CCD外径测量及控制

　　随着工业的不断发展,生产设备的自动化程度越来越高,使得在线测量与自动控制显得尤为重要。CCD测径及控制系统就是一种在线测量管、线材直径的装置。它具有径值显示、超差报警、PID控制输出等功能。该系统测量精度高,性能稳定,可以满足金属或非金属管、线材生产工艺的需要,是一种理想的测控设备。

　　1 测量原理及系统组成

　　CCD外径测量及控制系统原理如图1所示。该系统由光学成像、CCD驱动及采集、模拟信号处理及单片机4部分组成。CCD外径测量的工作原理为:点光源S置于透镜L1的焦点上,光线经过透镜L1后变成平行光束;该平行光束成为被测物体的背景光,物体在背景光的照射下,经过透镜L2在CCD器件上成像;CCD是一种光电转换器,用集成电路工艺制成,它以电荷包的形式储存和传送信息,主要由光敏单元、输入结构和输出结构等组成,通过CCD可以实现光电转换,信号储存、转移、输出,以达到CCD对物体像进行测量的目的。由于物体像的大小与被测物体尺寸成正比,因此通过测量物体像的大小可以得到被测物体的尺寸。CCD采集到的信号经过放大处理后通过输入接口送到单片机中进行计算。单片机可以给出径值显示、径值超差报警输出,同时可以根据工艺要求进行PID运算并给出控制量输出。该系统与生产设备构成的闭环控制系统可以保证产品外径的几何精度。

　　2 成像系统

　　点光源S与透镜L1构成照明系统。对该系统的要求是:¹提供足够的光能量;具有高质量的物方平行光线;光能量在被测物平面上应均匀分布。

　　在线测量时物体是处在运动状态,物体常常沿光轴方向移动,使像平面与CCD接收面不可能真正重合,并由此产生测量误差。为了消除或减小测量误差,可以通过控制轴外点主光线的方法来实现。因此专门设计了物方远心光路。物方远心光路成像原理如图2所示。物方远心光路是使物体上各点发出的光束经过物镜后,其主光线必须通过像方焦点。本装置物方主光线均平行于光轴,故光线经过透镜L2后必通过像方焦点Fc。如果物体B1B2正确地位于与CCD的接受面M1M2相共轭的位置A1处,则CCD上的像长度为M1M2。如果物体B1B2沿光轴有所移动,不在位置A1处而在A2处时,它的像面Bc1Bc2将与CCD接受面不重合,而CCD器件上得到的Bc1Bc2的投影像为一弥散斑。因为在物方空间物体上同一点的主光线并不随物体位置的移动而变化,像方主光线都通过像方焦点Fc。因此,通过CCD器件接受面上的弥散斑中心的主光线仍通过M1M2,利用上述原理可以消除由于物体移动带来的误差。

　　被测物体成像于CCD上,像的尺寸与被测物体的尺寸有一定的倍率关系。设T为像尺寸,K为放大倍数,s为被测物体尺寸,它们之间的关系如下: