基于CCD的工件直径动态检测

　　1 引言

　　在生产中对零部件尺寸的检测, 常采用千分尺、千分表、高度计及块规等机悈检测工具,也可采用光学公差投影仪等光学方法。显然,上述方法由于人直接参与检测操作, 不仅检测精度低, 而且劳动强度大,已远不能满足现代化工业生产中的生产速度快、效率高(可达每分钟上千件)、加工精度高(零件公差达微米级)等生产与技术要求。所以, 需要采用新的自动化在线检测技术。自动化检测技术就是利用电子技术来实现自动测量及数据处理,其关键是如何将非电量(长度量)转换成电量。能够实现这种转换的传感器有几种,比如电容传感器、电感传感器和光电传感器等。无论是电容变换还是电感变换, 被测零部件和传感器都是直接接触, 所以对测量仪器本身的机械精度要求高,且测量的长度往往受到限制, 因此, 这些传感器的结构较复杂, 只适用于位移量测量。与之相比, 光电传感器具有更大的优势, 利用光电转换技术可将零部件的尺寸量,通过光学元件变成光学量(光通量或光脉冲数),经光电器件将光学量变换成电量,这个反映被测尺寸的电量信号经过运算和处理, 即可用于实现自动测量和控制。

　　用光电变换技术实现尺寸测量的方法有模拟量变换法和模–数变换法,从测量精度高及便于与微机接口等角度考虑,大多采用模–数变换法。在模–数变换法中有激光扫描和电荷耦合器件CCD(charge coupled Device)动态检测法两种。本文就是采用较为先进的CCD 动态检测法,该方法具有光机结构简单、使用方便和信息处理容易等优点。

　　2 线阵CCD传感器^[1]

　　CCD耦合器件是一种金属- 氧化物- 半导体结构(简称MOS结构)的新型器件,由于它具有一些独特性能,因而在摄像、信息处理和信息存储及光电检测等方面得到了日益广泛的应用。该器件可分为线阵器件和面阵器件两种。线阵CCD器件是摄取一行图像信息,适用于运动物体的摄像,可用作传真、遥感、光谱线或条形码信息的识别、工件尺寸的自动检测等方面; 面阵CCD 器件是将一帧图像信息同时摄取,因此它适用于电视摄像。

　　线阵CCD 器件结构示意图如图1所示。阴影面代表着势阱存储光生电荷的光敏面,每一光敏面对应一个像元(素)。收集“电荷包”之后,首先将其传输到两个平行的移位寄存器中,然后再按箭头所指的方向将摄像区中的信号电荷分成两部分传输(两个移位寄存器),这样可把每个电荷包的传输次数减少一半,进而降低了电荷的传输损失。

　　线阵CCD 的工作过程是:(1)在光积分脉冲作用下,每一像元产生一个势阱, 称作像元势阱, 能存储光生电荷。其存储电荷的多少与像元的光照强度成比例。(2)在转移脉冲控制下,像元信号电荷向移位寄存器注入。(3)在时钟脉冲作用下, 信号电荷由移位寄存器依次输出。各种控制脉冲和时钟脉冲由专用集成块或微机产生[3]。