基于CCD技術(shù)的非接觸在線檢測(cè)儀設(shè)計(jì)

1.引言

檢測(cè)技術(shù)是一門(mén)應(yīng)用非常廣泛的技術(shù)。在許多 領(lǐng)域都會(huì)對(duì)各種加工件、各種運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)行檢測(cè)，以保證 產(chǎn)品的合格率和生產(chǎn)、生活的安全性。傳統(tǒng)的檢測(cè)方法有人工檢測(cè)，也有用機(jī)械式、光學(xué)式或電磁式檢測(cè)儀 器進(jìn)行的檢測(cè)。尤其是人工檢測(cè)全憑實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，若部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不但增加了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，而且精 度、效率也會(huì)隨之降低，既不能完成非接觸檢測(cè)，又不能實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)，同時(shí)還增加了檢測(cè)時(shí)給工作人員所 帶來(lái)的危險(xiǎn)性。因此，隨著科技的日新月異，勢(shì)必要有一種更加完美的檢測(cè)技術(shù)，那就是CCD 技術(shù)。 在此，以一個(gè)基于CCD 在線非接觸檢測(cè)的實(shí)例——《拉升鋼絲繩直徑的在線檢測(cè)儀》對(duì)CCD 技術(shù)進(jìn)行 一下探討。

2.系統(tǒng)組成

整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)由照明系統(tǒng)、被測(cè)工件系統(tǒng)、成像物鏡、CCD 光電檢測(cè)系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)(8031 單片 機(jī)和8279 鍵盤(pán)/顯示芯片等)構(gòu)成。穩(wěn)壓穩(wěn)流調(diào)光電源為遠(yuǎn)心照明系統(tǒng)提供穩(wěn)定的照明光，被照明的工件經(jīng) 成像物鏡成像在線陣CCD 的光敏陣列面上。由于工件不透光，工件的像在中間部分形成暗帶，兩側(cè)形成亮帶。 暗帶的寬度就是工件尺寸所成像的大小。線陣CCD 在驅(qū)動(dòng)脈沖的作用下完成光電轉(zhuǎn)換并產(chǎn)生視頻信號(hào)。其系 統(tǒng)原理圖如圖1。

3.CCD 光電檢測(cè)系統(tǒng)

在CCD 光電檢測(cè)系統(tǒng)中，CCD 的選型是十分重要的。CCD 的種類繁多，而且它們都有各自的特點(diǎn)和不 同的應(yīng)用，所以CCD 型號(hào)的正確與否將直接影響到所測(cè)信息的正確與否。

在本系統(tǒng)中要求的測(cè)量范圍為15mm～45mm，測(cè)量精度和相對(duì)要求較高，所以只要選擇1000 像元以上 的線陣CCD 就可以滿足本測(cè)量系統(tǒng)的精度要求。因此本系統(tǒng)應(yīng)選用TCD1206UD，它的有效像元數(shù)為2160， 像元尺寸為0.014×0.014mm，像元中心距為0.014mm，足以滿足本測(cè)量系統(tǒng)的要求。

該器件的主要技術(shù)指標(biāo)：

像元單元數(shù)2160 像元總長(zhǎng)為30.24mm

像元中心距14μm 驅(qū)動(dòng)頻率1MHz

行周期2.5ms 靈敏度45 V/lx·s

在1MHz 數(shù)據(jù)率情況下工作時(shí)，有效像元輸出時(shí)間為2.16ms,鋼絲繩直徑信號(hào)產(chǎn)生于2.16ms 期間。輸出 信號(hào)的暗電平可控制在1.0V 左右。而高電平可接近10V，相差比較大。當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)調(diào)整得比較好時(shí)，圖像邊 緣的信號(hào)比較陡，測(cè)量誤差較小。TCD1206UD 的工作原理和驅(qū)動(dòng)電路如下：

(1)工作原理。 TCD1206UD 在圖2 所示的驅(qū)動(dòng)脈沖作用下工作。當(dāng)ΦSH 脈沖的高電平到來(lái)時(shí)，正值Φ1 電極下均形成深勢(shì)阱，同時(shí)ΦSH 的高電平使Φ1 電極下的深勢(shì)阱與MOS 電容存儲(chǔ)勢(shì)阱溝通。

如圖3 所示，MOS 電容中的信號(hào)電荷包通過(guò)轉(zhuǎn)移柵轉(zhuǎn)移到模擬移位寄存器的Φ1 電極下的勢(shì)阱中。當(dāng) ΦSH 由高變低時(shí)，ΦSH 低電平形成的淺勢(shì)阱將存儲(chǔ)柵下勢(shì)阱與Φ1 電極下的勢(shì)阱隔離開(kāi)。存儲(chǔ)柵勢(shì)阱進(jìn)入光 積分狀態(tài)，而模擬移位寄存器將在Φ1 與Φ2 脈沖的作用下驅(qū)使轉(zhuǎn)移到Φ1 電極下勢(shì)阱中的信號(hào)電荷向左轉(zhuǎn)移， 并經(jīng)輸出電路由OS 電極輸出。由于結(jié)構(gòu)上的安排，OS 端首先輸出13 個(gè)虛設(shè)單元信號(hào)，再輸出51 個(gè)暗信號(hào)， 然后才連續(xù)輸出S1 到S2160 的有效像素單元信號(hào)。第S2160 信號(hào)輸出后，又輸出9 個(gè)暗信號(hào)，再輸出2 個(gè)奇 偶檢測(cè)信號(hào)，以后便是空驅(qū)動(dòng)?？镇?qū)動(dòng)數(shù)目可以是任意的。由于該器件是兩列并行分奇、偶傳輸?shù)?，所以?一個(gè)ΦSH 周期內(nèi)至少要有1118 個(gè)Φ1 脈沖，即TSH>1118T1。ΦR 為復(fù)位級(jí)的復(fù)位脈沖，復(fù)位一次輸出一個(gè) 信號(hào)。

(2)驅(qū)動(dòng)電路。TCD1206UD 的驅(qū)動(dòng)電路如圖4 所示：

由晶體振蕩器構(gòu)成的脈沖信號(hào)源產(chǎn)生主時(shí)鐘ΦM。ΦM 脈沖經(jīng)或編程邏輯器件ISPLSI 產(chǎn)生ΦSH、Φ1、 Φ2、ΦR 四路驅(qū)動(dòng)脈沖。在這四路驅(qū)動(dòng)脈沖的作用下，TCD1206UD 輸出OS 信號(hào)及DOS 信號(hào)。將此二路輸出 信號(hào)分別送到差分放大器LF357 的正、反輸入行差分放大，抑制掉共模的ΦR 引起的干擾，得到圖3 所示的 信號(hào)波形。SP 及ΦC 是為用戶提供的控制脈沖，SP 與CCD 輸出的像元光電信號(hào)同步，可用來(lái)做采樣保持控制 信號(hào)。ΦC 的上升沿對(duì)應(yīng)于CCD 的第一個(gè)有效像素單元S1，因而可以用作行同步。當(dāng)然也可以用ΦSH 作行同 步，但由于CCD 首選輸出64 個(gè)虛設(shè)單元信號(hào)，所以采用ΦC 比采用ΦSH 更好。 在此檢測(cè)系統(tǒng)中的照明系統(tǒng)的照明光源和成像系統(tǒng)的成像物鏡的選擇也是十分重要的，在此只是對(duì)鋼絲繩 的一般檢測(cè)，因此只需選擇白熾燈或鹵素?zé)糇鳛檎彰鞴庠醇纯?而成像物鏡，在此將選用放大率是β=1， f/=130mm、D/f/=0.5、2ω=140 的成像物鏡。

