利用线阵 CCD 进行物体外形尺寸的测量

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1、实验十二利用线阵 CCD 进行物体外形尺寸的测量一、实验目的通过本实验掌握利用线阵 CCD 进行非接触测量物体尺寸的基本原理和方法，用实例 探讨影响测量范围、测量精度的主要因素，为今后设计提供重要依据。 二、实验准备内容1.利用线阵 CCD 进行非接触测量物体尺寸的基本原理线阵 CCD 的输出信号包含了 CCD 各个像元所接收光强度的分布和像元位置的信息， 使它在物体尺寸和位置检测中显示出十分重要的应用价值。CCD 输出信号的二值化处理常用于物体外形尺寸、物体位置、物体震动（振动）等 的测量。如图 3-1 所示为测量物体外形尺寸（例如棒材的直径 D）的原理图。将被测物体 A 置于成像物镜的物方

2、视场中，将线阵 CCD 像敏面恰好安装在成像物镜的最佳像面位置 上。当被均匀照明的被测物体 A 通过成像物镜成像到 CCD 的像敏面上时，被测物体像黑 白分明的光强分布使得相应像敏单元上存储载荷了被测物尺寸信息的电荷包，通过 CCD 及其驱动器将载有尺寸信息的电荷包转换为如图 3-1 右侧所示的时序电压信号（输出波 形）。根据输出波形，可以测得物体 A 在像方的尺寸 D ，再根据成像物镜的物像关系， 找出光学成像系统的放大倍率 ，便可以用下面公式计算出物体 A 的实际尺寸 DD = D / b显然，只要求出 D ，就不难测出物体 A 的实际尺寸 D。（3-1）线阵 CCD 的输出信号 UO 随

3、光强的变化关系为线形的，因此，可用 UO 模拟光强分布。 采用二值化处理方法将物体边界信息（图 3-1 中的 N1 与 N2）检测出来是简单快捷的方法。 有了物体边界信息便可以进行上述测量工作。2. 二值化处理方法图 3-2 所示为典型 CCD 输出信号与二值化处理的时序 图。图中 FC 信号为行同步脉冲，FC 的上升沿对应于 CCD 的第一个有效像元输出信号，其下降沿为整个输出周期的 结束。UG 为绿色组分光的输出信号，它为经过反相放大后 的输出电压信号。为了提取图 3-2 所示 UG 的信号所表征的 边缘信息，采用如图 3-3 所示的固定阈值二值化处理电路。该电路中，电压比较器 LM393

4、 的正输入端接 CCD 的输出信号 UG，而反相输入端接到由 电位器 R2 的动端，产生的可调的阈值电平，可以通过调节电位器对阈值电平进行设置， 构成固定阈值二值化电路。经固定阈值二值化电路输出的信号波形被定义为 TH，它为方 波脉冲。再进行逻辑处理，便可以提取出物体边缘 的位置信息 N1 和 N2。N1 与 N2 的差值即为被测 物体在 CCD 像面上所成图像占据的像元数目。 物体 A 在像方的尺寸 D 为D = (N- N )L（3-2）210式中，N1 与 N2 为边界位置的像元序号，L0 为CCD 像敏单元的尺寸。 因此，物体的外径 D 应为图 3-3 二值化电3.二值化处理电路原理方

5、框图D = (N2 - N1 )L0b（3-3）二值化处理原理图如图 3-4 所示，若与门的输入脉冲 CRt 为 CCD 驱动器输出的采 样脉冲 SP，则计数器所计的数为（N2N1），锁存器锁存的数为（N2N1），将其差值送 入（N2N1）LED 数码显示器，则显示出（N2N1）值。同样，该系统适用于检测物体的位置和它的 运动参数，设图 3-1 中物体 A 在物面沿着光轴做 垂直方向运动，根据光强分布的变化，同样可以 计算出物体 A 的中心位置和它的运动速度、震 动（振动）等。三、实验所需仪器设备1、 LCCDAD-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

