高精度薄膜寬度檢測裝置的設計與實現

在塑料薄膜生產線上，由于薄膜始終處于移動狀態，很難立即測量在線寬度的變化。在過去，通常只測量長度，測量寬度的測量或手動檢查，或調整模型的寬度控制裝置，以便不檢測所謂的開環控制模式。以前的開放式自動測量方法不僅勞動強度高，而且信息反映緩慢。最終產品的寬度或存在一些誤差，或損壞，這直接影響到薄膜的質量和經濟效益。開發一種通用的薄膜在線自動寬度測量設備尤為重要。薄膜寬度作為一項重要的技術指標,必須對其進行測量和監控,才能保證成品的合格率.CCD尺寸測量技術作為一種高效的非接觸檢測方法,由于工作穩定、精度高、信息處理方便,廣泛應用于工件尺寸的在線檢測.本文基于高精度的線陣CCD作為光電傳感器,對光源照明、成像光路及相應的實時信息處理等關鍵技術加以研究,使高精度薄膜寬度的在線檢測得以實現.1薄膜的成像及視頻信號解析線陣CCD測寬和直徑測量都屬于應用CCD進行的尺寸測量,其測量原理也較為相似,光源發出的光通過準直透鏡經準直后為具有一定光強的近似平行光.當被測薄膜被均勻照明后通過成像物鏡在線陣CCD的光敏面上成像,光敏區在光的作用下產生電荷存儲于光敏MOS電容勢阱.當轉移脈沖到來時,線陣光敏陣列勢阱中的信號電荷并行轉移到線陣CCD移位寄存器中,在時鐘脈沖的作用下一個像元接一個像元被移出器件,最后經輸出電路將電荷轉化成電壓量輸出,這樣就得到薄膜的視頻信號.整個系統示意圖如圖1所示.2關于系統研究成果2.1基于反饋控制的激光器根據薄膜測寬系統的要求,光源應該具有照度均勻,平行性好及與CCD光譜響應匹配的特點.滿足照度均勻要求的光源有LED線光源,光纖線光源等,但是這種光源的發光平行性不是很理想,而且價格較為昂貴.采用了紅色半導體激光器,經過柱面鏡拉伸,成為一字型激光器,經過準直物鏡準直,光源無論從照度、穩定性和方向性上均滿足需要,而且性價比高,還具有啟動電壓低、高功率、響應快、壽命長等優點.這里采用了一種基于反饋控制的激光器自動功率穩定電路,保證了激光器的發光功率穩定,整個光源結構緊湊.2.2物方遠心物鏡消除測量誤差的作用在薄膜生產線上,薄膜在壓制過程中的擺動是系統誤差產生的主要原因之一.如果采用一般的成像光路,由于薄膜抖動,使得成像物距常發生變化,從而使成像大小發生變化,所以測得的薄膜尺寸也發生變化,即產生了測量誤差.因此,系統采用物方遠心物鏡可以消除物距變化帶來的測量誤差.物方遠心光路是將孔徑光闌放置在光學系統的像方焦平面上,當孔徑光闌放在像方焦平面上時,即使物距發生改變,像距也發生改變,但像高并沒有發生改變,即測得的物體尺寸不會變化(對應于CCD光敏面上彌散斑的中心間距).物距改變并不影響測量精度,采用物方遠心光路可以滿足系統的測量精度要求.2.3動閾值動閾值法CCD輸出的視頻信號,其中每一個離散的信號正比于CCD上一個光敏單元接收光強的強弱,信號輸出的時序與光敏元位置對應.此時,對于線陣CCD的兩路信號OS、DOS,分別代表著有效像元輸出信號和暗像元輸出信號,經過差分放大電路,得到合適幅值的視頻輸出信號,由于信號中存在著復位噪聲、固定模式噪聲、線傳輸噪聲以及受光電響應非均勻性的影響等,必須對信號進行濾波處理,采用兩個二階巴特沃思低通濾波器,濾除噪音影響,得到“干凈”的模擬視頻輸出信號.