韓　星，劉　倩，熊靜琪，王李立

(1．電子科技大學機械電子工程學院，四川成都　611731；2．北華航天工業(yè)學院電子工程學院，河北廊坊　065000)

0　引言

在電纜、光纜的生產中，直徑的偏差直接影響著它們的等級．而目前線材外徑的檢測主要依靠人工的接觸的檢測手段。因而，檢測速度低、勞動強度大，并且無法檢測生產線上高速運動的線材外徑[1]。激光檢測技術能滿足高速非接觸在線檢測的需要，而隨著非接觸測量技術的迅猛發(fā)展，線陣CCD因其響應速度快、信號易處理、精度高和無磨損的特點而廣泛應用于一維尺寸測量中[2]。為此，采用半導體激光器，結合先進的快速光電耦合器件(CCD)以及計算機技術，研制出了能用于生產實際的高精度激光檢測系統(tǒng)[3-4]。文中系統(tǒng)利用高速AD轉換芯片對線陣CCD的信號進行AD轉換，并由FPGA對轉換的信號進行高速采集、存儲和處理，最后將測量結果發(fā)送PC上位機[2]。

1　線徑測量系統(tǒng)

線徑測量系統(tǒng)由以下3部分組成：(1)光電系統(tǒng)；(2)單片機系統(tǒng)；(3)上位機系統(tǒng)。其系統(tǒng)組成如圖1所示[3]。

圖1　系統(tǒng)組成

1．1測徑系統(tǒng)模型

激光束將被測量棒投影于CCD上，由于CCD是一個理想的光傳感器，有很高的感光靈敏度，所以它在檢測中成為一個高靈敏度的光電傳感器件。又由于線陣CCD的光敏元陣列依靠高精度的光刻技術，有著精確的幾何間距，所以，CCD在光電檢測中又是一把數字式的高精度測量標尺[5]。當CCD的整個光敏元件陣列被激光照射時，在驅動脈沖作用下，其輸出端將得到與CCD位數相應的脈沖信號數。當被測量棒被扇形激光束投影于CCD上時，部分CCD光敏元件將被遮去，僅在被光均勻照明的光敏元區(qū)域有對應位數的脈沖信號輸出[6]。實際系統(tǒng)抽象出來的幾何模型如圖2所示。

圖2　光學模型

圖3　光學幾何模型抽象

1．2單片機系統(tǒng)電路設計

針對系統(tǒng)需求，系統(tǒng)選用STM32F103芯片作為主控芯片實現控制，其主要特點是：128 K字節(jié)的閃存程序存儲器，20 K字節(jié)的SRAM；2個12位模數轉換器，1 us轉換時間(多達16個輸入通道)；七通道DMA控制器等[7]。

圖4　單片機電路

1．3CCD驅動電路設計

CCD是檢測系統(tǒng)的核心，其性能優(yōu)劣直接影響系統(tǒng)的功能和檢測精度，通常線陣CCD傳感器，可靠性、靈敏度、分辨率等方面都能滿足一般工業(yè)要求。根據系統(tǒng)需求情況，在考慮性價比、工作頻率及使用簡單等因素。TCD1209DG，它是一種高靈敏度、低暗電流的線陣CCD傳感器。具有2 048位有效象元的兩相陣線CCD器件，每個光敏元尺寸為14 μm×14 μm，中心間距14 μm．TCD1209DG為雙列22腳封裝，只需加上一組時序脈沖進行驅動控制就能實現對線徑像的一維掃描和信號輸出，硬件電路上通過增加一個驅動器SN72LVC1G66來實現。

TCD1209DG工作需要SH、Φ1、Φ2、RS 4路脈沖驅動。由非門及晶體振蕩器構成的振蕩電路輸出頻率為2 MHz的方波脈沖，經D觸發(fā)器分頻得到頻率為1 MHz的方波脈沖，將2 MHz與1MHz脈沖相與形成RS脈沖，其占空比為1∶3，頻率為1 MHz．將RS經D觸發(fā)器分頻產生頻率為10 MHz的Φ1脈沖和Φ2脈沖，Φ1和Φ2反相。將SH、Φ1、Φ2、RS經反相器、阻容加速電路送至SN72LVC1G66驅動器，供給TCD1209DG[8]。驅動電路如圖5所示。

圖5　CCD驅動電路

2　基于CCD幾何模型算法

分析圖3光學幾何模型抽象，不難發(fā)現當量棒線徑發(fā)生變化時，其幾何模型相應的發(fā)生改變，這種改變最終直接導致了最終結果的誤差，因此對幾何模型做如圖6所示修正。

