温度对基于线阵CCD测长系统的影响

　　0 引言

　　钢铁企业对生产的产品，如各种板材、钢管等的长度都有严格的要求，长度实时测量和控制是生产过程中的一个重要环节，它直接影响到产品的质量。由于这些产品都是在高温下轧制的，因此，一般都采用非接触方式测量其长度[1]。在高温下，由于热膨胀和两端高温辐射现象，所测长度一般都会偏长。由于CCD 具有许多优良特性，因此已在各种非接触测量及成像系统中获得了极为广泛的应用。常州工学院和常州东升自动检测仪器有限公司合作研制的CCD 钢管测长系统已在实际工程中应用，本文就高温下如何消除温度对基于线阵CCD 测长系统的影响展开讨论。

　　1 线阵CCD 工作原理和长度测量机理

　　CCD 图像传感器是使用一种高感光度的硅片制成的，硅片以矩阵方式排列，当光照射到CCD硅片上时，在栅极附近的半导体体内产生电子空穴对，并被收集在势阱中形成信号电荷，即把光线转变成电荷，并加以储存。被测工件发出的光，经光学系统( 透镜) 汇聚后校正为具有一定光强的近似平行光，按一定倍率成像( 影像反映了被测件的尺寸) 在CCD 的光敏面上，CCD 器件把光敏面上工件影像的光学信息转换成与光强成正比的电荷量

　　式中，QIP为电荷量; η 为材料的量子效率; q 为电子电荷量; Δneo为入射光的光子流速率; A 为光敏单元的受光面积; Tc为光积分时间[2]。当CCD 确定以后，如果固定光积分时间Tc，则对于每一个像元，η，q ，A 和Tc均为常量。QIP仅与Δneo成线性关系，即: QIP∝Δneo。用一定频率的时序脉冲驱动CCD，在CCD 输出端获得被测工件的视频信号[3]。视频信号中每一个离散电压信号U 的大小与QIP呈线性关系，即:

　　U 对应着该光敏元所接收光强的强弱，信号输出的时序则对应光敏元位置的顺序。对视频信号进行二值化处理后，得到矩形波的宽度即像素值D，其值与被测工件的一维尺寸L 成正比。再用单片机系统将该像素值传入上位机，以便进一步处理。基于被测工件尺寸L 与像素值D 成正比的线性函数关系，可以设计出各种各样的测长系统[4 - 6]。

　　2 基于CCD 技术的测长系统设计

　　2. 1 系统构成

　　测量系统构成如图1 所示。被测量的钢管长度分多种规格( 最短6 m，最长12 m) 。每台CCD的最大测量范围为2. 5 m，最大像素为2 500，调节CCD 与被测钢管的垂直距离，使每台CCD 的有效测量范围为2. 0 m，有效像素为2 000。安装时，CCD1和CCD2有交叉，CCD3和CCD4有交叉，为了能测量所有规格钢管的长度，使图1 中P3，P4之间的距离为5 m 左右，则5 ～ 9 m 的钢管的长度可由CCD2和CCD3测得，9～ 11 m 的钢管的长度可由CCD2和CCD4测得， 11 ～ 13 m 的钢管的长度可由CCD1和CCD4测得。