线阵CCD非接触直径测量系统设计

　　0 引言

　　现代工业生产的发展对工件直径、表面轮廓、几何尺寸的测量提出了新的要求。传统的接触式测量方法存在其固有的局限性，往往在环境恶劣的条件下存在难以使用、生产线上难以实现动态在线测量、人为读数导致测量精度低等问题。因此，非接触测量方法越来越受到业界的普遍关注。现有的非接触测量方法存在自动化和智能化程度低的弊端，研究高精度、高速度、自动化、智能化、小型化的直径测量系统已成为非接触测量领域技术人员的研究重点[1]。

　　本文阐述了如何设计直径测量系统的光学照明系统和光学成像系统，以及如何采用现代图像传感电荷耦合技术和单片机技术实现对生产线上的工件直径进行测量并达到微米级测量精度。本文针对工件直径测量提出了光电检测方法。与传统的机械检测方法相比，光电检测法具有许多优点，它能够以非接触的方式检测被加工产品，测量中对工件无磨损，可消除人为误差，保证了系统的测量精度。

　　1 测量原理

　　电荷耦合器件( charge couple device，CCD) 是一种特殊的半导体器件和新型的固体成像器件。CCD 由一系列排列紧密的 MOS 电容器组成，其突出特点是以电荷作为信号[2]。CCD 芯片上有许多光敏单元，它们可以将不同的光信号转换成电荷输出，从而形成对应原始光图像的电荷图像。当被测工件放置在线阵CCD 前端时，光学系统会把被测工件成像在 CCD 的光敏面上。在 CCD 驱动信号的作用下，被测工件与背景在光强分布上的变化被反映在 CCD 输出的视频信号中。线阵 CCD 测量工件直径的原理框图如图 1 所示。

　　成像系统按一定倍率成像于线阵 CCD 图像传感器上。工件光学成像示意图如图 2 所示。

　　图 2 中，照明系统射出的平行光信号经测量工件后，遮挡部分与未被遮挡部分在线阵 CCD 光敏面上成不同的像，而遮挡部分所成的像即代表被测工件的直径尺寸，L 和 L' 之间的关系由高斯公式表示[3]，如式( 1) 所示。

　　式中: d 为被测工件直径大小; d'为被测工件直径在CCD 成像中的大小; β 为光学系统的放大率; L 为物距; L'为像距; f '为像方焦距。由式( 1) ～ 式( 3) 可知，确定成像系统的像距、物距后，测出工件图像 d'的大小，即可推导出工件的实际尺寸。因此，线阵 CCD 测量工件尺寸的关键在于确定工件图像 d'的大小。

　　根据 CCD 器件的工作原理，光信号经光敏元转换成与光强成正比的电荷，并存储于 CCD 内部的金属氧化物半导体 MOS 电容器中。然后，CCD 器件在一定频率的时钟脉冲驱动下，实现已存储电荷的定向转移，即可在输出端获得表示被测工件大小的视频信号。视频信号中，每一个离散电压信号的大小均对应该光敏元接收到的光强，而信号输出的时序则对应 CCD 光敏元位置的顺序。最终，被测工件的影像大小反映在 CCD输出信号中电压的高低上，即在 CCD 中间被工件遮挡部分对应的光敏元输出电压为低，两侧未被遮挡的光敏元输出电压为高。这样，空间域分布的光学信息就被转化成按时间域分布的电压信号。