CCD投影法直径测量系统的信号处理电路

　　0　引　　言

　　直径的测量有很多方法,用电感传感器进行接触测量的方法,由于自动化水平不高,不适用于在线检测;激光扫描法由于其测量精度受到振动、扫描速度等多方面的影响而不能达到预定要求。本文采用的是CCD平行光投影法,即通过照明光路用平行光将被测工件投影在CCD光敏元件上成像,从而通过像的尺寸获得物体的尺寸。

　　CCD以脉冲的形式输出视频信号,每一个离散电压信号的大小对应着该光敏元接收光强的强弱,而信号的时序则对应CCD光敏元位置的顺序。CCD用自身电子扫描方式完成信息从空间域到时间域的变换[1]。CCD输出的视频信号不能直接进行计数处理及用于尺寸计算,本文将详细介绍滤波电路、二值化电路和微机接口电路的设计与分析。

　　1　测量系统的基本原理

　　1.1　CCD平行光投影法

　　图1是CCD平行光投影法直径测量系统的光路示意图,光学系统由照明系统和成像系统两部分组成。光源1发出的光束通过集光镜2,会聚在光阑3。光阑3位于聚光镜的物方焦点处,所以经过聚光镜4后形成平行光,照射到被测工件5上。同时该平行光成像于像方无限远,它与物镜6的入瞳重合;再经物镜成像在孔径光阑7处。另外,集光镜2经聚光镜4成像在物面上,所以物面得到了均匀的照明。最后物体5经物镜6成像在CCD光敏元8上。由于物体对光信号的遮挡作用,理论上CCD器件将输出一个方波,求出图中阴影部分的大小即可得到被测物体的尺寸,如式(1)所示。

　　式中:D是被测物体的直径;d是光电接收器上阴影的尺寸;f'是物镜6的焦距;L'是光电接收器8与透镜6像方焦点间的距离。

　　本系统采用的是柯拉远心照明系统和物方远心光路成像系统[2],系统中有两组共轭关系[3],如图1中下方的文字说明。改变光阑3的大小,可控制成像系统中的孔径角的大小[4];改变集光镜2的镜框大小,可改变照明系统的孔径角的大小,从而控制被照物面的范围[5]。

　　1.2　信号处理原理方案

　　CCD输出的视频信号不能直接进行计数处理及用于尺寸计算。首先由于信号微弱,且存在高频干扰,所以需要进行滤波放大。另外,光源发光强度不稳定,光路系统的调节也不可能尽善尽美,光带边缘存在一定色散,输出信号在光照和阴影边界处存在着由明到暗的过渡。为了得到与工件尺寸相关的阴影部分尺寸,需要对CCD输出视频信号进行二值化处理,将其转化成矩形波,然后用脉冲填充,计数器计数,再通过微机接口与微机相连,结合控制程序进行数据采集和信息处理。信号处理原理框图如图2所示。