圖6　改進后的光學幾何模型

圖中，可以判定兩虛線焦點處為坐標原點，則得到實際中量棒的坐標(x，y)，激光LD的坐標(0，-L2)(-L2，0)，同時可以利用CCD測得衍射陰影坐標，Ly(L1-L2，ly)，Ry(L1-L2，ry)，Lx(lx，L1-L2)，Rx(rx，L1-L2)，其中L1為激光LD到CCD的距離。

利用三角關系，可以求得：

(1)

(2)

同時，由于測得衍射陰影坐標，可以解出sinαx，sinαy。同時兩條垂直平分線斜率為：

(3)

(4)

同時利用αx，αy，kx，ky根據各條線之間的關系，可以得出其他兩條曲線的斜率：

(5)

(6)

同理y方向有：

(7)

(8)

而根據坐標，可以確定以上4條曲線的斜率為：

(9)

(10)

聯(lián)立以上方程，化簡有：

(11)

(12)

(13)

(14)

由CCD測得Rx，Ry，Lx，Ly4個已知量，聯(lián)立式(11)、式(12)、式(13)、式(14)最終可以求出量棒坐標(x，y)，x方向線徑x_width，y方向線徑y(tǒng)_withy，綜合二者得結果為：

(15)

3　實驗仿真

3．1線徑測量試驗臺

因系統(tǒng)對光污染比較敏感，因此在搭建系統(tǒng)時添加了遮光板，搭建的試驗臺如圖7所示。圖7黑色部分即是對CCD做出的相應遮光處理。

圖7　實驗臺系統(tǒng)

3．2線徑測量實驗步驟

(1)定義CCD信號中左右陰影位置與另一路測得線徑誤差的二維關系，并在通過RS-232口將數據讀到上位PC機，取定量棒直徑為450 μm，CCD測得陰影波形如圖8所示。

圖8　CCD采集陰影波形

(2)Matlab中仿真左右陰影位置Rx，Ry，Lx，Lr與另一路測得線徑誤差的關系；

(3)線徑擬合出陰影位置Rx，Ry，Lx，Ly被測線芯直徑d之間的關系；

(4)擬合的參量回代到單片機系統(tǒng)中進行補償修正；

3．3線徑測量仿真結果分析

在keil中實現上述幾何算法，并且分析系統(tǒng)誤差源，在分析測得的兩路CCD信號中的左右陰影位置對另一路測得的線徑誤差的影響，然后在Matlab中顯示出相應的樣本點，該實驗取定中心偏離度-200～200 μm，通過觀察樣本點的誤差，發(fā)現其樣本點的波形類似于周期性的三角波，則可以分段對該波形進行一階最小二乘擬合。在Matlab中觀察擬合后的曲線，發(fā)現其擬合效果較好，基本能將誤差控制在±2個像素點，擬合后效果如下。圖9為X方向樣本點及一次擬合曲線。

(a)450 μm X方向R路誤差擬合中心偏離度

(b)450 μM X方向L路誤差擬合中心偏離度

得到擬合參量見表1，然后將這些參數在keil中進行相應擬合補償實驗。

擬合后的誤差效果基本能控制在-2 μm以內，因此，擬合補償明顯對誤差的糾正有較好的效果。

(b)450 μmX方向L路誤差擬合中心偏離度

表1　最小二乘擬合參量

4　結束語

(1)文中利用最小二乘對陰影部分進行算法擬合補償，修正了因為衍射造成的CCD檢測到的陰影位置誤差，使得在幾何模型中的原始樣本值更精確。

(2)在基于最小二乘數據擬合的邊緣檢測算法的基礎上，針對所采集圖像的過程，提出了一種優(yōu)化光學幾何模型的算法，和普通光學模型算法相比，改進的算法著重分析了優(yōu)化的光學模型，在分析模型時不做近似處理，因此算法誤差更小，這也進一步增加了測量精度。

(3)在系統(tǒng)中只對450 μm量棒進行了實驗仿真，對于系列不同線徑量棒還有待進一步的分析，找出規(guī)律，進行不同線徑量棒的補償，在后續(xù)研究中有待做進一步探討分析。

參考文獻：

[1]吳建兵 李川奇．CCD高精度線徑測量．工業(yè)儀表與自動化裝置，1996(1)：27-29．

[2]雷波，盧紅．基于線陣CCD的在線亞像素邊緣測量系統(tǒng)，武漢理工大學學報，2010 (8)：526-529．

[3]魏紅偉，尤文，王宏志．高精度激光CCD在TP線徑檢測儀中的應用．吉林工學院學報，1994(4)：68-72．

[4]李慶先．電荷藕合器件-CCD應用概述．儀表技術與傳感器，1991(6)：12-14．

[5]蘇波，王紀榮．CCD高精度測徑系統(tǒng)的研究．太原理工大學學報，2002，(5)：506-509．

[6]ST hac．STM32F103 data sheet，2009．

[7]TOSHIBA hac．TCD1209D Image Sensors．TCD1209D datasheet，2001．