔａｌ　Ｏｘｉｄｅ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）影像测量是当今工业检测　与计量技术领域中的一个正在广泛应用的　新技术，它代表的是数码影像科技溶人工　业检测与计量之中。ＣＭＯＳ影像测量建立　在ＣＭＯＳ数码影像的基础上，依托于专用　控制与图形测量软件，从而实现对工件的　测量。ＣＭＯＳ数码影像技术具有精度高、　转换效率高、尺寸小、性能稳定等优点，目　前在摄像、信号处理和非接触测量等领域　应用广泛。　我公司２０ｍ激光测长机自１９９６年研　制成功以来，用于长度量值传递和大尺寸　端度精密测量，它为三峡等大型发电机组　的大尺寸精密检测做出了巨大贡献，在国　内大尺寸端度精密测量领域相当长时间内　处于领先地位。但随着时间的推移，限于　当时的技术发展水平，其测量功能较单一，　自动化程度不高，测量软件功能不强，且经　过多年使用，导轨磨损大等缺点逐步显现　出来。针对上述问题，为了拓展设备的潜　在功能，我们进行了２０ｍ激光测长机的　来稿时间：２００８年９月　改造。　改造的主要目的是针对公司近年来越　来越多的精密叮『尺、进口精密钢卷尺、数　控机床光栅尺、精密丝杠等的检测需要，将　ＣＭＯＳ影像测量引人２０ｍ激光测长机之中　实现对线纹尺和霄尺的精密检测。本文　主要介绍数码影像测量系统在我公司的研　制情况。　２　研制方案及原理　本项目制定的初始改造方案是：测量　头部分改造，加装自动控制的移动测量座　的行走机构，ＣＣＤ摄像系统，以遥控方式　控制气浮式移动滑座自动移动，用ＣＣＤ成　像系统辅以ＬＣＤ显示器监测瞄准线纹，用　ＣＣＤ成像系统将图像传至远距离终端电　脑监测瞄准刻线。最初方案是利用气浮式　滑座主体代替原有的移动测量座。气浮式　滑座主体内部装有两套气浮轴承系统，通　过专用电源供电，产生压缩空气，使滑座主　，体悬浮在导轨上，此时只需轻轻推动，滑座　主体即可随之沿导轨移动。但随着研究的　

深入，将最初的方案作了以下改进：用　３８　《东方电机）＞２ｏｏｓ年第６期　ＣＭＯＳ数码成像系统取代了ＣＣＤ成像系　统，实现２０ｍ长的远距离图像传输。安装　可调节平面度的检测工作台，移动测量座　底边加粘减小摩擦力的新型氟材料取代气　浮式滑座，这是由于气浮式滑座移动时，因　２０ｍ激光测长机的导轨是由三段拼接而　成，拼接缝可能造成较高的故障率。其次，　安装坦克拖链、重锤固定装置和压紧装置　等实现钢卷尺、精密叮ｒ尺等线纹类测量器　具检测功能，从而大大地减轻操作者的工　作强度，提高工作效率和检测精度。　２．１　影像测量系统结构及原理　在２０ｍ激光测长机上新增数码成像　瞄准系统，采用最新ＣＭＯＳ数码成像技术，　其优势在于互补性氧化金属半导体ＣＭＯＳ　和ＣＣＤ一样同为在数码相机中可记录光　线变化的半导体。ＣＭＯＳ主要是利用硅和　锗这两种元素所做成的半导体，使其在　ＣＭＯＳ上共存着带Ｎ和Ｐ级的半导体，这　两个互补效应所产生的电流即可被处理芯　片纪录和解读成影像。ＣＭＯＳ传感器的构　造排列更像是一个存储器或是平面显示　器。每个成像点由一个能够将光线转化成　电子光电二极管、一个电荷／电压转换区、　一个重新设置和选取晶体管，以及放大器　组成。覆盖在整块传感器上的金属格子将　读出信号与纵队排列输出信号相互连接。　这种构造通过简单的ｘ—Ｙ寻址技术允许　从整个排列、部分甚至单个像素来读出信　号，而这一点ＣＣＤ是不能办到的。　ＣＭＯＳ传感器可以在每个像素基础上　进行信号放大，采用这种方法可实现远距　离图像传输操作，可以进行快速图像扫描，　突破了ＣＣＤ传感器需将模拟信号转换成　数字信号，通常ＣＣＤ传感器传输距离超过　６ｍ后，信号弱，图像失真。ＣＭＯＳ的有源　像素技术可以驱动图像阵列的列总线高速　传输，其芯片附带的模数转换器（ＡＤＣ）可　以更容易地驱动高速信号进行芯片传输。　这两项特性为运动过程中分析成像提供了　巨大优势。　ＣＭＯＳ图像传感器将图像变成电信号　后传输给ＰＣ机，通过ＰＣ机上的图形处理　卡将数字信号传输送人安装在Ｐｃ机上的　图像测量软件，依托现在ＰＣ机强大的运　算能力通过图像处理软件运算处理。在显　示器上将图像显示出来。　２．２机械结构的改进　移动测量座部分的改造，加装了自动　控制行走机构和高精度的高度可调检测工　作台，在移动座与导轨接触面加粘减少摩　擦力的耐磨氟材料（聚四氟乙烯），安装坦　克拖链实现精密盯尺等长距离检测时电　缆线平缓移动。保持原测量头架上半部分　测量滑枕不动，激光干涉镜不动，下半部分　重新加工装配步进电机驱动，齿轮传动，与　底座上的原齿条啮合带动测量座沿导轨移　动。在电脑显示屏上采用双刻线或米字线　

