线阵CCD测量玻璃管内外径尺寸的原理毕业论文
本科课程设计论文
题目:线阵C C D 测量玻璃管内外径尺寸
的原理
学生姓名：李亚洁
学院：理学院
班级：电科12-2班
指导教师：李继军副教授
2016年 1月 15日
内蒙古工业大学课程设计(论文)任务书
课程名称：图像传感器应用技术课程设计学院：理学院班级：电科12-2
摘要
线阵CCD 是一种结合光、机、电和计算机的高新技术半导体光电传感器，它的技术特点是：精度高、非接触测量、便携灵活；由于这些技术特点使得线阵CCD 在图像处理和工业检测领域中得到了广泛的应用。CCD器件是一种集光电转换、存储、自扫描转移及输出于一体的半导体器件,现已取代摄像管等成为应用最为广泛的图像传感器之一。它可直接将光学信号转换为数字电信号,实现图像的获取、存储、传输、处理及复现。
本论文的研究背景是依托光电子成像为基础，应用线阵CCD图像传感器实现对待测物体尺寸的测量，并构建了一个图形轮廓绘测系统。本文在详细分析了线阵CCD测量玻璃管内外径尺寸的原理。并且分析研究利用线阵CCD进行玻璃管外径尺寸测量的测量方法，对线阵CCD做出正确的选择之后对光学系统的设计最后实现玻璃管外径尺寸检测电路的硬件设计。
关键词：线阵CCD；外径测量；电路设计
abstract
Linear CCD is a combination of optical, mechanical and electrical and computer high-tech semiconductor photoelectric sensor, its technical features are: high precision, non-contact measurement, portable and flexible; Because of these characteristics make linear CCD in the field of image processing and industrial test has been widely https://www.wendangku.net/doc/2e5831724.html,D device is a collection of photoelectric conversion, storage, transfer from scanning and output in the integration of semiconductor device, has now been replaced tube and so on as one of the most widely used image sensor. It can be directly convert optical signals to digital signals, achieve image acquisition, storage, transmission, processing and retrieval.
The research background of this paper is based on optoelectronic imaging based on linear CCD image sensor is applied to implement treat object size measurement, and built a contour graphic painting system. Based on the detailed analysis of the principle of linear CCD measuring glass tube outside diameter size. Analysis and the use of linear CCD for glass tube outer diameter size measurement method of measuring the linear CCD to make the right choice to the design of optical system after the final hardware for glass tube outer diameter size detection circuit design.
Keywords: linear CCD; Outside diameter measurement; Circuit design
目录
引言 (1)
第一章基础理论 (2)
1.1 CCD的基本工作原理 (2)
1.2 CCD用于玻璃管尺寸测量的原理 (3)
第二章玻璃管尺寸测量光学系统的选型说明 (5)
2.1 利用线阵CCD进行玻璃管外径尺寸的测量 (5)
2.2 CCD的选择 (6)
第三章玻璃管尺寸测量的光学系统的设计 (7)
3.1 照明系统 (7)
3.2 光学成像系统 (8)
第四章玻璃管外径尺寸检测电路的硬件设计 (10)
参考文献 (12)
引言
CCD自问世以来，以它无与伦比的优越性能和诱人的应用前景，引起的各国科学家的高度重视，许多发达国家不惜重金投资加速研制，加之微细加工技术的进展，使得CCD像素数剧增，分辨率，灵敏度大幅提高，发展速度惊人。而使用线阵CCD图像传感器对图形经行一维或二维几何线度尺寸的测量，是一门崭新的非接触测量技术，在目前的科技工作有有着广泛的应用及发展前景。通过此次的课程设计，要让我们对现阶段的线阵CCD图像传感器的相关知识进行了解并实际应用。
在传统的玻璃管制作过程中,其尺寸的控制以手工工艺为主,即玻璃管的外径、壁厚等几何量在制作过程中只能凭借加工人员的视觉观察来完成,因而质量很难得到保证。为了克服由此而引起的产品质量问题,制作一套在线几何尺寸检测仪,对于玻璃管的高质量加工就显得十分必要,采用在线检测的手段不仅能在加工过程中对产品质量进行很好的控制,而且还能大幅度提高生产效率。本文分析了线阵CCD测量玻璃管内外径尺寸的原理。
第一章基础理论
1.1CCD的基本工作原理
电荷耦合摄像器件（CCD—Charged Coupled Device）的突出特点是以电荷为信号的载体，而不同于其他大多数器件是以电流或者电压为信号的载体。CCD 的基本功能是电荷的储存和电荷的转移。因此，CCD的基本工作过程主要是信号电荷的产生、存储、转移和检测。
线阵CCD由光敏阵列与移位寄存器组成，光敏阵列呈线性排列，在光的作用下产生光生电荷存储于光敏MOS电容势阱中。按一定的方式将一维线阵CCD 的光敏单元及移位寄存器排列成二维阵列，即可构成二维面阵CCD，二者都需要用光学成像系统将景物成像在CCD的像敏面上。像敏面将照在每一像敏单元上的图像照度信号转变成少数载流子密度信号存储于像敏单元中。然后，再转移到CCD的移位寄存器中，在驱动脉冲的作用下顺序地移出器件，成为视频信号。
对于线阵器件，它可以直接接受一维光信息，而不能直接将二维图像转变为视频信号输出。为了得到整个二维图像的视频信号，就必须用扫描的方法实现。
在此次的项目中只需测量玻璃管的一维尺寸，只要使用线阵CCD将玻璃管的一维尺寸信息成像到CCD上即可，所以在项目中使用了线阵CCDTCD1206SUP。由于TCD1206SUP是双沟道的线阵CCD，下面内容为介绍双沟道线阵CCD的原理。
双沟道线阵CCD摄像器件。它具有两列CCD模拟移位寄存器A与B，分别在像敏阵列的两边。当转移栅A与B为高电位时，光敏阵列势阱里积存的信号电荷包将同时按箭头制定的方向分别转移到对应的模拟以为寄存器内，然后在驱动脉冲的作用下分别向右转移，最后经输出放大器一视频信号方式输出。显然，同样像敏单元的双沟道线阵CCD要比单沟道线阵CCD的转移次数少一半，转移时间缩短一半，它的总转移效率大大提高。因此，在要求提高CCD的工作速度和提高转移效率的情况下，常采用双沟道的方式。对于一般器件的情况来说高于256位的线阵CCD大多为双沟道的期间。然而，双沟道器件的奇、偶信号电荷分别从通过A、B两个模拟移位寄存器和两个输出放大器输出。由于两个模拟移位寄存器和两个输出放大器的参数不可能完全一致，就必然会造成奇、偶输出信号的不均匀性。所以，又是为了确保像敏单元的一致关系特性好，在较多像敏单元的情况下也采用单沟道的结构。
1.2 CCD用于玻璃管尺寸测量的原理
光源发出的平行光透过玻璃管后经过成像物镜成像在线阵CCD的光敏阵列上，由于透射率和光在不同形状介质中的折射率的不同，是的通过玻璃管的像在上下边缘处形成两条暗带，中间部分的透射光相对较强，形成亮带，两条暗带的最外边的边界距离为玻璃管外径所成的像，中间亮带的宽度反应了玻璃管内径像的大小。两条暗带表示了玻璃管上下壁的大小。
图1-1CCD输出的玻璃管像的视频信号
图1-1是CCD输出的玻璃管像的视频信号。N
1和N
4
表示了玻璃管的外径在
CCD上对应的像敏单元序号，N
2和N
3
则是玻璃管的内径在CCD上对应的像敏单元
序号，这些序号表示出了玻璃管内外径的位置信息。显然玻璃管的外径值为：
D =
β
L N
N)1
4
(-
(1-1)
通过光学系统将被测玻璃管的外径尺寸以一定的、准确的倍率成像于单片CCD光敏面上，再通过接口电路对CCD输出信号进行处理，送入微机，实现相应的测量，直径测量公式：
d = β
α?N（1-2）
其中： d为被测直径；
α为CCD光敏面像元尺寸；β为光学系统的放大率；
第二章玻璃管尺寸测量光学系统的选型说明
2.1利用线阵CCD进行玻璃管外径尺寸的测量
将置于准直平行光路中的透明玻璃管经过远心成像系统后，在像面（CCD 光敏面）形成一个反映玻璃管外径几何尺寸的影像，CCD视频信号经微机数据采集和数据处理后，可获得玻璃管外径。
图2-1.线阵CCD测量玻璃管内外径光路原理图
设玻璃管外径为R，内径为r，则一束平行光按透过玻璃管后的特性分为三部分。如图1所示，h为入射光线与光轴的距离，n为玻璃折射率。
a. h R 部分。直接透射。
b. r h 经数学推导可知出射光线与水平轴夹角 β = 180°—2{ sin-1 (h/R) + sin-1 [h/(nR)] — sin-1 [h/(nr)] } (2-1) c. 0 h 经数学推导可得出射光线与水平夹角 β= 2{ sin-1 (h/r) + sin -1[h/(nR)] – sin-1(h/R)—sin -1[h/(nr) ] } (2-2) 实际证明，CCD成像法用于测量玻璃管内外径是可行的，配上微机后，能够实现快速自动测量。