1、西安工業大學北方信息工程學院課程設計(論文)題目：細絲直徑測試儀系 別： 光電信息系 專 業： 光電信息工程 班 級： B100105 學 生： B10010521 學 號： 任課教師： 李媛 2013年10月基于遠心光路成像系統的線陣CCD直徑測量儀摘 要近年來，隨著新型光電器件的不斷涌現、單片機數據處理能力的提高和生產全面質量管理的要求，非接觸式智能化儀器將逐步取代傳統上的機械測量儀器本文設計了一套基于線陣 CCD 的非接觸直徑測量儀器，該裝置可以對0.5mm30mm的工件進行測量，測量精度為5m。本文論述了 CCD 光電尺寸測量裝置的基本原理，分析了光學系統各部分的形式，采用柯拉照明和遠

2、心光路成像，以保證成像質量和測量精度。用微分法提取被測工的邊緣信息，詳細論述了信號處理電路中的各個模塊的實現方法，并將微分法處理電路和單片機控制系統作為重點。同時還給出了 CCD 測量直徑系統的控制程序流程圖及部分程序。通過實驗得到測量結果，對幾個重要參數進行了分析，最后就影響系統測量精度的幾種主要誤差進行了討論，給出消除誤差的方法，以便達到更高的測量精度。關鍵字：線陣 CCD 直徑測量 遠心光路 微分法 MSP43021ABSTRACTIn recent years, along with new optoelectronic devices flowing out continuously

3、 、the 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 lin

4、ear array 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

5、to ensure 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 empha

6、ses, 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 th

7、e method of elimination of errors, in order to achieve higher measurement accuracy1. Key Words: Line ararray CCD Diameter measurement Telecentric optical path Differential theory MSP430目錄1 緒論41、1 前言41、2 國外發展現狀41、3 國內發展現狀51、4 論文的主要內容62 測量原理和方案論證62、1 方案一傳統測量細絲直徑的方法62、2 方案二利用衍射法測量細銅絲直徑62、3 方案三利用分光法測量細銅

8、絲直徑72、4 方案四利用遠心光路成像測量直徑92、5 設計方案的論證與選擇采用112、5、1 設計方案一的論證112、5、2 設計方案二的論證112、5、3 設計方案三的論證112、5、4 設計方案四的論證122、5、5 設計方案的采用123 機械系統設計123、1 原理結構圖123、2 成像結構圖133、3 整體結構設計134 精度分析154、1 機械設計系統對測量精度的影響分析154、2 被測工件的均勻性對測量精度的影響164、3 雜光、光通量變化對測量精度的影響164、4 儀器誤差175 總結185、1 設計總結185、2 學習體會18參考文獻201 緒論1、1 前言光電自動檢測技術在

9、工業自動化生產中有著極其廣泛和重要的用途。然而，目前產品零件尺寸的檢測大多數是人工測量的接觸式和靜止測量，所以檢測速度低，生產效率低，勞動強度大，遠遠跟不上目前自動化生產的需要。尤其在全面質量管理過程中，更需要先進的、智能的檢測手段。目前，國內外常采用激光掃描光電線徑測量，但是這種方法受電機的溫度及振動的影響，掃描恒速度的限制，會產生高溫使其降低壽命。我們研制的基于線陣 CCD 便攜式非接觸直徑測量儀器正是適應當前社會自動化生產的急需而設計的，該測徑儀是一種光、機、電一體化的產品。尤其適用于電纜、電線、玻璃管、軸類零件的外徑測量，對保證產品質量，降低原材料消耗，降低生產成本，提高勞動生產率有著

10、重大的經濟效益和社會意義。對各種細絲直徑的測量常常關系到工業產品的級別，如鐘表中的游絲、光導纖維、化學纖維、各種細線、電阻絲、集成電路引線以及種類儀器、標尺的刻線等。傳統的測量方法多數為接觸法，其它的有電阻法、稱重法。也有采用光學方法的，如光學顯微鏡法、干涉法、掃描法、投影放大法、比較法等。然而，大多檢測方法檢測速度低，生產效率低，勞動強度大，遠遠跟不上目前自動化生產的需要。尤其在全面質量管理過程中，更需要先進的、智能的檢測手段。目前，國內外常采用激光掃描光電線徑測量，但是但激光衍射細絲測量法比較適合于靜態的高精度測量 ,當用于動態測量時會由于被測絲的晃動導致衍射條紋快速移動而失準 ,也難以快

