光电仪器设计技术

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1、 1 目录目录 第一章第一章 绪论绪论 2 1 1 前言 2 1 2 基于 CCD 测径仪的发展现状 2 第二章第二章 测量原理及总体方案测量原理及总体方案 3 2 1 利用补偿法测量细铜丝直径 3 2 2 利用光学衍射法测量细铜丝直径 4 2 3 线阵 CCD 测量直径系统测细铜丝直径 5 2 4 设计方案的论证与选择采用 6 第第三三章章 信号处理电路信号处理电路 7 3 1 低通滤波器 8 3 2 相关双采样 9 3 3 差分放大电路 11 3 4 微分电路 13 3 5 绝对值电路 14 3 6 过零触发电路 15 第第四四章章 实验结果及影响测量精度的主要因素分析实验结果及影响测量精

2、度的主要因素分析 16 4 1 信号处理电路对测量精度的影响 16 4 2 被测工件的均匀性对测量精度的影响 16 4 3 误差分析 17 结论结论 18 参考文献参考文献 19 2 第一章第一章 绪论绪论 1 11 1 前言前言 对各种细丝直径的测量常常关系到工业产品的级别 如钟表中的游丝 光导纤维 化学纤维 各种细线 电阻丝 集成电路引线以及种类仪器 标尺的刻线等 传统的 测量方法多数为接触法 其它的有电阻法 称重法 也有采用光学方法的 如光学显 微镜法 干涉法 扫描法 投影放大法 比较法等 然而 大多检测方法检测速度低 生产效率低 劳动强度大 远远跟不上目前自动化生产的需要 尤其在全面质

3、量管理 过程中 更需要先进的 智能的检测手段 目前 国内外常采用激光扫描光电线径测 量 但是这种方法受电机的温度及振动的影响 扫描恒速度的限制 会产生高温使其 降低寿命 基于线阵 CCD 便携式非接触直径测量仪器正是适应当前社会自动化生产的 急需而设计的 该测径仪是一种光 机 电一体化的产品 尤其适用于电缆 电线 玻璃管 轴类零件的外径测量 对保证产品质量 降低原材料消耗 降低生产成本 提高劳动生产率有着重大的经济效益和社会意义 1 21 2 基于基于 CCDCCD 测径仪的发展现状测径仪的发展现状 1 2 11 2 1 国外发展现状国外发展现状 社会的进步重要体现就是科技的进步 科技进步主要

4、体现使用劳动工具的进步 从 18 世纪工业革命以来 科学技术以前所未有的速度在突飞猛进的发展 特别是近 50 年来 随着现代化生产和加工技术的发展 对于加工零件的检测速度与精度有了更 高的要求 向着高速度 高精度 非接触和在线检测方向发展 为此 工业发达国家 对于检测仪器与设备速度与精度一直作为检测仪器的主要指标 测径仪特别适用于电 缆 电线的在线自动检测 对保证产品的质量 降低原材料消耗 降低生产成本 提 高劳动生产率有着十分重要的意义 所以各国政府都很重视对测径仪的研究 英国 Beta AS3 系列全新的激光测径仪 LD1040 S 单向直径测量仪 LD1040XY S 双向直 径测量仪

5、精度 0 1 m 测量范围最广 单向测径仪最大可测直径达 330 3mm 双 向测径仪最大可测直径值达 100mm 测量精度最高 最高测量精度可达 0 1 m 是目 前同类产品中的最高的测量精度 日本生产的 LS 7000 系列高速 高精度 CCD 测量 仪器 如 LS 7030M 配备测量摄影机 测量范围 0 3mm 30mm 测量精度 2 m 重复性精度 1 5 m LS 7010M 配备测量摄影机 测量范围 0 04mm 6mm 测量精度 0 5 m 3 1 2 21 2 2 国内发展现状国内发展现状 国内生产的测径仪测量精度没有国外的精确 河北省激光研究所光电检测控制室生产 的 JCJ

6、 1 激光测径仪 是专为玻璃管生产线上玻璃管外径的测量 控制 分选而设计 的集激光 精密机械 计算机于一体的智能化精密仪器 通过激光光束高速 200 次 秒 扫描被测玻璃管 计算机实时采样处理 实现玻璃管直径在线非接触检测 控制 测量范围 0 5mm 60mm 测量精度 0 01mm 广州一思通电子仪器厂生产的 ETD 05 系列激光测径仪 测量范围 0 2mm 30mm 测量精度 2 m ETD 05 系列激光测 径仪是一种基于激光扫描测量原理而设计的高精度非接触式的外径测量设备 仪器采 用二维测量模式 有效消除工件振动造成的测量误差 特别适合生产现场的实时测量 适用于通信电缆 光缆 同轴电

