鋼板厚度測量---光電儀器課程設計

1、<p><b>　　課程設計（論文）</b></p><p>　　題目：鋼板厚度測試儀</p><p>　　系 別： </p><p>　　專 業(yè)： </p><p>　　班 級： </p&g

2、t;<p>　　學 號： </p><p>　　姓 名： </p><p>　　2012年11月12號</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　第1章 引言......................

3、..................................................................................1</p><p>　　1.1 研究的背景和意義...................................................................................1</p><p&

4、gt;　　1.2 國內外研究狀況......................................................................................1</p><p>　　第2章 測量原理和方法論證..............................................................................2&l

5、t;/p><p>　　2.1 檢測系統(tǒng)的測量原理..............................................................................2</p><p>　　2.2 方案的可行性分析3</p><p>　　2.3 本章小結4</p><p>　　第3章 系統(tǒng)設計4<

6、/p><p>　　3.1 光學系統(tǒng)設計4</p><p>　　3.2機械結構設計......................................................................................... 5</p><p>　　3.3 電路系統(tǒng)設計6</p><p>　　3.4 計算機軟

7、硬件系統(tǒng)設計15</p><p>　　第4章 精度分析18</p><p>　　4.1 電路對測量精度的影響18</p><p>　　4.2 誤差分析18</p><p><b>　　第5章 總結19</b></p><p>　　參考文獻.........................

8、..................................................................................... 20</p><p><b>　　第一章 引 言</b></p><p>　　§1.1研究背景和意義</p><p>　　傳統(tǒng)的測量方法開始于接觸式測量，這種測量方

9、法檢測效率低，勞動強度大，而且會使測量儀器的檢測頭發(fā)生磨損，從而造成儀器的測量精度下降。毋庸置疑，科技的發(fā)展和社會的進步還沒達到一個高度。因此，在現(xiàn)代板材生產(chǎn)中，不論是軋制過程中還是最終產(chǎn)品的調整中，為獲得較高的板材命中率和最佳的軋制過程及剪切效果，板材尺寸測量系統(tǒng)已成為生產(chǎn)線上不可缺少的設備之一。</p><p>　　第一臺接觸式速續(xù)測厚儀大約出現(xiàn)在1930年。操作者用這臺側厚儀器去側量銅材的厚度時, 必須把它

10、推向待側的鋼帶, 用機械的方法來測量距帶材邊沿幾寸范圍內的金屬材料的厚度。這種測量方法使用極其不便，而且測量精度也很低。在我們看來，一般的物體尺寸的測量，無非長、寬、高（厚），三個方面，而厚度測量是生產(chǎn)中最常見的測量內容之一,常用量具是游標卡尺或千分尺,這些量具在使用時都必須和工件接觸,雖然接觸壓力不大,但對一些特殊工件,在測量時不允許量具和工件接觸,否則會在工件表面上留下壓印或劃痕，甚至有些測量環(huán)境環(huán)境下很難或無法進行接觸式測量，那么

11、，這就需要有一種新的方法來代替接觸式測量. 隨著科技大發(fā)展和生產(chǎn)力的要求，非接觸式的測量方法出現(xiàn)了。第一臺成功的非接觸式自動測厚儀應用了X射線吸收技術。從此，非接觸式測量方法開始了迅猛發(fā)展，其強大的功能和優(yōu)點無法使傳統(tǒng)的接觸式測量望其項背，也為人類社會的發(fā)展，工業(yè)文明的進步做出了巨大的貢獻。</p><p>　　激光測厚儀是近年來開發(fā)出的高科技實用型設備, 是用于熱軋生產(chǎn)線上時在線式連續(xù)測量成材厚度的非接觸式測量

12、設備。它有效地改善了工作環(huán)境, 具有測量準確、精度高、實用性好、安全可靠、無輻射、非接觸式測量等人工測量及其它測量方法無法比擬的優(yōu)點, 并為軋制鋼材厚度控制提供了準確的信息, 從而提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質量, 降低了勞動強度度。激光測厚儀使用兩年多以來, 具不完全統(tǒng)計, 因板厚誤差造成的廢品率下降了50%以上, 創(chuàng)經(jīng)濟效益上億元, 廣泛地受到人們的肯定與贊賞。我們有理由相信，在未來的發(fā)展過程中，激光測厚儀作為非接觸測量領域的一個重要分支將

13、更能發(fā)揮其作用。</p><p>　　§1.2國內外研究現(xiàn)狀</p><p>　　近50年來，隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)和加工技術的發(fā)展，對于加工零件的檢測速度與精度有了更高的要求，向著高速度、高精度、非接觸和在線檢測方向發(fā)展。利用CCD 技術對產(chǎn)品表面質量進行實時檢測、動態(tài)測量，具有結構簡單、非接觸、精度高、測量速度快、性能穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。攝像頭的主要傳感部件是CCD，它具有靈敏度高、畸變