图１

　《东方电机））２００８年第６期　３９　瞄准。测量长度基准仍用原激光测长机的　ＨＰ５５２９激光干涉仪。由于精密１Ｔ尺，标　准钢卷尺的测量需带力测量，故设计有一　套滑轮加力系统。改造方案如图１所示。　３研制项目创新和关键点　长度基准仍用原激光测长机的测量头　ＨＰ５５２９激光干涉仪的激光波长作为长度　基准，增加ＣＭＯＳ数码瞄准成像系统，扩大　测长机的功能和应用范围，在国内尚属首　创。加装由摇控方式控制步进电机的行走　机构，降低劳动强度；并在移动座与导轨摩　擦面粘贴氟材料，减小摩擦力，延长导轨使　用寿命。　３．１　可视ＣＭＯＳ瞄准测量系统　在移动测量座滑座主体上安装的　ＣＭＯＳ分辨率１２８０　Ｘ　１０２４，像元尺寸５．　２ｖ，ｍ　ｘ５．２／ａ，ｍ，连续采样的千兆网卡传输　的面阵摄像机，它具有最大帧率３０ｌｏｓ的　大幅面、高帧率的特性，特别适合显微观　测、工业检测等场合。千兆以太网传输距　离可达１００ｍ，克服了ＣＣＤ摄像系统传输　６ｍ以上信号即会严重衰减的弊端。　千兆网卡的百万像素的ＣＭＯＳ摄像系　统是安装在一个精密滑轨上，由一个高精　度的步进电机控制系统控制其精确对准被　测线纹，该控制可在远距离进行。系统构　成：由ＣＭＯＳ传感器、光学透镜组组成。光　学玻璃上镀膜消除了大量红外线对ＣＭＯＳ　摄像机的影响。为了保证精度，选用定焦　镜头，景深范围小，成像系统的放大倍数保　持不变，使像平面和光敏面很好的重合。　３．１．１　瞄准系统微调机构　ＣＭＯＳ瞄准机构包括横向、纵向位移　调整机构、物像位置调整机构。ＣＭＯＳ摄　像头前装有带“米”字分划线的瞄准物镜　用来瞄准线纹，镜头前带ＬＥＤ照明装置，　操作者可以直接在电脑ＬＣＤ显示器上清　晰的看到线纹的瞄准状况。ＣＭＯＳ摄像头　上下可移动距离６０ｍｍ大大扩展了测量范　围，日本Ｎｉｋｏｎ公司生产的５倍物镜，视场　总放大倍率为１８０倍。由于高倍放大物镜　可降低衍射效果，所以有利提高清晰度。　景深仅±０．０２ｍｍ。减小了对焦误差，进一　步提高了测量精度。　３．１．２　高精度步进瞄准机构　传动采用原来的齿轮齿条传动，不改　变原齿条位置，并在电机与齿轮之间加减　速机构。步进电机的微步距移动，实现了　精确定位（见图２）。　

图２　３．２　移动测量座结构改造　由最初方案气浮式导轨，改为动静摩　擦系数较一致的氟材料作衬垫，由于气浮　式导轨对导轨接缝处要求高，且气浮垫与　导轨面间距为２—３１ｘｍ，这对导轨的直线　度和平面度要求极高，因为该测长机导轨　使用期已超过１Ｏ年，气浮式滑座移动时可　能会造成较高的故障率。而聚四氟乙烯作　为耐磨材料，其使用寿命不低于８年。　３．３　电器部分　可在远距离通过电缆线控制步进电机　带动齿轮旋转，使滑座自如的沿导轨前后　移动，从而使检测头接近测量位置，高性能　