7、缆 漆包线 PVC 管 铜管 纤维线等圆形线材的在 线检测 也可用于其它各种圆形工件的外径测量 第二章第二章 测量原理和方案论证测量原理和方案论证 设计任务分析 2 12 1 利用补偿法测量细铜丝直径利用补偿法测量细铜丝直径 如图 2 1 示 由白炽灯 1 发出的光 经过透镜 2 后变为平行光通过屏 4 上的俩 个孔后被分成两束 补偿光通量 1和测量光通量 2 用聚光透镜6使光束 1和 2 投向漫射屏 7 由屏 7 出来的漫射光被光电倍增管 8 所感受 光通量 1 为固定不变 的光通量 2 的一部分被欲测的金属铜丝 5 和光门 11 所遮断 金属丝的直径改变 时 适当地移动光门使光束 1 和

8、2 重新维持相等 因此可由光门的位置决定铜丝 直径 图 2 1 补偿法测钢丝直径原理 4 照射于光电倍增管 8 上的光束轮流地被薄板 3 光调制器 所遮挡 电磁震动子 15 以每秒 50 周的频率使薄板 3 震动 光通量 1 和 2 不等时 光电倍增管的负载 电阻上产生不平衡的交变电压 不平衡电压经过放大器 9 放大后加在两相异步进电 机 10 的控制绕组上 电动机旋转带动光门 11 移动 直至俩光束重新相等 电动机 的旋转运动变成光门的直线移动是靠测微计的螺丝口完成的 尺寸指示器 13 固定在 螺丝的轴上 尺寸指示器指针 14 在刻度盘上指出被测铜丝直径 2 22 2 利用光学衍射法测量细铜

9、丝直径利用光学衍射法测量细铜丝直径 我们选择了最简单的一种模型 它是常规的夫琅和费衍射 即把金属丝当成一 个平面的狭缝 其工作情况如图 2 2 所示 光源发出的平行光束垂直照射在单缝 金 属丝 上 根据惠更斯 菲涅耳原理 单缝上每一点都可以看成是向各个方向发射球面 子波的新波源 子波在接收屏上叠加形成一组平行于单缝的明暗相间的条纹 和单缝 平面垂直的衍射光束会聚于屏上 x 0 处 是中央亮条纹的中心 其光强为 I0 与光轴 成 角的衍射光束会聚于 x x 处 为衍射角 由惠更斯 菲涅耳原理可得光强分 布为 图 2 2 夫琅和费单缝衍射 2 1 式中 D 为缝宽 为入射光波长 当 0 时 I I

10、0 是中央主极大 当 sin k D 时 其中 k 1 2 I 0 是暗条纹 由于 很小 故 sin 所以近似认为暗条 纹出现在 k D 处 中央亮条纹的角宽度 2 D 其他任意两条相邻暗条纹之 间夹角 D 即暗条纹以 x 0 处为中心 当使用激光器作光源时 由于激光的准 直性 可将透镜 L1 去掉 如果接收屏远离金属丝 z D 则透镜 L2 也可省略 由于 tg x z 且 tg sin 则各级暗条纹衍射角应为 2 2 由此可以求得金属丝直径为 5 2 3 式中 k 是暗条纹级数 z 为金属丝与测量平面间的距离 XK 为第 k 级暗条纹距中央 主极大的距离 2 32 3 线阵线阵 CCDCC

11、D 测量直径系统测细铜丝直径测量直径系统测细铜丝直径 图 2 3 线阵 CCD 测量直径系统结构图 则在 CCD 传感器光敏面上形成了被测工件的影像 这个影像反映了被测工件的直 径尺寸 两者之间的关系由高斯公式表示为 2 4 其中 l 物距 l 像距 f 像方焦距 光学系统的放大率 d 被测工件的直径大小 d 被测工件直径在 CCD 上影像大小 知道物距 像距并测出工件影像 d 的大小 即可求出被测工件的尺寸 CCD 器件把光敏元上工件影像的光学信息转换成与光强成正比的电荷量 存储于 MOS 电容中 用一定频率的时钟脉冲对 CCD 进行驱动 则电荷定向转移到输出端 视 频信号中每一个离散电压信

