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1、西安工业大学北方信息工程学院课程设计(论文)题目：细丝直径测试仪系 别： 光电信息系 专 业： 光电信息工程 班 级： B100105 学 生： B10010511 学 号： 任课教师： 李媛 2013年10月21基于CCD测量细铜丝直径系统设计摘 要近年来，随着新型光电器件的不断涌现、单片机数据处理能力的提高和生产全面质量管理的要求，非接触式智能化仪器将逐步取代传统上的机械测量仪器本文设计了一套基于线阵 CCD 的非接触直径测量仪器，该装置可以对0.5mm30mm的工件进行测量，测量精度为5m。本文论述了 CCD 光电尺寸测量装置的基本原理，分析了光学系统各部分的形式，采用柯拉照明和远心光路
2、成像，以保证成像质量和测量精度。用微分法提取被测工的边缘信息，详细论述了信号处理电路中的各个模块的实现方法，并将微分法处理电路和单片机控制系统作为重点。同时还给出了 CCD 测量直径系统的控制程序流程图及部分程序。通过实验得到测量结果，对几个重要参数进行了分析，最后就影响系统测量精度的几种主要误差进行了讨论，给出消除误差的方法，以便达到更高的测量精度。关键字：线阵 CCD 直径测量 远心光路 微分法 MSP430ABSTRACTIn recent years, along with new optoelectronic devices flowing out continuously 、the
3、 capacity of MCU data processing improving, and the requirements of overall production quality management, non-contact Intelligent machines will replace the traditional mechanical instruments gradually. In this paper, I designed a set of portable non-contact measurement instruments based on linear a
4、rray CCD, which can measure the workpiece from0.5mm to 30mm, with measurement precision5m . In this paper, I discussed the basic principle of CCD photoelectric measurement devices, analyzed the form of parts of optical system, adopt Kohler illumination and telecentric beam path design in order to en
5、sure image quality and accuracy. Adopting differential theory extracted edge information of measured workpiece, and discussed the signal processing circuit in the realization of the various modules in detail, and made the differential processing circuitry and single-chip control system as emphases,
6、at the same time I gave control program flow chart of CCD diameter measurement system and related parts procedures of it. Through experimental measurement results, I analyzed several important parameters, discussed several major errors which influences the accuracy of system in the end, gave the met
7、hod of elimination of errors, in order to achieve higher measurement accuracy. Key Words: Line ararray CCD Diameter measurement Telecentric optical path Differential theory MSP430 目 录1 绪论51、1 前言51、2 基于CCD测径仪的发展现状国外发展现状51、3 国内发展现状61、4 论文的主要内容72 测量原理和方案论证72、1 利用衍射法测量细铜丝直径72、2 利用分光法测量细铜丝直径82、3 线阵CCD测量直
8、径系统测细铜丝直径92、4 成像系统122、5 设计方案的论证与选择采用133 光学系统设计133、1 整体系统设计133、2 光学系统设计14 3、2、1 光源14 3、2、2 光源照明143、2、3 成像光学系统144 精度分析154、1 光学系统对测量精度的影响分析154、1、1、衍射154、1、2、环境光扰动154、2 信号处理电路对测量精度的影响分析164、3 零点漂移对测量精度的影响164、4 被测工件的均匀性对测量精度的影响164、5 误差分析164、6 仪器误差165 总结175、1 设计总结175、2 学习体会17参考文献181 绪论1、1 前言光电自动检测技术在工业自动化生
9、产中有着极其广泛和重要的用途。然而，目前产品零件尺寸的检测大多数是人工测量的接触式和静止测量，所以检测速度低，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15，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。我们研制的基于线阵 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
10、济效益和社会意义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，但是但激光衍射细丝测量法比较适合于静态的高精度测量 ,当用于动态测量时会由于被测丝的晃动导致衍射条纹快速移动而失准 ,也难以快速得到测量
11、结果 ,同时还具有结构复杂、 格昂贵等缺点 ,不太适于现场快速测量细丝直径。基于CCD技术的快速发展及后续处理算法的日益真实有效故CCD在现代自动化生产中扮演者越来越重要的作用。为满足大工业化生产线阵CCD测径仪便应运而生，该测径仪是一种光、机、电、算于一体的产品。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、2 基于CCD测径仪的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
12、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。CCD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)，精度：0.1m，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
13、度最高，最高测量精度可达0.1m，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：0.3mm30mm，测量精度：2m，重复性精度：1.5m。LS-7010M（配备测量摄影机）测量范围：0.04mm6mm，测量精度：0.5m。1、3 国内发展现状国内由于自身的工业加工水平有限、测量原理的不完善和结构搭理欠合理，所以，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-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
14、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：0.5mm60mm，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：0.2mm30mm，测量精度：2m，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。南京亿佰泰科技有限公司生产的 TL
15、SM100 激光扫描测微仪，测量范围：0.2mm30mm，测量精度：3m，是一种高精度、非接触的尺寸测量仪器。它通过激光束的扫描获得被测目标的尺寸，广泛用于测量热的、软的、易碎的以及其它传统方法不易测量的物体，而且很适合生产中的在线测量或者线材、棒材、管材、机械和电子元件以及其它生产过程的监控。TLSM100 的自动方式适用于连续的测量；手动方式适合单次测量。它可以设置上下偏差、峰值限制，当超限后做相应的报警；还可以计算最大值、最小值、平均值。例如：可以测量旋转圆柱体的最大值、最小值，辊子的偏差。我们研制的基于线阵 CCD测径仪测量范围：0.5mm30mm，测量精度：5m，适用于对被测工件进行静态测量，也适用于生产现场的实时测量。1、4论文的主要内容（1）深入了解 CCD，尤其是在线阵 CCD 结构与工作