14、小、壽命長、抗震動、抗磁場、體積小、無殘影等特點。</p><p>　　CCD 產(chǎn)業(yè)前七大廠商皆為日系廠商，占了全球98.5％的市場份額，在技術發(fā)展方面，主要廠商應為索尼、飛利普，NEC和柯達公司。</p><p>　　國內目前鋼板測寬儀,其結構復雜,控制繁瑣,需要標定，以及及時維護,實時操作性差。而本文所要研究的，是在原有的鋼板在線測寬儀的基礎上，提出了一種改良型的系統(tǒng)。系統(tǒng)中采用經(jīng)濟的

15、線陣CCD 成像系統(tǒng),應用CPLD 與單片機結合采集與處理測量數(shù)據(jù)，和邊緣細化技術提高測量精度。整套系統(tǒng)結構簡潔,成本低廉,抗干擾性能好，調試方便。</p><p>　　第二章 測量原理和方案論證</p><p>　　§2.1激光三角法的基本原理</p><p>　　激光三角法的基本原理,由光源發(fā)出的一束激光照射在待測物體平面上 ,通過反射最后在檢測器上成

16、像。物體表面的位置發(fā)生改變時,其所成的像在檢測器上也發(fā)生相應的位移。通過像移和實際位移之間的關系式 ,真實的物體位移可以由對像移的檢測和計算得到。</p><p>　　其中：是投影光軸與成像物鏡光軸的夾角α；β是光電測試器受光面與成像物鏡光軸的夾角，而s和s’分別是物距和像距,d是傳感器上的成像點的偏移 ,而δ為實際的物體表面的偏移。系統(tǒng)的相關參數(shù)為：偏置距離D為從傳感器到被測表面參考點的距離;測盤范圍為最大能檢

17、側到的物體表面的偏移,即|δ|引的最大值；測量精度,傳感器的最小測量單位；分辨率一般指測量的縱向分辨率 ,為測量精度和測量范圍之比；橫向分辨率為待測物體表面上所取測量點的最小間距。為了實現(xiàn)完美聚焦 ,光路設計必須滿足斯凱普夫拉格條件；成像面、物面和透鏡主面必須相交于同一直線 , 如下圖2.1中X點所示。系統(tǒng)的非線性的輸人輸出函數(shù)為：</p><p><b>　?。?.1）</b></p

18、><p><b>　?。?.2）</b></p><p>　　其中：為三角測量系統(tǒng)的固定參數(shù)。當物體偏轉δ較小時，(2.1)以近似為線性關系：</p><p><b>　　（2.3）</b></p><p>　　圖2.1 激光三角法的原理框圖</p><p>　　激光三角法的另一

19、項重要的參數(shù)為線性度,就是三角測量法輸人和輸出關系線性近似程度?？梢宰C明,在三角測量中,可以通過縮小測量范圍,增大接收透鏡的共扼矩,增大三角測量系統(tǒng)的角度,縮小接收透鏡的放大倍率,達到線性測量的結果。</p><p>　　此外,由(2.1)式對d求導,得到輸入輸出曲線的斜率,即激光三角法的放大倍率ρ：</p><p><b>　?。?.4）</b></p>

20、<p>　　§2.2 方案的可行性分析</p><p>　　根據(jù)2.1節(jié)，系統(tǒng)主要由以下幾部分構成：1)．光電轉換；2)．信號采集與處理的硬件實現(xiàn)；3)．信號采集與處理的軟件實現(xiàn)；4)．信號與上位機的通信。</p><p>　　對于信號采集部分，現(xiàn)有的信號采集結構按其是否與信號處理部分分離可分為以下幾類：第一種是模擬輸入專用信號采集系統(tǒng)，該類系統(tǒng)將采集卡放置在計算

21、機內部，采集卡的作用是進行A/D轉換并通過計算機總線將數(shù)據(jù)送入計算機內存，用軟件實現(xiàn)處理；第二種是模擬輸入采集處理一體化結構，此種結構是將采集、量化集成到一塊板卡上，一般由輸入輸出接口、A/D轉換數(shù)字化單元、高速緩沖區(qū)和微處理單元構成，這種結構設計大大減輕了計算機的處理負荷，但增加了電路設計實現(xiàn)的難度；第三種是數(shù)字輸入，是采集和處理部分分離的采集系統(tǒng)，這類系統(tǒng)的前端是數(shù)字輸出的CCD相機，輸出的數(shù)字化信號直接接入處理器，這種采集結構傳輸

22、距離長、受外部干擾小開發(fā)簡單。</p><p>　　經(jīng)過對上述幾種采集結構的分析，了解到第一種耗費計算機資源，實時性不高，不適合大量數(shù)據(jù)的實時處理；第二種是基于母板的二次開發(fā)，仍然受到一定的限制；第三種處理結構是為線陣CCD相機專門設計的處理系統(tǒng)，用戶接口考慮到與相機積分時間同步，采用LVDS格式的數(shù)據(jù)串行傳輸，開發(fā)相對簡單、成本低，因此，我們采用第三種數(shù)據(jù)采集結構。</p><p>　　

