黃戰(zhàn)華，張晗笑，曹雨生，陳智林，申苜弘

（天津大學(xué) 精密儀器與光電子工程學(xué)院，光電信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072）

引言

近年來，尼龍[1]、芳綸[2]、光導(dǎo)纖維[3]等高性能的新型人造細(xì)絲大量涌現(xiàn)，如何在工業(yè)生產(chǎn)中進(jìn)行并行化、非接觸和實(shí)時(shí)的陣列細(xì)絲直徑檢測(cè)成為制造商亟待解決的問題。干涉測(cè)徑法[4-5]、衍射測(cè)徑法[6-7]測(cè)量精度較高，但光路復(fù)雜且測(cè)量速度慢，難以實(shí)時(shí)化；掃描測(cè)徑法[8-10]只適合測(cè)量較大直徑的不透明細(xì)絲，成品尺寸大且價(jià)格貴；光電成像測(cè)徑法[11-15]受限于測(cè)量系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸以及計(jì)算效率，檢測(cè)速度較慢，難以陣列化。

為實(shí)現(xiàn)陣列細(xì)絲直徑的實(shí)時(shí)快速檢測(cè)，提出了一種基于CPLD 的陣列細(xì)絲直徑實(shí)時(shí)快速檢測(cè)系統(tǒng)。

1 檢測(cè)原理

本系統(tǒng)采用基于線陣CMOS 的光電成像測(cè)徑法[16]。如圖1所示，成像物鏡將被測(cè)細(xì)絲以放大倍率 β成像在線陣CMOS 上。

圖1 光學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of optical structure

成像物鏡的像方焦距為f′，像距為x′。系統(tǒng)的放大倍率 β為

細(xì)絲的像高為h，線陣CMOS 的光敏單元的尺寸為l，若細(xì)絲的像在線陣CMOS 上所占像元的個(gè)數(shù)為m，則細(xì)絲的直徑d為

線陣CMOS 采集的含有細(xì)絲直徑信息的視頻信號(hào)經(jīng)放大比較電路二值化處理后進(jìn)入CPLD 解算直徑。如圖2 及圖3所示，當(dāng)細(xì)絲透明度較低時(shí)，細(xì)絲像呈現(xiàn)亮-暗-亮的變化，二值信號(hào)呈現(xiàn)出高-低-高的變化；透明度較高的細(xì)絲對(duì)應(yīng)的二值信號(hào)呈現(xiàn)出高-低-高-低-高的變化。

圖2 細(xì)絲像的灰度值-像素關(guān)系示意圖Fig.2 Schematic diagram of gray value-pixel relationship of filament image

圖3 細(xì)絲對(duì)應(yīng)二值信號(hào)的電平-像素關(guān)系示意圖Fig.3 Schematic of electrical level-pixel relationship of binary signals corresponding to filaments

在一個(gè)線陣CMOS 采集周期中，只需得到二值信號(hào)的第一個(gè)下降沿與最后一個(gè)上升沿之間的像素?cái)?shù)，便可計(jì)算出細(xì)絲實(shí)際直徑的大小。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

如圖4所示，陣列細(xì)絲直徑實(shí)時(shí)快速檢測(cè)系統(tǒng)由過程控制單元、數(shù)據(jù)測(cè)量單元和探測(cè)傳感單元組成。每個(gè)數(shù)據(jù)測(cè)量單元對(duì)應(yīng)1 個(gè)主CPLD 芯片、3 個(gè)從CPLD 芯片、24 個(gè)探測(cè)傳感單元，以實(shí)時(shí)檢測(cè)24 條陣列細(xì)絲。

圖4 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of overall structure of system

2.1 探測(cè)傳感單元

探測(cè)傳感單元用來對(duì)細(xì)絲直徑取樣。成像系統(tǒng)按照2 種放大倍率設(shè)計(jì)，0.1 mm～0.3 mm 直徑細(xì)絲的檢測(cè)系統(tǒng)的放大倍率為22.32 倍，0.3 mm～1.0 mm 直徑細(xì)絲對(duì)應(yīng)的放大倍率為6.01 倍，分別對(duì)應(yīng)選用8 mm 和25 mm 焦距的鏡頭。

線陣CMOS 傳感器是系統(tǒng)的關(guān)鍵器件。本系統(tǒng)選用Panavision Imaging 公司的ELIS-1024A 線陣CMOS。其像元尺寸為7.8 μm，最大分辨率為1 024，驅(qū)動(dòng)頻率范圍為1 kHz～30 MHz，在300 nm～900 nm 范圍內(nèi)，其量子效率均大于0.5。

細(xì)絲陣列的小間距對(duì)光源體積提出要求，故系統(tǒng)光源采用白光貼片LED。白光LED 的光的相干性較低，成像時(shí)衍射現(xiàn)象不明顯，可以忽略。