12、号的大小对应着该光敏元所接收光强的强弱 而信号输出 的时序则对应 CCD 光敏元位置的顺序 最终 被测工件的影像大小反映在 CCD 输出信 6 号中变为输出信号电压的高低 即在 CCD 中间被影像遮挡部分的光敏元输出电压低 两侧未被遮挡的光敏元输出电压高 CCD 的输出信号如图 2 4 所示 图 2 4 CCD 输出信号 最终由CCD实现按空间域分布的光学图像信息向按时间域分布的电压信号转化 该输出电压信号经过信号处理后 可得到表示 d 大小的脉冲信号 脉冲信号送入单 片机中 测出脉冲宽度 进而可求出被测工件的大小 即用 CCD 复位脉冲 对应 CCD 的光敏元 可求出尺寸的大小 若 为脉冲当

13、量 CCD 脉冲 N 为 CCD 器件像数 N1 N2 为光照部分的光敏信号输出脉冲数 为光学系统的放大倍数 则被测工件直 径为 2 5 本设计中 7 m N 5000 1 所以实际上被测工件直径尺寸为 2 6 2 42 4 设计方案的论证与选择采用设计方案的论证与选择采用 补偿补偿法测量细铜丝直径 其测量范围可达到 0 1 0 3mm 精度可达 0 5um 完全符合设计要求 该方案中误差的主要来源是细铜丝振动的频率和振幅 但是此方 案在测量细铜丝直径时容易引起仪器振动 影响测量精度 此方案成套水平低 结构 落后 以及智能化程度低故在生产过程中应用不是很广泛 故本次测量不采用 光学衍射法测量细

14、铜丝直径在理论上已经很成熟 但实际应用中存在一定困难 特别是在测量精度提高时 其中的关键困难在于 当光经衍射后产生的衍射图样微弱 信号的信噪比比较低 还由于衍射图样的锐度不大 条纹位置不明显 给测量带来很 大困难 特别是在实时动态测量过程中 造成测量结果不稳定 重复性差 与同类测量系统比较 CCD 细丝直径测量系统具有测量速度快 测量精度高 抗 干扰能力强等优良特点 是一种非接触式的测量系统 属无损伤测量 不影响加工系 7 统正常运行 非常适合于生产线上尺寸的测量 该设计方案集成化程度高 可与计算 机相联 可进行测量数据的集中采集和分析 以便进行质量分析和统计 并在生产过 程中出现质量问题时进

15、行报警提示 便于控制和自动化生产 综合上述分析及我们小组的讨论研究 我们决定采用 CCD 细丝直径测试仪的设计 方案 第第三三章章 电路系统设计电路系统设计 信号处理电路 CCD 的输出信号是脉冲信号 其中既包含被测尺寸的信息 又含有大量的复位 噪声和电子系统的白噪声 使得有用信号难以提取 由于 CCD 本身的感光单元有一定间 距 加上照明光源在视场内光强分布的不均匀性 CCD 本身的光敏不均匀性 转移损失 以及光源在通过待测目标边缘时的衍射现象等原因 使得 CCD 输出不会是理想的 0 1 信 号 其包络的边缘必然带有明显的梯度 或者说 目标尺寸的两个边缘在 CCD 上成像的 具体位置不可能

16、十分确定 导致 CCD 输出信号波形在轮廓边缘处有一渐缓的过渡区 而 且这一过渡区随着轮廓在视场中位置的变化而变化 这一变化直接影响捕捉真正代表物 体边缘的特征点 进而影响测量精度 因此 除了减少外界干扰外 如何从 CCD 的输出 信号中提取出真正代表物体边缘的特征信息 是测量的难点所在 真正表示物体的边缘 点处 CCD 输出信号的微分最大 由于被测物体的边缘是通光和挡光的交界点 理论上 该处的光强变化率最大 该点就是滤波后的视频信号电压函数 u u t 在过渡区内的拐点 由高等数学的知识知道 在拐点处 电压函数的一次微分为最大值 二次微分为零 电 路便于寻找为零的点 基于此 可设计微分法处理电路提取测量信号 图 3 1 未放工件输出信号 8 图 3 2 放工件输出信号 观察 CCD 的输出波形 发现原始信号上附加有许多细小的 毛刺 即各种噪声 信号 有器件本身的噪声 如散粒噪声 热噪声 1 f 噪声等 也有转移过程中附加的 噪声 如复位噪声等 为了准确地从中提取出有用的信号成分 必须尽可能地抑制或消 除各种噪声干扰 多年来 人们研究了各种噪声抑制方法 并取得了明显的效果 大大 地提高