23、激光輔助測量法，采用了線結構光。激光從激光器發(fā)出,經(jīng)過柱面透鏡后匯聚成寬度很窄的光帶,稱為結構光。該光平面以一定角度入射在工件上,在工件上產(chǎn)生反射和散射，并可已知投影光線的空間方向。這種光源有多優(yōu)勢。此外，這種測量方法較激光三角法和偏轉差值法有結構簡單的優(yōu)勢。所以我們采用激光輔助測量法。</p><p><b>　　§2.3本章小結</b></p><p>

24、　　本章首先了介紹了尺寸檢測系統(tǒng)的整體設計方案，接下來分別闡述各模塊設計的理論依據(jù)。在此基礎上引出了本課題的技術方案和可行性分析及其性能特點。</p><p><b>　　第三章 系統(tǒng)設計</b></p><p>　　§3.1光學系統(tǒng)設計</p><p>　　光學系統(tǒng)對成像質量有著十分重要的意義，它直接影響成像系統(tǒng)的工作距離、視場、分

25、辨率、靈敏度和畸變等多項性能參數(shù)。對其基本要求是成像清晰、透光率強、雜散光少、像面照度分布均勻、圖像畸變小、足夠的相對孔徑等。</p><p>　　箱體通過支架固定于鋼板正上方4米的平臺，平臺上安裝微調裝置。該裝置可在橫向、縱向、垂直方向調節(jié)相機，使鋼板正好可以成像到CCD中央位置。設備安裝時用帶有發(fā)光管(發(fā)光光譜近似880鋼板的發(fā)光光譜)的標準長尺，對CCD相機進行標定。調節(jié)微調裝置，使發(fā)光管詐好成像于CCD光

26、敏陣列中央位置上，說明此時相機位置合格，可以進行在線檢測。</p><p>　　設生產(chǎn)線上鋼板寬度在2米左右，而所選CCD光敏面尺寸只有20.48mm，所以為使鋼板寬度信息能完整的成像在光敏面上，相機最前端需要加一個光學鏡頭。合理選擇并安裝光學鏡頭是保證清晰成像并獲得正常視頻信號的關鍵。各種CCD光學鏡頭種類繁多，光學鏡頭的主要參數(shù)都不盡相同，合適的參數(shù)指標應根據(jù)不同接口、CCD光敏面光學格式、光圈、視場、焦距、

27、F數(shù)等來確定。</p><p>　　根據(jù)待檢鋼板與傳感器的參數(shù)，我們進行成像鏡頭的參數(shù)計算，主要從成像要求和照度匹配兩方面來考慮鏡頭的選擇。本系統(tǒng)中選用鏡頭焦距35mm，相機安裝在距鋼板4m高的地方。圖3-1是簡化的鏡頭成像原理圖。</p><p>　　圖3.1 鏡頭成像原理圖</p><p>　　圖中，物距為u，像距為v，像尺寸lx，物體尺寸LX，鏡頭焦距f，半視

28、角60。</p><p>　　對于檢測系統(tǒng)來說，由于CCD有效光敏面長度I=2048×10 μm=20.48mm，鋼板寬度2m，則放大率13應滿足如下要求：</p><p><b>　　(3-1)</b></p><p>　　又根據(jù)牛頓成像公式：</p><p>　　(3-2) &l

29、t;/p><p>　　可知 (3-3)</p><p>　　所以系統(tǒng)中選擇焦距為35mm的F口接口鏡頭。此時放大倍數(shù)：</p><p><b>　　半視角:</b></p><p><b>　　(3-4) </b></p&g

30、t;<p><b>　　，則視場角大于。</b></p><p>　　對于寬度為2m鋼板成像大小，鋼板可完全成像到CCD像敏面上，符合測量系統(tǒng)要求。</p><p>　　§3.2機械結構設計</p><p>　　行走機構主要由步進電機、滾珠絲杠副、滑動導軌組成，采用的是絲杠轉動螺母移動的方法。步進電機的轉軸通過聯(lián)軸器和絲

31、杠直接連接，絲杠跟隨電機一起轉動，從而把電機的轉動轉化為螺母的移動。螺母上固定有螺母座，而螺母座又與安裝在導軌滑塊上的工作臺底板連接，最終把電機的轉動轉化為工作臺在導軌上的平動，實現(xiàn)傳感器的位置移動。</p><p>　　3.2.1 步進電機的驅動</p><p>　　系統(tǒng)行走機構的驅動是以步進電機作為主動元件的，如何控制步進電機的運動是現(xiàn)厚度實時測量的一個重要內容，傳感器相對于被測鋼板的

32、運動是通過步進電機有規(guī)律的轉動實現(xiàn)的，為了完成鋼板厚度參數(shù)的采集，步進電機的驅動系統(tǒng)應該具有下列功能：步進電機能夠啟動和停止；能夠實現(xiàn)正轉和反轉；步進電機能夠在任何位置鎖定。</p><p>　　在測量過程中，為了提高運動精度，步進電機以三相六拍方式工作。本系統(tǒng)采用配套的步進電機驅動器進行控制。其特點是：驅動器性能對電機的依賴性極小，不同參數(shù)電機均可獲得優(yōu)異性能；具有多種細分模式；具有脫機控制信號；電機位置掉電記