11、速得到測量結果 ,同時還具有結構復雜、 格昂貴等缺點 ,不太適于現場快速測量細絲直徑。基于CCD技術的快速發展及后續處理算法的日益真實有效故CCD在現代自動化生產中扮演者越來越重要的作用。為滿足大工業化生產線陣CCD測徑儀便應運而生，該測徑儀是一種光、機、電、算于一體的產品。尤其適用于電纜、電線、玻璃管、軸類零件的外徑測量，對保證產品質量，降低原材料消耗，降低生產成本，提高勞動生產率有著重大的經濟效益和社會意義。1、2 國外發展現狀社會的進步重要體現就是科技的進步，科技進步主要體現使用勞動工具的進步。從18世紀工業革命以來，科學技術以前所未有的速度在突飛猛進的發展，特別是近50年來，隨著現代化

12、生產和加工技術的發展，對于加工零件的檢測速度與精度有了更高的要求，向著高速度、高精度、非接觸和在線檢測方向發展。為此，工業發達國家對于檢測儀器與設備速度與精度一直作為檢測儀器的主要指標。CCD測徑儀特別適用于電纜、電線的在線自動檢測，對保證產品的質量，降低原材料消耗，降低生產成本，提高勞動生產率有著十分重要的意義，所以各國政府都很重視對測徑儀的研究。英國Beta AS3系列全新的激光測徑儀：LD1040-S(單向直徑測量儀)、LD1040XY-S(雙向直徑測量儀)，精度：0.1m，測量范圍最廣，單向測徑儀最大可測直徑達330.3mm，雙向測徑儀最大可測直徑值達100mm，測量精度最高，最高測量

13、精度可達0.1m，是目前同類產品中的最高的測量精度。日本生產的 LS-7000 系列高速、高精度 CCD 測量儀器，如：LS-7030M（配備測量攝影機）測量范圍：0.3mm30mm，測量精度：2m，重復性精度：1.5m。LS-7010M（配備測量攝影機）測量范圍：0.04mm6mm，測量精度：0.5m。1、3 國內發展現狀國內由于自身的工業加工水平有限、測量原理的不完善和結構搭理欠合理，所以，國內生產的測徑儀測量精度沒有國外的精確，河北省激光研究所光電檢測控制室生產的JCJ-1激光測徑儀，是專為玻璃管生產線上玻璃管外徑的測量、控制、分選而設計的集激光、精密機械、計算機于一體的智能化精密儀器。

14、通過激光光束高速（200次/秒）掃描被測玻璃管，計算機實時采樣處理，實現玻璃管直徑在線非接觸檢測、控制，測量范圍：0.5mm60mm，測量精度：0.01mm。廣州一思通電子儀器廠生產的ETD-05系列激光測徑儀，測量范圍：0.2mm30mm，測量精度：2m，ETD-05系列激光測徑儀是一種基于激光掃描測量原理而設計的高精度非接觸式的外徑測量設備，儀器采用二維測量模式，有效消除工件振動造成的測量誤差，特別適合生產現場的實時測量，適用于通信電纜、光纜、同軸電纜、漆包線、PVC管、銅管、纖維線等圓形線材的在線檢測，也可用于其它各種圓形工件的外徑測量。南京億佰泰科技有限公司生產的 TLSM100 激光