這時對于信號處理有以下幾種方法:①采用高速A/D轉換器對信號進行實時采集,轉換數字信號輸入緩存,等待MPU或直接輸入計算機進行處理;②采用固定閾值法,用一定幅值的閾值電平與視頻信號進行比較,形成具有一定寬度的二值化的脈沖信號,該脈沖的寬度就對應被測薄膜陰影圖像的寬度;③采用浮動閾值法,將背景光強變化信息作為閾值調整的反饋輸入,實時調節閾值適應變化;④微分法,利用圖像處理中邊緣二階微分過零的特點,對視頻信號進行二次微分,后面加過零觸發電路,從而檢出兩個邊緣點的位置.這幾種方法各有所長,對于方法①,后續數字信號處理可以通過亞像素提取的方法進一步提高精度,但系統龐大,造價比較昂貴.方法③適用于光源不穩定的情況,電路實現較為復雜,方法④特別容易受到噪聲的影響,檢出很多偽邊緣,造成誤觸發.從薄膜測寬系統信號特點、系統精度要求及結構緊湊性、易實現角度來看,我們選擇了方法②,即用固定閾值法實現寬度檢測.將CCD輸出的視頻信號送入電壓比較器的同相輸入端,比較器的反向輸入端加上可調的電平就構成了固定閾值二值化電路.當CCD視頻信號的幅度稍稍大于閾值電壓(電壓比較器反向輸入端的電位)時,電壓比較器輸出為高電平;CCD視頻信號小于等于閾值電壓時,電壓比較器輸出為低電平.CCD視頻信號經電壓比較器后輸出的是二值化方波信號.調節閾值電壓,方波脈沖的前、后沿將發生移動,脈沖的寬度發生變化.當CCD的視頻信號輸出含有被測薄膜寬度的信息時,可以通過適當調節閾值獲得方波脈沖寬度與被測薄膜寬度的精確關系.為了減小噪聲對閾值電平切割的影響,我們采用了圖2的遲滯比較電路,這里采用微遲滯,即遲滯電平很小.閾值電平與視頻信號進行比較后,形成具有一定寬度的二值化高電平的脈沖信號,該脈沖的寬度就對應被測薄膜成像的寬度.對脈沖寬度的精確檢出直接關系到整個系統的精度.以往的方法是利用單片機中的計數器資源,進行單片機的時鐘計數,從而獲取脈沖寬度.或者利用8253、8254等專用計數器芯片.這樣作受到芯片自身頻率和資源的限制,精度不高.在系統中采用了Altera公司的EPM7128,利用CPLD的可編程特點,利用高精度高速晶振作為基準時鐘,通過16位高速計數器,分別鎖存比較輸出脈沖的上升、下降沿的計數值,鎖存完畢,產生中斷信號,輸入后續處理系統進行信息處理.由于CPLD的柔性編程特點,使系統便于升級,而且利用片內的剩余資源完成鍵盤、顯示接口的擴展,使得電路體積小,系統結構十分精簡.CPLD電路系統的框圖如圖3所示.薄膜的像所占光敏元的個數與薄膜的寬度成正比,所以根據成像物鏡放大的倍數就可測得薄膜寬度的實際尺寸,式中n為薄膜寬度成像的所占脈沖個數,D′為薄膜像的尺寸,β則為成像物鏡的放大率,M為脈沖當量,所以被測薄膜的尺寸:D=D′β=nMβD=D′β=nΜβ.CPLD后續系統與單片機或者時計算機結合,實現數據處理、顯示、打印和報警等功能.3薄膜測寬系統的關鍵技術被測薄膜寬度在10~50mm之間,測量精度要求為0.1mm.我們對10mm、25mm寬的薄膜樣本進行測量,通過讀數顯微鏡靜態測量的薄膜寬度10.120和25.110mm作為真值,利用本系統對其進行10次以上的測量,測量均值分別為:10.129mm和25.122mm,標準差分別0.009mm和0.012mm、,重復性精度小于0.013mm,整個系統測量精度可達±0.015mm,完全滿足測寬系統的精度要求.對于標稱為50mm的薄膜,由于成像非線性的影響,測得系統精度為±0.03mm,但仍然滿足系統需要.本文從線陣CCD用于尺寸測量原理入手,利用高分辨率線陣CCD作為光電傳感元件,分析了光源照明、光學成像以及信息處理等薄膜測寬系統的關鍵技術.針對薄膜在線測量的特點,提出了相應的解決措施.通過實驗,設計方案完