33、憶；靜止時半自動電流鎖定；輸入輸出信號光電隔離。把以上計算所得數(shù)據(jù)與FFZD3205-3型滾珠絲杠的各項參數(shù)比較，可知該型號絲杠完全滿足設計要求。</p><p>　　3.2.2 測量部分的設計</p><p>　　測量部分是通過測量鋼板的實際厚度和標準厚度的偏差來進行厚度測量的。測量前先用標準量塊代替標準鋼板對傳感器進行零點調節(jié)，具體的做法是先調節(jié)測頭到鋼板的距離，使其在傳感器的測量范圍

34、內，然后通過傳感器的控制器對傳感器進行復位，此時傳感器的模擬輸出電壓值為零。測量時，若鋼板的實際厚度與標準厚度存在偏差，即鋼板上表面相對于傳感器發(fā)生位移變化，傳感器便輸出一定量的模擬電壓。模擬電壓輸出值與厚度偏差值存在固定的線形關系，我們由這個線形關系便可推算出鋼板的實際厚度。</p><p>　　§3.3電路系統(tǒng)設計</p><p>　　CCD的輸出信號是脈沖信號，其中既包含被

35、測尺寸的信息，又含有大量的復位噪聲和電子系統(tǒng)的白噪聲，使得有用信號難以提取。由于CCD本身的感光單元有一定間距，加上照明光源在視場內光強分布的不均勻性，CCD本身的光敏不均勻性、轉移損失以及光源在通過待測目標邊緣時的衍射現(xiàn)象等原因，使得CCD輸出不會是理想的0/1信號，導致CCD輸出信號波形在輪廓邊緣處有一漸緩的過渡區(qū)，而且這一過渡區(qū)隨著輪廓在視場中位置的變化而變化，這一變化直接影響捕捉真正代表物體邊緣的特征點，進而影響測量精度。因此，

36、如何從CCD的輸出信號中提取出真正代表物體邊緣的特征信息，是測量的難點所在。由于被測物體的邊緣是通光和擋光的交界點，理論上該處的光強變化率最大，該點就是濾波后的視頻信號電壓函數(shù)u=u(t)在過渡區(qū)內的拐點，由高等數(shù)學的知識知道，在拐點處，電壓函數(shù)的一次微分為最大值，二次微分為零。電路便于尋找為零的點?；诖?，可設計微分法處理電路提取測量信號。</p><p>　　圖3.3.1未放工件輸出信號</p>

37、<p>　　圖 3.3.2 放工件輸出信號</p><p>　　觀察CCD的輸出波形，發(fā)現(xiàn)原始信號上附加有許多細小的“毛刺”，</p><p>　　為了準確地從中提取出有用的信號成分，必須盡可能地抑制或消除各種噪聲干擾。歸納起來主要有以下幾種方法：1）低通濾波法(LFS)2）雙斜率積分法(DSI)3）嵌位切除法(CCS)4）相關雙取樣(CDS) </p>

38、<p>　　CCD的輸出信號幅值為2V～3V，可以直接進行信號處理，不需要放大環(huán)節(jié)。信號處理原理圖如圖3.3.3所示：</p><p>　　圖 3.3.3 信號提取電路示意圖</p><p>　　§3.3.1低通濾波器</p><p>　　圖3.3.4二階有源低通濾波器的實用圖</p><p>　　在對CCD輸出信號二值化

39、之前要對噪音進行抑制，主要抑制寬帶白噪聲。壓控電源低通濾波電路是由兩節(jié)RC濾波電路和同相比例放大電路組成，其中同相比例放大電路實際上就是壓控電源，同相比例放大電路的電壓增益就是低通濾波器的通帶電壓增益，即A0=AVF=1+Rb/Ra</p><p>　　由圖可得電路的傳遞函數(shù)為：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>

40、　　又因AVF=1+Rb/Ra(AVF為集成運放壓控電源增益)，則有：</p><p><b>　　（3-2）</b></p><p>　　為二階低通濾波電路傳遞函數(shù)的典型表達式。其中wn2=1/R1R2C1C2為特征角頻率，而Q為等效品質因數(shù)。為了求出二階有源低通濾波器的頻率響應，可令s=jw，由此可求得幅頻響應和相頻響應分別為：</p><p&

41、gt;<b>　?。?-3）</b></p><p>　　§3.3.2相關雙采樣</p><p>　　CCD圖像傳感器的輸出信號是圖像采樣的離散模擬信號，無論是線陣還是面陣，其中夾雜著各種噪聲和干擾成分，極大地影響了CCD的成像質量。CCD信號處理的目的就是在不損失圖像細節(jié)前提下盡可能消除噪聲的干擾，保證在其工作動態(tài)范圍內，提高信噪比，取得高質量的圖像，以便