15、掃描測微儀，測量范圍：0.2mm30mm，測量精度：3m，是一種高精度、非接觸的尺寸測量儀器。它通過激光束的掃描獲得被測目標的尺寸，廣泛用于測量熱的、軟的、易碎的以及其它傳統方法不易測量的物體，而且很適合生產中的在線測量或者線材、棒材、管材、機械和電子元件以及其它生產過程的監控。TLSM100 的自動方式適用于連續的測量；手動方式適合單次測量。它可以設置上下偏差、峰值限制，當超限后做相應的報警；還可以計算最大值、最小值、平均值。例如：可以測量旋轉圓柱體的最大值、最小值，輥子的偏差。我們研制的基于線陣 CCD測徑儀測量范圍：0.5mm30mm，測量精度：5m，適用于對被測工件進行靜態測量，也適用

16、于生產現場的實時測量。1、4論文的主要內容（1）深入了解 CCD，尤其是在線陣 CCD 結構與工作原理的基礎上，選擇合理的線陣 CCD，設計出合理的測量直徑系統。對整個光電測量裝置進行系統分析，包括 CCD所構成的測量直徑系統的基本原理和輸出信號處理電路。（2）在進行光電測量裝置設計時，對光學系統進行了詳細分析，并用 ZEMAX 軟件設計柯拉照明系統中的集光鏡、聚光鏡和成像物鏡。（3）提出線陣 CCD 測量方案：基于單片機的硬件測量法。單片機的硬件測量法是從 CCD 出來的電信號經前置放大，濾波電路進行二值化處理，然后送入單片機，在經單片機處理后送入 LED 顯示。（4）設計實驗分別對幾組直徑

17、應用上述方法進行測量，對測量結果進行比較、分析，同時對產生測量誤差的主要原因給予分析。2 測量原理和方案論證2、1 方案一傳統測量細絲直徑的方法傳統測量細絲直徑的方法通常有兩種；細絲稱重法和游標卡尺或者螺旋測微器手工測量。 細絲稱重法即就是將一定長度的細絲稱重后，把絲細看成均勻細長的圓柱體，然后根據材料密度求出細絲直徑。是一種間接測量法。 游標卡尺或者螺旋測微器手工測量法。2、2 方案二利用衍射法測量細銅絲直徑 我們選擇了最簡單的一種模型，它是常規的夫瑯和費衍射。即把金屬絲當成一個平面的狹縫，其工作情況如圖2-1所示。光源發出的平行光束垂直照射在單縫(金屬絲)上。根據惠更斯-菲涅耳原理，單縫上

18、每一點都可以看成是向各個方向發射球面子波的新波源,子波在接收屏上疊加形成一組平行于單縫的明暗相間的條紋.和單縫平面垂直的衍射光束會聚于屏上x=0處，是中央亮條紋的中心,其光強為I0;與光軸成角的衍射光束會聚于x=x()處，為衍射角，由惠更斯-菲涅耳原理可得光強分布圖2-1 夫瑯和費單縫衍射 （2-1）為式中D為縫寬，為入射光波長.當=0時，I=I0，是中央主極大。當sin=k/D時，其中k=1，2，I=0，是暗條紋。由于很小，故sin，所以近似認為暗條紋出現在=k/D處。中央亮條紋的角寬度=2/D，其他任意兩條相鄰暗條紋之間夾角=/D，即暗條紋以x =0處為中心。當使用激光器作光源時，由于激光

19、的準直性，可將透鏡L1去掉。如果接收屏遠離金屬絲(zD)，則透鏡L2也可省略。由于tg=x/z，且tgsin，則各級暗條紋衍射角應為 （2-2）由此可以求得金屬絲直徑為 （2-3）式中k是暗條紋級數；z為金屬絲與測量平面間的距離；XK為第k級暗條紋距中央主極大的距離。2、3 方案三利用分光法測量細銅絲直徑發光管 D1 發出的紅外光經分光鏡分成兩路2：測量光路和參考光路。測量光和參考光分別照射到兩只相同型號的光電接收管 T1、 T2 上。D1 為中心頻率 880 nm 的進口紅外發光管 ； T1、 T2 為高一致性、 線性度的進口光電三極管 ；截止波長為 850nm 的低通濾波片可有效地消除可見

20、光干擾 圖22 分光法光路圖 在測量光和參考光的照射下 ，T1 和 T2 的輸出電壓分別為V 1 和 V 2 ，在測量光路中沒有被測細絲時 ， V 1 = V 2 ，此時 V 1、V 2 的差動電壓值 V i = 0 。 當測量光路有被測細絲時 ，細絲在T1 的檢測窗口上產生一個寬度為細絲直徑 d ，高度為檢測窗口高度 h 的投射陰影 ，導致 V 1 發生變化 ，變化量V 1 與投射陰影面積 d h 成正比 ;由于在電路中采用了負反饋自動光強調整技術 ，使發光管發射的光強穩定不變 ，此時 V 2 保持恒定值不變 ;以 V 2 作基準 ， V 1、 V 2 的差動電壓值 V i =V 1 ，將

21、V i 放大即可得到與被測細絲直徑成線性關系的電壓信號 ，達到測量細絲直徑的目的。圖23 分光法原理圖2、4 方案四利用遠心光路成像測量直徑采用物方遠心光路6。在光電檢測中， 常常在生產線上對工件進行動態測量或在實驗室中進行靜態測量，如測量鋼絲直徑、玻璃管直徑或軸類零件等，為了提高測量精度，常采用遠心光路和柯拉照明一起配合使用。對物體 (工件) 大小的測量，一般是將物體按一定倍率要求，經光學系統成像在 CCD 的接收面上，然后對 CCD 輸出信號進行測量。 圖24 成像原理圖按照此種方法進行物體線性尺寸測量時，光電器件與物鏡之間的距離應保持不變，其測量精度在很大程度上取決于像平面與光電器件接收

22、面的重合程度。由于在測量過程中，工件常常會沿光軸方向有所移動，使像平面與光電接收面不可能真正重合，因而產生了測量誤差如圖 2-4 所示。圖 2-4 中 B1B2為被測物體；B1B2表示被測物體像的大小；M1M2為光電器件接收面，由于 B1B2與 M1M2二者不重合，使像點 B1B2在 M1M2上形成彌散班，在 CCD 器件4接收面上，實際測量像的大小為 M1M2，顯然它與實際的像長 B1B2是不同的。這就使測量產生了很大的測量誤差。為了消除這種誤差，可以通過控制主光線的方向來達到，我們在設計成像物鏡時選擇了遠心光路，如圖 2-5 所示： 圖25 物方遠心光路 被測工件被均勻照明后，經光學成像系

23、統按一定倍率成像于線陣 CCD 傳感器上，基于線陣 CCD 測量直徑系統原理圖如圖2-6所示: 2-6線陣 CCD 測量直徑系統原理圖則在CCD傳感器光敏面上形成了被測工件的影像，這個影像反映了被測工件的直徑尺寸，兩者之間的關系由高斯公式表示為： (2-1) 其中：l-物距 l-像距 f-像方焦距 -光學系統的放大率 d-被測工件的直徑大小 d-被測工件直徑在CCD上影像大小 知道物距、像距并測出工件影像d的大小，即可求出被測工件的尺寸。2、5 設計方案的論證與選擇采用2、5、1 設計方案一的論證傳統測量細絲直徑的方法通常有兩種；細絲稱重法和游標卡尺或者螺旋測微器手工測量。 細絲稱重法即就是將

24、一定長度的細絲稱重后，把絲細看成均勻細長的圓柱體，然后根據材料密度求出細絲直徑。但此方法的缺點是浪費材料、花費時間多、精度不高，而且不能測量細絲某一處的直徑，是一種間接測量法。 游標卡尺或者螺旋測微器手工測量法具有測量方便、花費時間少的優點，但缺點是對于直徑是微米數量級的細絲由于機械壓力往往卡斷細絲或者使細絲變形、測量誤差大。2、5、2 設計方案二的論證一般的光學測量細絲直徑的方法有：光學成像法、光學顯微鏡法等，如果采用一般的光學儀器測量，由于光的衍射現象，所以被測細絲越細，測量誤差就越大。采用光學衍射法測量細銅絲直徑在理論上已經很成熟，但實際應用中存在一定困難，特別是在測量精度提高時。其中的