2.2 數(shù)據(jù)測(cè)量單元

數(shù)據(jù)測(cè)量單元由放大比較電路、CY7C68013A芯片、FIFO 芯片以及CPLD 組成。放大比較電路將線陣CMOS 信號(hào)轉(zhuǎn)換為二值信號(hào)。CY7C68013A芯片與FIFO 芯片承擔(dān)數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蝿?wù)。CPLD 負(fù)責(zé)線陣CMOS 驅(qū)動(dòng)信號(hào)的產(chǎn)生、細(xì)絲直徑的計(jì)算、檢測(cè)頻道選擇功能，采用LC4512V 芯片。

主CPLD 內(nèi)部程序邏輯框圖如圖5所示。

圖5 主CPLD 程序邏輯框圖Fig.5 Logic block diagram of main CPLD program

頻率為24 MHz 的外部時(shí)鐘MCLK 信號(hào)經(jīng)分頻器后產(chǎn)生6 MHz 的驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘DCLK 和12 MHz的計(jì)數(shù)時(shí)鐘SCLK。繼而產(chǎn)生頻率5 kHz 占空比0.14 的方波MSTA、5 kHz 的CMOS 讀取信號(hào)DATA以及5 kHz 的計(jì)數(shù)啟動(dòng)信號(hào)MSTP。

當(dāng)讀取新的一幀線陣CMOS 信號(hào)時(shí)，計(jì)數(shù)啟動(dòng)信號(hào)MSTP 產(chǎn)生。MSTP 與RS 觸發(fā)器配合，計(jì)數(shù)器啟動(dòng)，輪詢24 個(gè)細(xì)絲直徑。信號(hào)SEL 選擇相應(yīng)直徑數(shù)據(jù)通過CY7C68013A 芯片與FIFO 芯片傳輸給上位機(jī)。

從CPLD 內(nèi)部程序邏輯框圖如圖6所示，主要負(fù)責(zé)細(xì)絲直徑的測(cè)量并匹配頻道選擇信號(hào)SEL 向主CPLD 傳輸直徑數(shù)據(jù)。

圖6 從CPLD 程序邏輯框圖Fig.6 Logic block diagram of secondary CPLD program

MSTP、SCLK 與RS 觸發(fā)器、計(jì)數(shù)器和判斷邏輯配合，在一幀信號(hào)傳輸完畢時(shí)，產(chǎn)生幀發(fā)送信號(hào)MSEND。

二值信號(hào)CMOS0 經(jīng)檢測(cè)邏輯后產(chǎn)生上升沿信號(hào)CMOHP 和下降沿信號(hào)CMOQP。計(jì)數(shù)器感知CMOQP 開始計(jì)數(shù)；鎖存器感知每個(gè)CMOHP，并將計(jì)數(shù)器當(dāng)前數(shù)值鎖存至信號(hào)MD0。新一幀視頻信號(hào)到來時(shí)計(jì)數(shù)清零。

每個(gè)從CPLD 接收二值信號(hào)CMOS0～CMOS7，分別計(jì)算出8 個(gè)頻道的直徑數(shù)據(jù)MD0～MD7。

2.3 過程控制單元

過程控制單元由上位計(jì)算機(jī)構(gòu)成，負(fù)責(zé)細(xì)絲直徑數(shù)據(jù)的接收與顯示、數(shù)據(jù)測(cè)量單元的參數(shù)設(shè)置、判斷與報(bào)警。

2.4 系統(tǒng)樣機(jī)

如圖7所示，每8 個(gè)探測(cè)成像單元為1 組，總共放置3 組。每組錯(cuò)開1 個(gè)基本細(xì)絲間隔，分3 排放置。

圖7 LED 與細(xì)絲的對(duì)應(yīng)關(guān)系圖Fig.7 Corresponding relations of LEDs and filaments

圖8 為陣列細(xì)絲直徑實(shí)時(shí)快速檢測(cè)系統(tǒng)樣機(jī)。探測(cè)傳感單元的照明系統(tǒng)的內(nèi)部構(gòu)造未顯示在圖中，其由LED 陣列和準(zhǔn)直透鏡陣列組成。成像鏡頭陣列和線陣CMOS 電路板之間添加了遮光筒陣列，以消除不同細(xì)絲測(cè)量單元的光的相互影響。計(jì)算機(jī)型號(hào)為ThinkPad X1 Extreme，具有2 個(gè)USB 3.0 接口，處理器為Intel Core i7-8750H。