42、準確地提取出各像元中的信號成分。由于CCD器本身具有積分效應，從而使得外部的噪聲被大大的消除，CCD輸出的視頻信號包含大量的噪聲，主要有光子散彈噪聲、暗電流噪聲、輸出放大器產(chǎn)生的復位噪聲。而器件本身的噪聲主要分為3類:散粒噪聲,暗電流噪聲和平移噪聲。</p><p>　　消除的方法很多，主要采用的有低通濾波、相關采樣、微分取樣法、反射延遲法等，由于相關雙采樣電路具有抑制噪聲效果好，引入噪聲小，工作頻率高，電路簡單

43、和易于集成化等優(yōu)點，適合高性能CCD信號處理。相關雙采樣法</p><p>　　圖 3.3.5 相關雙采樣</p><p>　　實現(xiàn)相關雙采樣電路基本電路如圖3.3.5所示，在t1～t2期間對復位電平進行第一次采樣，C2電容保持的電壓為KTC噪聲、復位失調電壓與復位電平的疊加。而第二次采樣在t3～t4之間，C3電容保持的電壓為KTC噪聲、復位失調電壓和有用視頻信號的疊加。兩次采樣間隔為Tg

44、。輸出信號為兩次采樣值進行相減后所得的信號電壓。</p><p>　　CCD輸出結構圖如圖3.3.6所示：</p><p>　　圖3.3.6 CCD 輸出結構圖</p><p>　　在每一個像元周期開始、信號電荷到達之前，復位脈沖到來使復位開關接通在存儲電容上CS復位一個復位電平，由于復位開關熱噪聲的影響，常使CS上的復平偏離這一理想位置，這段偏離量就是復位噪聲。當

45、信號電荷到來時，復位開關截信號電荷注入到已被復位的CS上使CS上電位降低ΔV，這樣輸出緩沖放大器源極也變化。這一過程主要完成把CCD光電的信號電荷量轉換成以電壓形式輸出的視頻信復位脈沖到來一次，CCD就輸出一個像元信號，所以在一個像元周期內復位開關產(chǎn)復位噪聲也將保留到下一個像元周期開始，復位噪聲在復位電平和視頻電平期間在。復位電平與視頻電平之間差值ΔV的大小與CCD光電信號電荷的大小成正比，是說CCD輸出的有用信號是ΔV，采用相關雙采樣

46、技術就是通過對復位電平與視頻分別進行采樣，將兩個采樣信號通過一個差動電路得到ΔV，這一過程就把與復位和視頻電平都相關的復位噪聲濾除了。</p><p>　　相關雙采樣電路輸出信號及采樣時序如圖3.3.7所示。</p><p>　　圖 3.3.7 相關雙采樣輸出信號及采樣時序</p><p>　　在實驗中，我們采用TL1591型采樣/保持放大器來完成相關雙采樣功能，T

47、L1591具有15MHz采樣速率，30ns采集時間和25MHz工作帶寬等優(yōu)良性能。</p><p>　　§3.3.3差分放大電路</p><p>　　VS為有用視頻信號輸出，CS為輸出復位電平信號。因此，在外部電路采用差分比例運算電路時，把這兩個信號加到差分比例運算電路的兩個輸入端即可很好地消除噪聲，并可得到有用信號。下面對差分比例運算電路進行一下分析：首先，我們設VS輸出的CC

48、D信號（含噪聲）電壓為Ui1，CS端輸出信號電壓為Ui2。這里，我們知道Ui1=Ui2+UCCD（其中UCCD為不含噪聲的CCD輸出信號），實際上，我們可以把Ui和Ui′這一對輸入信號看成是一對共模信號和一對差模信號組成。若將兩個輸入信號分別寫成下列兩個分離之和：</p><p>　?。?-4）則可以看出兩個輸入信號中第一個分量的數(shù)值和相位均相同，符合共模信號的定義第二個分量的數(shù)值相同而相位相反，符合差模信號的定

49、義。因此這樣一對任意信號就可以表示為一對共模信號和一對差模信號之和。即</p><p>　　（3-5）其中：Uic1為差分比例運算電路的共模輸入電壓。Uid1為差分比例運算電路的差模輸入電壓。因此差分電路的差模輸入電壓為：</p><p><b>　?。?-6）</b></p><p>　　差分比例運算電路如圖3.3.8所示：</p>

50、;<p>　　圖 3.3.8 差分比例運算電路</p><p>　　差分比例運算電路中若RF=Ri，則Uo=UCCD所以我們將Vs端接在差分比例運算電路的正相輸入端，Cs接在差分比例運算電路的反相輸入端，以保證CCD輸出信號為正向信號。</p><p>　　§3.3.4微分電路</p><p>　　圖3.3.9 基本微分電路及微分電路的階躍響

51、應</p><p>　　如圖3.3.9所示：微分電路的輸出電壓與輸入電壓成微分關系。對于基本微分電路，其輸入ui與輸出uo之間滿足關系：</p><p><b>　?。?-7）</b></p><p>　　表明，輸出幅度隨輸入頻率的增加而線性增加，因此該電路對高頻噪聲特別敏感，以致噪聲可能完全淹沒微分信號。其次，考慮基本微分電路的RC環(huán)節(jié)對反饋

52、信號具有滯后作用，它和集成運放內部電路的滯后作用合在一起，在RC參數(shù)選擇不當會引起自激振蕩。實用的微分電路如圖3.3.10所示，加一小電阻R6與微分電容C6串聯(lián)，提高電路抗干擾的能力。R7與C7并聯(lián)，起相位補償作用。R8與C8起阻抗匹配作用。</p><p>　　該電路輸入ui與輸出uo之間滿足關系：</p><p><b>　　（3-8）</b></p>

53、<p>　　為了減小誤差，提高運算精度，同時電路能夠穩(wěn)定的工作，要求 R6選小點，R7選大點，并且滿足1/R6C6=1/R7C7關系為最佳。實際中選R6=50Ω、C6=10nF、R7=50KΩ、C7=10pF、R8=50Ω、C8=10nF。</p><p>　　圖3.3.10實用微分電路</p><p>　　§3.3.5絕對值電路</p><p&

54、gt;　　圖3.3.11絕對值處理電路</p><p>　　如圖3.3.11所示絕對值電路，又稱全波整流電路。該電路的輸出電壓等于輸入電壓的絕對值，即uo=|ui|，故稱為絕對值電路。絕對值電路處理電路的工作原理：當輸入電壓為負時，線性檢波電路不工作。此時，輸入電壓通過電阻R5，加到反相放大器的反相輸入端。取電阻R5=R8，則電路的放大倍數(shù)等于-1。因而在輸出端產(chǎn)生正的輸出電壓。由于輸入電壓是正電壓，所以線性檢波

55、器工作，此時a點的輸出電壓為-ui。一方面，正的輸入電壓ui在b點為+ui。另一方面，線性檢波器的輸出電壓-ui，通過電阻加到b點上。但是,電阻R4阻值比電阻R8小1/2。所以被供給兩倍的反相電流，使反相放大器產(chǎn)生正的輸出電壓。這樣就完成了全波整流。但是,上述絕對值放大電路工作原理的剖析，是在電阻R4與R8之比必須為1/2的情況下做出的。實際使用時，取R1=R2=R4=10KΩ，R5=R7=20KΩ，R3=R6=5KΩ</p>

56、;<p>　　§3.3.6過零觸發(fā)電路</p><p>　　過零觸發(fā)電路，可將正弦波變換成無相位誤差的方波。另外，還可產(chǎn)生觸發(fā)脈沖。</p><p>　　圖3.3.12 過零觸發(fā)電路</p><p>　　如圖3.3.12所示，輸出電壓uo值由穩(wěn)壓二極管的齊鈉電壓所決定。如果采用05Z5.6A型穩(wěn)壓二極管，該二極管的齊鈉電壓約為6.3V，如果采

57、用02BN2.7型穩(wěn)壓二極管，該二極管的齊鈉電壓約為3.5V，所選穩(wěn)壓二極管型號不同，輸出電壓不同。</p><p>　　§3.4計算機軟硬件系統(tǒng)設計</p><p><b>　　1）圖像坐標系</b></p><p>　　攝像機采集的數(shù)字圖像在計算機內可以存儲為數(shù)組，數(shù)組中的每一個元素(象素，pixel)的值即是圖像點的亮度(灰度)

58、。如圖3.3所示，在圖像上定義直角坐標系u-v，每一象素的坐標(u,v)分別是該象素在數(shù)組中的列數(shù)和行數(shù)。故(u,v)是以象素為單位的圖像坐標系坐標。</p><p><b>　　圖3.4.1</b></p><p>　　2）攝其中s'表示因攝像機成像平面坐標軸相互不正交引出的傾斜因子。</p><p><b>　　像機坐標系

59、</b></p><p>　　攝像機成像幾何關系可由圖3.4.1表示，其中O點稱為攝像機光心，軸和軸與成像平面坐標系的x軸和y軸平行，軸為攝像機的光軸，和圖像平面垂直。光軸與圖像平面的交點為圖像主點O'，由點O與軸組成的直角坐標系稱為攝像機坐標系。OO'為攝像機焦距。</p><p><b>　　圖 3.4.2</b></p>

60、<p>　　3) 測量系統(tǒng)攝像機參數(shù)的確定</p><p>　　在測量系統(tǒng)中，由于無論鋼板厚度如何變化，鋼板始終和激光面有條交線，即鋼板厚度方向。與z軸方向無關，因此使用平面標定．將標定板放在激光面上，以垂直于標定板的方向為z軸，以平行和垂直于鋼板寬度的方向在標定板上建立平面直角坐標系。選取圓的中心為標定點．兩個相鄰圓心之間的距離是1mm，根據(jù)選取的坐標系。這些標定點在激光面上的位置是已知的，通過獲取