25、關鍵困難在于：1、 當光經衍射后產生的衍射圖樣微弱，信號的信噪比比較低。2、 還由于衍射圖樣的銳度不大，條紋位置不明顯，給測量帶來很大困難。3、 特別是在實時動態測量過程中，造成測量結果不穩定，重復性差。4、 測量的細絲直徑小于1mm時，在這個直徑下不能形成明顯的衍射條紋即衍射法在原理上存在不足。2、5、3 設計方案三的論證采用分光法在測量實質上是干涉法測量但也有不足：1、如果細絲有垂直于測量光方向的晃動 ，且晃動的幅度使投射陰影超出檢 測窗口之外 ，將會改變陰影面積進而產生較大的測量誤差。2、光照在細絲上會產生微弱的衍射效應 ，衍射會導致線性度變差3、環境光擾動會降低信噪比 ，影響測量精度。

26、4、光電三極管對溫度有一定的敏感性 ，會隨溫度的變化而產生靈敏度的變 化。5、分光法也不適合于與計算機的連接以及后續圖像采集與處理保存。2、5、4 設計方案四的論證采用遠心光路的CCD細絲直徑測量系統，與同類測量系統比較具有以下優點：1、 測量速度快，測量精度高，抗干擾能力強等優良特點。2、 是一種非接觸式的測量系統，屬無損傷測量，不影響加工系統正常運行，非常適合于生產線上尺寸的測量。3、該設計方案集成化程度高，可與計算機相聯，可進行測量數據的集中采集和分析，以便進行質量分析和統計，并在生產過程中出現質量問題時進行報警提示，便于控制和自動化生產。2、5、5 設計方案的采用綜合上述分析及我們小組

27、的討論研究，我們決定采用方案四采用遠心光路的CCD細絲直徑測量系統測試儀的設計方案。3 機械系統設計3、1 原理結構圖 圖31 原理結構圖3、2 成像結構圖 圖32 成像光路圖圖33 遠心光路圖3、3 整體結構設計微型CCD光譜儀器的結構微型CCD光譜儀器的總體結構如圖所示。由于特殊的小型化設計要求，在微型CCD光譜儀器的設計中，使用了反射式平面衍射光柵，采用車尼爾一特納的變形結構由兩個球面反射鏡組成成像系統，這種結構比較容易通過內部光闌來抑制雜散光，避免從入縫看到第二反射鏡面。使用多模光纖將待測量光導入，取代了普通光譜儀器的入射狹縫，可以在光纖的纖徑范圍內，調節狹縫高度的大小。引入線陣型CC

28、D取代老式的感光板，可以直接高速地采集圖象數據，再送交計算機進行快速分析，基本上可以做到在線分析，科學儀器與裝置儀器的體積也將大大減小。 圖34系統總體結構圖1. 光纖（狹縫）2球面反射鏡3平面反射光柵4球面反射鏡5線陣型CCD在上述系統中，光由光纖入射，經過球面反射鏡2進行準直，反射光入射到光柵表面發生衍射，色散后的光線經過反射鏡4，由其聚光后形成光譜面投射到線陣CCD的表面進行接收3，同時進行光電轉換產生相應的電信號，經數據采集卡采集并將其轉化為數字信號，交計算機分析處理，然后顯示結果。由于CCD可以對光譜進行高頻掃描，而且計算機的處理速度極快，整個采集分析的周期大大縮短，理論上可以做到在

29、線測量，保留實時的測量數據5。4 精度分析4、1 機械設計系統對測量精度的影響分析由于工件的影像與背景之間的界限并不是亮暗分明，影像邊緣的照度是漸變的。使得CCD的輸出亮暗信號不是“1”或“0”的變化，而是在亮暗信號之間有一定的過渡區。經過反復的實驗得到CCD輸出信號的波形如圖41所示： 圖 41CCD輸出信號波形圖從圖中可以看出凹下去的部分就是被測工件擋住光的部分，這條線和凹形槽的交點就是被測工件的邊緣，邊緣點處的光照變化率最大，采用微分法求出兩邊緣點的距離。便于分析將過渡區簡化為線性區進行分析，簡化42圖如下：圖42CCD輸出信號的過渡區過渡區中近似于線性變化，設該過渡區的斜率為k（信號幅