6、 PC 计算机或 GDS-型光电综合实验平台一 台；四、实验内容及步骤1实验内容（1） 建立非接触测量物体外形尺寸的基本结构；（2） 观测二值化处理过程中 CCD 的输出信号；（3） 在进行二值化阈值电平调整的过程中，观察阈值电平的调整对测量值的影响；（4） 进行光学系统放大倍率的标定；（5） 进行非接触测量被物体外形尺寸的测量；（6） 通过改变有关参数，观察对测量值的影响，分析影响物体尺寸测量的主要因 素。2实验步骤（一） 实验准备(1)将示波器地线与实验仪上的地线连接良好，并确认示波器的电源和多功能实验 仪的电源插头均插入交流 220V 插座上；(2)打开仪器上盖，旋下旋转滚筒轴上的禁锢螺

7、钉，将旋转滚筒拿下来，使实验仪的测试台像如图 3-5 所示的尺寸测量系统，然后将被测干件插入如图 3-5 所示的安装位置 上；图 3-5 线阵 CCD 应用开发实验仪(3)打开实验仪电源开关，启动计算机，并进入物体尺寸测量软件，将在屏幕上弹出如图 3-6 所示的物体外形尺寸测量实验软件界面；图 3-6 所示界面中尽管标写“LCCDAD-”字样，照样适用于“LCCDAD-A 型” 实验仪。其中“打开”菜单是为打开原来曾保存过的数据文件进行察看而设，“保存” 菜 单为将所测量的数据保存到指定文件夹而设定。实验时点击“连续”菜单，仪器便执行连 续采集线阵 CCD 的输出信号；其中“单次”是只采集线阵

8、 CCD 输出一行的信号，并将 其显示在计算机界面上；“数据”与“曲线”菜单分别用来以数据方式还是以曲线波形方 式显示所采得的数据信号；“0ms”为曲线波形在计算机界面上停留显示的最短时间，以 便实验者能够快速地观测到信号波形的变化，但是它不可能为“零”，它与计算机的性能 有关。它右边的“三角箭头”是显示时间的选择下拉菜单，点击菜单上的下拉箭头可以选 择更长的显示时间便于观察；“积分时间”和“驱动频率”等也都可以通过相应的下拉箭 头进行选择，积分时间为 16 档，驱动频率为 4 档可调。（二） 光学成像系统放大倍率 的标定（1）将直径为 5mm 的“试件”插入安装装置，执行“物体尺寸测量实验”

9、 软件，弹 出如图 3-6 所示的测量尺寸软件界面；同时远心照明光源被点亮；（2）在尺寸软件界面上选中“连续扫描”菜单，计算机显示器出现含有被测“试件” 外径尺寸信息的波形如图 3-7 所示；（3）在测量界面上设置驱动频率或积分时间，使输出信号的幅度在适宜观测的程度， 但是，一定不要使 CCD 工作到饱和状态；（4）调整物镜的焦距使如图 3-7 所示输出信号曲线的斜率尽量陡；图 3-7 尺寸测量软件界面（5） 停止采集后，界面进入到如图 3-8 所示的光学放大倍率的测量与设定软件界面，并在界面的底部用文字方式提示实验者应该执行的步骤，如图 3-8 中提示的“请将标准棒插入测试槽中，观察数据曲线

10、。”，实验者应该按着提示将 5 的测试棒插入测试槽中。然 后根据曲线波形调节驱动频率与积分时间使信号波形输出幅度适合测量需要（注意绝对不 能使 CCD 输出信号波形出现“饱和现象”，否则严重影响测量精度）。如图 3-8 中设定积 分时间为“6”档，驱动频率为“0”档时输出信号波形较为理想；（6） 选择适当的阈值，二值化阈值电平的选择原则是能够检测出物体的真正外形尺寸 值。例如，在如图 3-8 所示输出波形图上可以看出，波形幅度的一半处能够反映物体的外 形尺寸信息，此处曲线的变化率也最大，为此可以选定阈值为“127”，再执行“下一步”， 界面弹出下一步操作的提示；（7） 调整光学成像系统的焦距与