圖8 系統(tǒng)樣機(jī)圖Fig.8 Picture of system prototype

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行多直徑陣列細(xì)絲靜態(tài)測(cè)量實(shí)驗(yàn)和動(dòng)態(tài)測(cè)量實(shí)驗(yàn)，使用精度為0.001 mm 的螺旋測(cè)微器對(duì)細(xì)絲量測(cè)定標(biāo)。

3.1 靜態(tài)測(cè)量實(shí)驗(yàn)

保持測(cè)徑系統(tǒng)內(nèi)細(xì)絲的位置不變，對(duì)不同直徑的細(xì)絲進(jìn)行100 次直徑測(cè)量。測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量頻率為5 kHz。

多直徑陣列細(xì)絲靜態(tài)多次測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示，在0.1 mm～1.0 mm 的直徑范圍內(nèi)，細(xì)絲直徑測(cè)量結(jié)果基本穩(wěn)定。

0.122 mm 0.126 mm 0.181 mm 0.259 mm 0.199 mm 0.146 mm 0.289 mm 0.36 0.166 mm 0.233 mm 0.313 mm 0.34 0.32 0.30/mm0.28 0.26值0.24量0.22測(cè)徑0.20直0.18 0.16 0.14 0.12 0.10 020406080100陣列細(xì)絲靜態(tài)測(cè)量實(shí)驗(yàn)序號(hào)(a)0.1 mm~0.3 mm實(shí)驗(yàn)結(jié)果0.298 mm 0.319 mm 0.351 mm 0.385 mm 0.414 mm 0.449 mm 0.482 mm 0.599 mm 0.652 mm 0.717 mm 0.831 mm 0.864 mm 0.950 mm 1.0 0.9/mm0.8值0.7量測(cè)0.6徑直0.5 0.4 0.3 020406080100陣列細(xì)絲靜態(tài)測(cè)量實(shí)驗(yàn)序號(hào)(b)0.3 mm~1.0 mm實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖9 靜態(tài)測(cè)量實(shí)驗(yàn)直徑測(cè)量值Fig.9 Diameter measured values in static measurementexperiment

3.2 動(dòng)態(tài)測(cè)量實(shí)驗(yàn)

實(shí)際測(cè)量時(shí)細(xì)絲相對(duì)于測(cè)徑系統(tǒng)是運(yùn)動(dòng)的，因此分析測(cè)徑系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。令電機(jī)帶動(dòng)細(xì)絲運(yùn)動(dòng)，對(duì)靜態(tài)實(shí)驗(yàn)使用的細(xì)絲進(jìn)行100 次直徑測(cè)量,測(cè)量頻率仍為5 kHz。

如圖10所示，測(cè)量結(jié)果基本穩(wěn)定，但與靜態(tài)相比波動(dòng)變大。

圖10 動(dòng)態(tài)測(cè)量實(shí)驗(yàn)直徑測(cè)量值Fig.10 Diameter measured values in dynamic measurement experiment

3.3 數(shù)據(jù)誤差分析

多直徑陣列細(xì)絲重復(fù)性測(cè)量實(shí)驗(yàn)誤差如表1所示。靜態(tài)和動(dòng)態(tài)重復(fù)性測(cè)量實(shí)驗(yàn)的誤差較小，系統(tǒng)具有并行測(cè)量能力，動(dòng)態(tài)測(cè)量穩(wěn)定性好。

表1 重復(fù)性測(cè)量實(shí)驗(yàn)誤差Table 1 Experimental error of repeatability measurement

在實(shí)際的測(cè)量過程中，測(cè)量誤差受多種因素影響。例如，單像元分辨能力，即單個(gè)像元能夠分辨的尺寸，線陣CMOS 的像元尺寸為7.8 μm，基本決定了測(cè)量精度；照明系統(tǒng)包括高亮度LED 和透鏡，不能提供理想的平行光；成像鏡頭為廣角鏡頭，其畸變會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。

4 結(jié)論

本文提出了基于CPLD 的陣列細(xì)絲直徑實(shí)時(shí)快速檢測(cè)系統(tǒng)。通過陣列化傳感系統(tǒng)，利用CPLD 的可編程性，降低了上位機(jī)與下位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸量，顯著提高了測(cè)量效率。本系統(tǒng)的測(cè)量頻率為5 kHz，量程為0.1 mm～1.0 mm。重復(fù)性測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)在0.1 mm～0.3 mm 以及0.3 mm～1.0 mm 的直徑范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)測(cè)量重復(fù)精度分別為3.5 μm 和8.3 μm，動(dòng)態(tài)重復(fù)性誤差百分比絕對(duì)值分別不超過1.21%與1.43%。

本系統(tǒng)在生產(chǎn)線上實(shí)時(shí)快速檢測(cè)直徑是可行的，滿足了現(xiàn)代生產(chǎn)提出的并行化、非接觸、實(shí)時(shí)測(cè)量的要求。