ＤＣ步进电机。确保了运行更平稳、更快　《东方电机））２００８年第６期　捷、更准确。　３．４　减小阿贝误差的测量工作台　安装线纹类被测件可调整固定平面工　作台，长度２０ｍ，平台加装可调节部件，与　导轨调整平行；且保证平面度不用二次调　焦。由于遵循了阿贝原则，减小了系统　误差。　３．５　加装重锤固定装置和压紧装置　加装重锤固定装置和压紧装置是为方　便检测精密钢卷尺、盯尺等量具加拉伸力　的需要。图３为改造后２０ｍ激光测长机　外观图。　

图３　３．６　图像信号计算机处理系统　

镜　图像采集卡的配套软件选用自行研发　的专用视频图像采集处理软件。视频信号　经中值滤波后，求出灰度梯度，然后通过多　项式插值进行细分，求出其二阶零交叉点，　精确提取刻线边缘。　ＣＭＯＳ采集的图像由于各种因素的影　响，皆反映在图像的灰度值上，为了消除这　些随机干扰，采用五点三次加权平均来平　滑处理图像灰度数据。条纹边缘用最ＺＩ＇，Ｓ－　乘曲线拟合一条直线。条纹中心的准确位　置采用重心法进行判断。所以，目标物体　的边缘的提取成为影响测量精度的主要　因素。　下面就以检测线纹尺为例说明影像测　量过程。首先进行软件的参数设置、　ＣＭＯＳ像素的标定及光源控制器类型的选　择。通过调节测长机移动座的前后位置和　物镜的工作距离，控制顶光源达到合适亮　度，则在计算机的屏幕上就会显示被测物　的影像图（见图４）。通过软件选用合适的　采点方式，在线纹尺的刻线影像上进行采　点操作，移动镜头的位置，重复以上的操　作，在测量软件的界面上选择“测量距离”　按钮，即可得到两个刻线间的距离。　数据传输线　

Ｌ｝｜忡■１　Ｒ　

图４　《东方电机））２００８年第６期　４ｌ　用摇控板控制步进电机带动ＣＭＯＳ瞄　准系统实现对刻线的瞄准。线纹尺、标准　钢卷（直）尺、耵尺在镜头环光的照射下刻　线上和刻线之间反射光强不同形成明暗相　间的条纹。非常适合ＣＭＯＳ器件摄取。　当动态测量系统通过ＣＭＯＳ光学测头　对工件表面点进行采集后，再利用测量系　统的测量软件的影像测量功能对这些点数　据进行处理，可以对接触变形或怕接触划　伤以及体形较小的工件进行方便快捷的成　像测量。可扩展测长机的用途。　３．６．１　强大的影像测量功能　．测量长度基准仍用原激光测长机的　ＨＰ５５２９激光干涉仪，从ＨＰ５５２９激光干涉　仪取出干涉信号进入本测量软件，并将环　境温度、湿度、大气压值进行参数设置，分　自动和手动，进行波长补偿，从ＨＰ５５２９激　光干涉仪取出干涉信号耗费大量时间进行　攻关，它是本项目的重要环节，也是技术　难点。　３．６．２　手动测量　模拟传统投影十字线测量，是将测量　框内十字线的交点作为测量点。而十字线　交点是可以通过在测量框内点击鼠标右键　进行改变的。该采点方式受人为因素影响　较大。手动测量采点方式通常在如下两种　情况下使用：　（１）照明的某些制约（如反射照明），　无法用其它测量方式进行采点，或其它采　点方式采到的点无意义。　（２）在对有类似刻划线、小槽、小孔等　中心位置的工件进行测量时，利用系统提　供的双十字线、米字线夹角等瞄准参考线　功能，进行瞄准以实现特殊的采点。　３．６．３　自动对边测量　对工件边缘自动进行搜索，并采点。　自动寻边测量，可对边界自动寻边，利用影　像的不同灰度的质心原理。暗底质心测量　是对测量框内黑的轮廓的质心进行测量。　该功能可以对包括有直线、圆弧线在内的　各种规则形轮廓构成的具有对称性的封闭　或半封闭的轮廓中心位置进行确定；亮底　质心测量是对测量框内白的轮廓的质心进　行测量。自动寻边可设定感应灵敏度，有　效避免视觉误差。框选范围自动寻边测　量，操作方便、快捷。可一次性框选图形边　界，现只需拖动鼠标轻轻一框，即可完成测　量，大大减少了工作量。　３．７　软件可控制的数字照明系统　在进行各项操作之前需先根据要测工　件的情况进行灯光亮度设置，当进入测量　界面后，看到如图５所示的功能界面。