11、光圈，注意观察输出信号波形，使信号波形中反映尺 寸信息的变化边缘越陡成像光学系统调整得越佳，测量系统的精度越高。调整好光学系统 后执行下一步；图 3-8 光学放大倍率测量与设置软件界（8） 在软件界面的提示下进行操作，将用卡尺或千分尺测量的标准被测物尺寸值输入 到如图 3-9 所示的 “已知值”输入框中，再执行“下一步”，软件自动计算出光学系统的 放大倍率 并显示在新弹出如图 3-10 所示的界面上；再点击“下一步”，出现点击“完成”， 便将测得的放大倍率存入计算机内存，为本实验的测量工作使用；实验 3-9 尺寸测量实验光学系统放大比率的标定标定好光学系统放大倍率后测量系统就可以对如何安装在指

12、定位置上的任何物体的 外形尺寸进行测量实验，例如对仪器提供的 3mm、8mm 棒材的外径尺寸进行测量实验。实际的物体外形尺寸的测量仪器都需要上述的标定过程，只有经过上述标定才能够应用于 实际工程中。图 3-10 尺寸测量系统光学放大倍率标定（9） 也可以用最原始的数据测量光学系统放大倍率，当调整好光学成像系统的焦距 后，停止采集，选择“数据结果”菜单，察看线阵 CCD 所有单元的数据，观察相邻两个 像元数据的变化率，将发生由大变小变化率最大处的像元序列值（位置值）记为“N1”， 将由小变大过程中变化率最大处的像元序列值记为“N2”，将所观察到的 N1 与 N2 值填入 表 3-1，重复上述过程

13、，进行多次测量后，再将测量值代入公式（3-1），便可以获得光学 系统的横向放大倍率 。7（Ni 2 - Ni1）b = i =17D（3-1）式中 D 为校正所用物体的直径，测量次数根据统计理论应该是奇数次，这里取 7 次。表 3-1 光学放大倍率 的测量二值化测量值（N2N1）（阈值 2V）物方尺寸（mm）像方计算尺寸（mm）光学放大倍率 （三）、非接触测量物体的外形尺寸（1）保持上述设置不变，取下测量光学系统放大倍率标准件，装上其他尺寸的被测件， 盖上盖。连续记下 10 组数据，填入表 3-2，计算出被测件的实际尺寸。改变积分实间和二值化阈值电平继续测量物体尺寸，观察、分析测量条件对测量结

14、果的影响，为此先调出二值化实验软件（2）将阈值电平的二进制数值设为 98，测量出物体直径的一组相关数据，填入表 3-2， 计算出被测杆件的直径 D。（3） 再调整阈值至 127，测量一组数据，填入表 3-2，计算出被测杆件的直径，观察 阈值电平改变前、后被测杆件直径值的变化。（4） 若调整阈值调至 150，再测量一组数据，计算出被测杆件的直径，观察阈值电平 改变前、后被测杆件直径值的变化。（5） 改变积分时间后，再重复上述实验，观察 CCD 输出信号波形的变化，同时纪录 测量值的变化。（6） 当线阵 CCD 开始出现饱和状态后，再观测被测物尺寸的变化情况，进入深度饱 和后测量结果有何变化？表 3-2 被测件外径的测量二值化测量值（N2N1）（阈值 98）物方尺寸（mm）二值化测量值（N2N1）（阈值 127）物方尺寸（mm）3结束与关机上述实验完成，并达到实验目的，便可结束实验。（1） 将软件程序退出，再关闭计算机系统；（2） 关闭实验仪的电源；（3） 将总电源关闭；（4） 将实验仪器及其用具收拾好，工具放到指定位置；（5） 将所做实验数据交于实验指导老师审查，合格后方可离开实验室。四、实验总结1、 写出实验总结报告，解释为何两种阈值下测量结果有差异，造成这种差异的原因 有几点。2、 固