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        基于CCD非接觸線徑測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

        2014-03-21 13:16:29熊靜琪王李立
        儀表技術(shù)與傳感器 2014年7期
        關(guān)鍵詞:線徑高精度陰影

        韓 星,劉 倩,熊靜琪,王李立

        (1.電子科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院,四川成都 611731;2.北華航天工業(yè)學(xué)院電子工程學(xué)院,河北廊坊 065000)

        0 引言

        在電纜、光纜的生產(chǎn)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(qiáng)度大,并且無法檢測生產(chǎn)線上高速運(yùn)動的線材外徑[1]。激光檢測技術(shù)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(shù)的迅猛發(fā)展,線陣CCD因其響應(yīng)速度快、信號易處理、精度高和無磨損的特點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于一維尺寸測量中[2]。為此,采用半導(dǎo)體激光器,結(jié)合先進(jìn)的快速光電耦合器件(CCD)以及計(jì)算機(jī)技術(shù),研制出了能用于生產(chǎn)實(shí)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(zhuǎn)換芯片對線陣CCD的信號進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換,并由FPGA對轉(zhuǎn)換的信號進(jìn)行高速采集、存儲和處理,最后將測量結(jié)果發(fā)送PC上位機(jī)[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(jī)系統(tǒng);(3)上位機(jī)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(gè)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(gè)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(shù),有著精確的幾何間距,所以,CCD在光電檢測中又是一把數(shù)字式的高精度測量標(biāo)尺[5]。當(dāng)CCD的整個(gè)光敏元件陣列被激光照射時(shí),在驅(qū)動脈沖作用下,其輸出端將得到與CCD位數(shù)相應(yīng)的脈沖信號數(shù)。當(dāng)被測量棒被扇形激光束投影于CCD上時(shí),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(yīng)位數(shù)的脈沖信號輸出[6]。實(shí)際系統(tǒng)抽象出來的幾何模型如圖2所示。

        圖2 光學(xué)模型

        圖3 光學(xué)幾何模型抽象

        1.2單片機(jī)系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

        針對系統(tǒng)需求,系統(tǒng)選用STM32F103芯片作為主控芯片實(shí)現(xiàn)控制,其主要特點(diǎn)是:128 K字節(jié)的閃存程序存儲器,20 K字節(jié)的SRAM;2個(gè)12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器,1 us轉(zhuǎn)換時(shí)間(多達(dá)16個(gè)輸入通道);七通道DMA控制器等[7]。

        圖4 單片機(jī)電路

        1.3CCD驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

        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(jù)系統(tǒng)需求情況,在考慮性價(jià)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(gè)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(shí)序脈沖進(jìn)行驅(qū)動控制就能實(shí)現(xiàn)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(gè)驅(qū)動器SN72LVC1G66來實(shí)現(xiàn)。

        TCD1209DG工作需要SH、Φ1、Φ2、RS 4路脈沖驅(qū)動。由非門及晶體振蕩器構(gòu)成的振蕩電路輸出頻率為2 MHz的方波脈沖,經(jīng)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(jīng)D觸發(fā)器分頻產(chǎn)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(jīng)反相器、阻容加速電路送至SN72LVC1G66驅(qū)動器,供給TCD1209DG[8]。驅(qū)動電路如圖5所示。

        圖5 CCD驅(qū)動電路

        2 基于CCD幾何模型算法

        分析圖3光學(xué)幾何模型抽象,不難發(fā)現(xiàn)當(dāng)量棒線徑發(fā)生變化時(shí),其幾何模型相應(yīng)的發(fā)生改變,這種改變最終直接導(dǎo)致了最終結(jié)果的誤差,因此對幾何模型做如圖6所示修正。

        圖6 改進(jìn)后的光學(xué)幾何模型

        圖中,可以判定兩虛線焦點(diǎn)處為坐標(biāo)原點(diǎn),則得到實(shí)際中量棒的坐標(biāo)(x,y),激光LD的坐標(biāo)(0,-L2)(-L2,0),同時(shí)可以利用CCD測得衍射陰影坐標(biāo),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(guān)系,可以求得:

        (1)

        (2)

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

        (3)

        (4)

        同時(shí)利用αx,αy,kx,ky根據(jù)各條線之間的關(guān)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(jù)坐標(biāo),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(gè)已知量,聯(lián)立式(11)、式(12)、式(13)、式(14)最終可以求出量棒坐標(biāo)(x,y),x方向線徑x_width,y方向線徑y(tǒng)_withy,綜合二者得結(jié)果為:

        (15)

        3 實(shí)驗(yàn)仿真

        3.1線徑測量試驗(yàn)臺

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

        圖7 實(shí)驗(yàn)臺系統(tǒng)

        3.2線徑測量實(shí)驗(yàn)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(guān)系,并在通過RS-232口將數(shù)據(jù)讀到上位PC機(jī),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(guān)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(guān)系;

        (4)擬合的參量回代到單片機(jī)系統(tǒng)中進(jìn)行補(bǔ)償修正;

        3.3線徑測量仿真結(jié)果分析

        在keil中實(shí)現(xiàn)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(yīng)的樣本點(diǎn),該實(shí)驗(yàn)取定中心偏離度-200~200 μm,通過觀察樣本點(diǎn)的誤差,發(fā)現(xiàn)其樣本點(diǎn)的波形類似于周期性的三角波,則可以分段對該波形進(jìn)行一階最小二乘擬合。在Matlab中觀察擬合后的曲線,發(fā)現(xiàn)其擬合效果較好,基本能將誤差控制在±2個(gè)像素點(diǎn),擬合后效果如下。圖9為X方向樣本點(diǎn)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(shù)在keil中進(jìn)行相應(yīng)擬合補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)。

        擬合后的誤差效果基本能控制在-2 μm以內(nèi),因此,擬合補(bǔ)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(jié)束語

        (1)文中利用最小二乘對陰影部分進(jìn)行算法擬合補(bǔ)償,修正了因?yàn)檠苌湓斐傻腃CD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(shù)據(jù)擬合的邊緣檢測算法的基礎(chǔ)上,針對所采集圖像的過程,提出了一種優(yōu)化光學(xué)幾何模型的算法,和普通光學(xué)模型算法相比,改進(jìn)的算法著重分析了優(yōu)化的光學(xué)模型,在分析模型時(shí)不做近似處理,因此算法誤差更小,這也進(jìn)一步增加了測量精度。

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

        參考文獻(xiàn):

        [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(xué)學(xué)報(bào),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(yīng)用.吉林工學(xué)院學(xué)報(bào),1994(4):68-72.

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

        [5]蘇波,王紀(jì)榮.CCD高精度測徑系統(tǒng)的研究.太原理工大學(xué)學(xué)報(bào),2002,(5):506-509.

        [6]ST hac.STM32F103 data sheet,2009.

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

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