61、其對應的圖像坐標確定攝像機的12個內外參數(shù)．從而完成標定工作。由一組已知的世界坐標系的點以及對應在圖像坐標系的點可以確定兩個方程。因此，要確定攝像機的內外參數(shù)，需至少知道6組這樣的點．而所采用的靶標可以提供充足的特征點．利用最小二乘法確定各個攝像機的內外參數(shù)。利用圖像坐標與世界坐標之間存在的關系。由應用光學理論可知，在完全理想的情況下，圖像坐標(x，y)和世界坐標(X，Y，Z)(假設Z=O)應是比例關系。然而由于存在畸變，以及CCD攝像

62、機安裝的誤差(與光軸不垂直)．使這一比例關系發(fā)生改變，而導致它們存在非線性關系。這一對應關系根據(jù)精度要求的不同可采用不同的模型描述，根據(jù)問題的實際情況．用二元二次多項式簡化模型就可精確描述．建立的數(shù)學模型如下：</p><p>　　式中，是12個待定參數(shù)。需要6組已知的點，為了精確，這里采用更多的點，用最小二乘法確定這12個參數(shù)。</p><p><b>　?。ㄊ?.3）<

63、/b></p><p>　　將式3.3寫成矩陣形式： (式3.4) </p><p>　　則根據(jù)最小二乘法可以得到： （式3.5）</p><p>　　實驗中選取25個點，應用灰度重心法提取標定點圖像的坐標，利用公式3.5用Matlab編程可得到12個參數(shù)，得到相機轉換矩陣，便可實現(xiàn)圖

64、像坐標與實際坐標的轉換。</p><p><b>　　第四章 精度分析</b></p><p>　　§4.1電路對測量精度的影響</p><p>　　由于外界環(huán)境及電路自身元器件的不穩(wěn)定性，會使得測量結果偏離理想狀況，下面主要介紹零點漂移現(xiàn)象及其產(chǎn)生的原因</p><p>　　1、什么是零點漂移現(xiàn)象：ΔuI＝0

65、，ΔuO≠0的現(xiàn)象。</p><p>　　2.產(chǎn)生原因：溫度變化，直流電源波動，器件老化。其中晶體管的特性對溫度敏感是主要原因，故也稱零漂為溫漂。</p><p>　　3.克服溫漂的方法：引入直流負反饋，溫度補償。典型電路：差分放大電路</p><p><b>　　§4.2誤差分析</b></p><p>　　

66、產(chǎn)生誤差的原因較多，有些是可以采取一定方法避免或減小的，有些則是在設計中固有的或是客觀環(huán)境中存在的，是不可避免的?？傮w來說可以分為實驗條件產(chǎn)生誤差，系統(tǒng)硬件產(chǎn)生誤差以及軟件算法引起誤差等。</p><p>　　(1)實驗條件引起誤差</p><p>　　主要是由于在實驗室無法創(chuàng)造與工業(yè)現(xiàn)場完全相同的條件。實驗室無法模擬軋鋼現(xiàn)場溫度、灰塵、電機震動等各種復雜因素，實驗環(huán)境要理想許多；電爐加熱

67、溫度不能完全達到工業(yè)現(xiàn)場鋼板溫度；實驗測量相機高度及鏡頭選擇與軋鋼現(xiàn)場選擇不同。同時人工測量的是冷卻后鋼板寬度作為標度，但CCD采集的是熾熱鋼板寬度，由于熱脹冷縮，這也會引起試驗誤差。</p><p>　　(2)系統(tǒng)硬件引發(fā)誤差</p><p>　　理想狀況下CCD應該固定在與測量鋼板垂直的正上方，但在實驗時CCD相機位置固定時容易發(fā)生晃動，使成像大小發(fā)生變化，從而影響本系統(tǒng)的測量精度。C

68、CD像元尺寸也是影響測量精度的一個因素，主要表現(xiàn)在邊緣檢測時，像元尺寸越小，檢測精度越高。另外實驗時兩塊擋板平行才能模擬鋼板，但人為因素造成擺放擋板不能絕對平行，這一點可以通過測量擋板間多點間距求平均值作為實際測量值來修正。</p><p>　　(3)軟件算法引起的誤差</p><p>　　雖然在系統(tǒng)設計時考慮到采用硬件電路對信號進行處理會引入更多誤差，但是每一種軟件算法都有其自身的局限性

69、。本系統(tǒng)使用單片機作為微處理器，單片機計算速度比較慢，片上資源有限，這些都制約了我們軟件算法設計時，只能選擇實現(xiàn)簡單，耗時少的濾波及二值化算法，這些算法固有的局限性都會使最終計算結果產(chǎn)生誤差。</p><p>　　設計過程中的誤差分配指定一個合理的誤差量（根據(jù)儀器設計精度δ）分配給上述電器產(chǎn)生的隨機誤差項，特別是分配給光源，以便獲得光源的選擇參數(shù)和穩(wěn)定性參數(shù)，同時可以適當?shù)胤峙浣oCCD傳感器，電路，數(shù)據(jù)采集等環(huán)節(jié)