4.二值化數(shù)據(jù)采集與單片機(jī)接口

本系統(tǒng)是用于運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的工件尺寸的檢測(cè)。由于工件在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)因擺動(dòng)而發(fā)生位置變化，從而導(dǎo) 致CCD 輸出的視頻信號(hào)幅值浮動(dòng)，而且光源強(qiáng)度變化也會(huì)引起CCD 的視頻信號(hào)起伏變化，如果選用浮動(dòng)閾值 法，當(dāng)由于上述原因引起CCD 的視頻信號(hào)起伏變化時(shí)，可以通過(guò)電路將光源的起伏或CCD 視頻信號(hào)的起伏變 化反饋到閾值上，使閾值電位跟著變化，從而使CCD 視頻信號(hào)經(jīng)二值化電路后產(chǎn)生的方波脈沖的寬度基本不 變。所以選用浮動(dòng)閾值法的二值化處理方法。

CCD 驅(qū)動(dòng)器除產(chǎn)生CCD 所需要的各種驅(qū)動(dòng)脈沖，還要產(chǎn)生行同 步脈沖ΦC 和用作二值化計(jì)數(shù)的輸入脈沖Φt，要求ΦC 與SH 同周期，ΦC 的上升沿對(duì)應(yīng)于CCD 輸出信號(hào)的第 一個(gè)有效像素單元，要求Φt 脈沖頻率是復(fù)位脈沖ΦR 頻率的整數(shù)倍。將定時(shí)器T0 的方式寄存器TMOD 的GATE 位置1，這里定時(shí)器T0 受外部引腳輸入電平的控制，即INT0 控制T0 的運(yùn)行。將二值化電路輸出的方波脈沖 信號(hào)和行同步脈沖ΦC 一起輸入“與”門(mén)，它們的輸出信號(hào)接到單片機(jī)的INT0 引腳，并由INT0 來(lái)控制單片 機(jī)定時(shí)器T0 的啟動(dòng)，同時(shí)將復(fù)位脈沖ΦR 接到單片機(jī)的P3.4 引腳。當(dāng)行同步脈沖ΦC 和二值化方波脈沖信 號(hào)都出現(xiàn)高電平時(shí)，“與”門(mén)輸出的也是高電平，用這個(gè)高電平去啟動(dòng)單片機(jī)的定時(shí)器T0 對(duì)復(fù)位脈沖ΦR 進(jìn) 行記數(shù)，當(dāng)行同步脈沖ΦC 和二值化方波脈沖信號(hào)有一個(gè)出現(xiàn)低電平時(shí)，“與”門(mén)輸出的Y 也為低電平，定時(shí) 器T0 停止記數(shù)。這里定時(shí)器T0 所記的數(shù)即為復(fù)位脈沖數(shù)，由于復(fù)位脈沖ΦR 與CCD 像元同周期，幫定時(shí)器 T0 所記的數(shù)即為二值化方波脈沖信號(hào)高電平所覆蓋像元數(shù)。這樣便完成了CCD 輸出信號(hào)的處理工作，在定時(shí) 器T0 中記下了與工件尺寸有關(guān)的數(shù)據(jù)，即CCD 像元數(shù)。在光學(xué)系統(tǒng)中的放大率為1，所以用測(cè)量所得的像元 數(shù)去乘以CCD 的像元中心距，其結(jié)果就是在誤差允許范圍內(nèi)的工作尺寸的真實(shí)值。

5.程序流程圖

由此程序流程圖便可以完成匯編程序的編制，在此不再詳述。

6.結(jié)束語(yǔ)

由于機(jī)械式、光學(xué)式、電磁式的測(cè)量?jī)x器的制造技術(shù)已十分成熟，因此，在目前的檢測(cè)領(lǐng)域中，它們還 占據(jù)著重要位置。但是相信隨著制造技術(shù)的提高，CCD 像感元件的制作成本將會(huì)隨之降低，而其精度卻會(huì)進(jìn) 一步提高。到那時(shí)不管在精密檢測(cè)領(lǐng)域，還是在一般檢測(cè)系統(tǒng)中將會(huì)大量地應(yīng)用CCD 技術(shù)，CCD 技術(shù)將成為 將來(lái)檢測(cè)領(lǐng)域的主導(dǎo)技術(shù)。