30、度增長率）則由實驗可以得出：式中： V亮-CCD亮信號電壓；V暗-CCD暗信號電壓； m-過渡區中CCD輸出信號的脈沖數； T-CCD視頻信號的周期由于過渡區的存在，將使CCD輸出信號攜帶大量的噪聲，從而影響測量精度。由線性過渡區可知，過渡區的斜率k越大即過渡區越短，影像邊緣清晰度和對比度就越高。設計系統時，盡量增大k值。當T給定時，只有增加亮暗差值或者減少m值才能增大k值。由于光源的波動等因素的影響，CCD輸出信號的電壓將上下波動，從而使CCD輸出信號的亮暗信號的反差比發生變化，導致CCD輸出信號脈沖有時多一個或少一個，反映到被測工件外徑值時即測量結果會多出5m，有的少5m，這種誤差在儀器檢

31、測精度5m的范圍內是允許的，在測量的過程中會產生系統誤差，為了消除這種誤差，我們采用系統誤差加減修正量的方法，即首先測量一個標準件外徑，測量結果與已知標準值比較，超出的部分即為系統偏差。在檢測過程中通過鍵盤輸入偏差來修正，使測量結果接近標準值。4、2 被測工件的均勻性對測量精度的影響在生產過程中，軸類零件，電纜或電線的外徑有時不很均勻。被測工件經過光照在CCD成像，線徑不等時則被照部分CCD輸出脈沖數與均勻被測工件被照部分的CCD輸出脈沖數不等，反應到測量結果上就會產生測量誤差，在設計中，我們采用對被測工件的多次測量，然后求取平均值的方法來消除這種誤差。粗大誤差也影響測量精度，但它是有外界條件

32、的突然變化引起的，當外界條件改變時引起CCD輸出信號的不穩定，只要保證外界條件持續穩定，則粗大誤差就很少發生。4、3 雜光、光通量變化對測量精度的影響在實驗過程中，發現雜光的影響其后果是很嚴重的，它造成整個像面的不均勻，輕則影響測量精度，重則使CCD測徑儀器不能正常工作。雜光的主要來源是照明系統發出的光束，一部分在工件表面上反射進入光學系統，一部分在管壁上無規律地進行反射，最后才投向像面，使整個像面照度均勻性受到破壞，因此，在設計光學系統時要注意消除雜光的影響。光源光通量的變化，將引起CCD輸出脈沖信號的變化，從而影響測量精度。引起光通量的變化的主要原因是照明系統電源電壓的變化和光源的老化造成

33、的。我們知道，在線陣區CCD陣列的輸出大小和曝光量成正比，或者與光強或光積分時間t之積成正比。這就意味著，如果要求CCD有一個固定的輸出電平，就必須調整光強或光積分時間，光強增大到一定程度時，電荷包達到極大值，陣列響應進入飽和區，這時光強的增大而電荷不再增加。CCD響應曲線最好應用區域是“近飽和”狀態區域，這樣光學衰減和光源老化的動態效應對亮暗信號的反差比將減少。降低了光噪聲對測量精度的影響。因此，在選用光源時，我著重考慮了光源的照度應在“近飽和”狀態區域，保證光照度基本穩定，提高檢測精度。選用均勻穩定的GaN綠色LED光源。（1）光源不穩定引起的誤差在測量過程中，光強的理想狀態是保持不變的，

34、但是光源需要供電，無論是采用直流供電還是交流供電電壓都不可能是恒定的。為了消除或減少光源的影響，在本系統中采用高質量高密度GaN綠色LED光源，GaN綠色LED光源可產生較短的波長，提供可靠的操作。它安全、均勻的光線只含有極少的雜訊，可提供極高的解析度。理想的光源應該是點光源，實驗中用的GaN綠色LED光源不是點光源，通過柯拉照明使得照在被測工件上的光強分布均勻，電壓不穩定引起的誤差可以忽略不計。（2）CCD感光單元靈敏度不均勻誤差CCD感光單元靈敏度不均勻性是CCD器件的一個重要指標。CCD感光單元靈敏度誤差是由于在CCD期間制造過程中半導體材料雜質的不均勻造成的，各個感光單元的有效面積不一

35、致也是影響CCD感光單元靈敏度不均勻誤差的一個因素。由示波器上的波形可以計算出邊緣點的斜率為k180mv/m，CCD感光單元靈敏度不均勻誤差小于10%，CCD飽和曝光量為2v，CCD感光單元靈敏度不均勻產生的誤差為2x10%/180=1.1m。（3）單片機硬件計數存在誤差由于被測工件成像后經過二值化處理變成高低電平，通過對電平計數來測量被測工件直徑尺寸。測量被測工件過程中，元器件的電器性能存在影響，比如芯便對程序的響應時間，開關的反應速度等，為了減少測量誤差在實驗的過程中，盡量采用性能能好的電器器件。同時成像物鏡光路的放大倍數為-1倍，計數頻率是CCD像元輸出的8倍，CCD的像元尺寸為7m，計

36、數器的一個計數周期對應0.875m，因而單次測量的計數誤差為0.875m。（4）環境造成的影響雜散光，環境溫度變化，電磁干擾等環境條件對測量結果的影響比較復雜，屬于小的隨機誤差，可以忽略。4、4 儀器誤差系統的誤差7來源為：儀器的總誤差來源為： 5 總結5、1 設計總結本課題的研究是采用采用遠心光路以線陣 CCD-光電傳感器 TCD1501D 及光學鏡頭為基礎構建的光學測量系統，對 CCD 的輸出信號采用微分法提取被測工件的邊緣信息，由單片機對數據進行處理完成測量工作。本文從光學系統設計入手展開研究：包括測量直徑系統的構建、線陣 CCD 測量器件的選擇、光學鏡頭的設計及實驗研究，同時對系統組成

37、的硬件電路、程序設計做了相應的介紹。綜上所述，本課題的研究主要做了以下方面的工作：設計了基于線陣 CCD 的直徑測量系統。包括線陣 CCD 的選型，光源的選取，光學鏡頭的設計，介紹線陣 CCD 光學測量原理。在進行光電測量裝置設計時，對光學系統進行了詳細分析，并用 ZEMAX 軟件設計了柯拉照明系統中的集光鏡、聚光鏡和成像物鏡。本論文從實驗上實現了使用 CCD 技術進行非接觸測量，特別是對輸出信號不采用傳統意義上的閾值處理法，而采用微分法對工件的邊緣信號進行提取，用 MSP430F149單片機進行數據處理并編制相應的程序。用 CCD 測徑系統對幾組直徑做實驗研究，分析了測量系統的誤差。由測量結

38、果可知，測量精度在5m之內。如果從以下幾個方面進行改進，可以得到更高的測量精度。光學系統的設計、光學系統的準確調節、鏡頭裝調和校驗。測量時，若 CCD 感光面與像面不重合，CCD 將接收到模糊的圖像信息，造成測量誤差，以后可以采用增加瞄準部分來解決。CCD 傳感器的像元尺寸的幾何位置精度高，可靠性高，壽命長，適合較惡劣的自然環境，CCD 技術被應用在幾乎所有的成像相關的領域，隨著科學技術的發展以及 CCD技術的研究和應用，CCD 技術將得到普及和推廣。鑒于我小組成員的知識結構及經驗有限，論文基于線陣 CCD 便攜式直徑測量系統設計還存在許多不完善的地方，有待于在今后的研究中進一步完善。也希望學校在這方面對學生多給予實踐上的幫助，脫離了實踐的設計往往是個空中樓閣，想要真正把這些問題做到還得大家的共同努力。5、2 學習體會 在這次課程設計中，我們運用到了本學期所學的專業課知識，如：ZMAX軟件、光電儀器設計知識等。雖然從未獨立