70、。</p><p>　?。?）光源不穩(wěn)定引起的誤差（2）CCD感光單元靈敏度不均勻誤差（3）單片機硬件計數(shù)存在誤差（4）環(huán)境造成的影響</p><p>　　由分析可以得到如下系統(tǒng)誤差：1）光源發(fā)散角引起的誤差Δll，2）成像鏡頭引起的誤差Δes，3）被測工件傾斜引起的系統(tǒng)測量誤差Δmt，4）被測工件不均勻性引起的誤差Δmm。</p><p>　?。?）光源發(fā)散角引起

71、的誤差（2）成像鏡頭引起的誤差（3）被測工件傾斜引起的系統(tǒng)測量誤差（4）被測工件不均勻性引起的誤差</p><p>　　儀器的總誤差來源為： </p><p><b>　　第五章 總結</b></p><p>　　在這次課程設計的過程中，我們每個人的著重點不一樣，從查閱資料到選材料再到做成要求的格式，然后不斷修改使其看起來更有邏輯性和條理性，我

72、們每個人都遇到了大大小小的困難，但這更促進了我們之間的交流，也深深體會到了這次課程設計的意義。鋼板尺寸在線檢測系統(tǒng)研究對于在軋鋼現(xiàn)場實現(xiàn)自動化檢測鋼板尺寸有著重要的意義。本文在研究國內外檢測系統(tǒng)現(xiàn)狀的基礎上，設計了基于線陣CCD與單片機的實時測量系統(tǒng)。本系統(tǒng)重點利用STC89LE52RC、BASLER Ll0lk型2048像元的線陣CCD設計，經(jīng)過研究試驗選擇了適合采集系統(tǒng)的光學鏡頭，使鋼板尺寸信號完全成像于CCD光敏像元上，單片機接收

73、CCD信號并對其進行處理，得到鋼板實際尺寸信息。本課題的研究是以線陣CCD--光電傳感器TCD1501D 及光學鏡頭為基礎構建的光學測量系統(tǒng)，對CCD的輸出信號采用微分法提取被測工件的邊緣信息，由單片機對數(shù)據(jù)進行處理完成測量工作。本文從光學系統(tǒng)設計入手展開研究：包括測量直徑系統(tǒng)的構建、線陣CCD測量器件的選擇、光學鏡頭的設計及實驗研究，同時對系統(tǒng)組成的硬件電路、程序設計做了相應的介紹。綜上所述，本課題的研究主要做了以下方面的</p

74、><p>　　1）設計了基于線陣 CCD 的直徑測量系統(tǒng)。包括線陣 CCD 的選型，光源的選取，光學鏡頭的設計，介紹線陣 CCD 光學測量原理。</p><p>　　2）本論文從實驗上實現(xiàn)了使用 CCD 技術進行非接觸測量，特別是對輸出信號不采用傳統(tǒng)意義上的閾值處理法，而采用微分法對工件的邊緣信號進行提取，用 MSP430F149單片機進行數(shù)據(jù)處理并編制相應的程序。</p>&l

75、t;p>　　3）用 CCD 測徑系統(tǒng)對幾組直徑做實驗研究，分析了測量系統(tǒng)的誤差。由測量結果可知，測量精度在±5μm之內。如果從以下幾個方面進行改進，可以得到更高的測量精度。</p><p>　　（1）光學系統(tǒng)的設計、光學系統(tǒng)的準確調節(jié)、鏡頭裝調和校驗。</p><p>　?。?）測量時，若 CCD 感光面與像面不重合，CCD 將接收到模糊的圖像信息，造成測量誤差，以后可以采

76、用增加瞄準部分來解決。CCD 傳感器的像元尺寸的幾何位置精度高，可靠性高，壽命長，適合較惡劣的自然環(huán)境，CCD 技術被應用在幾乎所有的成像相關的領域，隨著科學技術的發(fā)展以及 CCD技術的研究和應用，CCD 技術將得到普及和推廣。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 張林，李永新，胡學友.基于相關雙采樣的 CCD 視頻信號處理研究[

77、J].宇航計測技術，2007</p><p>　　[2] 李藝琳，馮勇，安澄全.用相關雙采樣技術提高 CCD 輸出信號的信噪比[J].電測與儀表，1999，第 5 期</p><p>　　[3] 佐藤一郎著.集成運算放大器電路設計實用手冊[M].學術期刊出版社，1989 年第 1 版.</p><p>　　[4] 費業(yè)泰.誤差理論與數(shù)據(jù)處理[M].北京：機械工業(yè)出版

78、社，1998</p><p>　　[5] 康華光著.電子技術基礎模擬部分[M]（第四版）.高等教育出版社，1987.8.</p><p>　　[6]賀賽先，何對燕，仲思東，王新華．面陣CCD鋼板長寬尺寸在線實時測量系統(tǒng)．儀器儀表學報．1997，18．5：640～642．</p><p>　　[7]王慶友，孫學珠．CCD應用技術．天津：天津犬學出版社，1993：2～8