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光电仪器课程设计
西安工业大学
课程设计论文
课题名称:
__光电仪器课程设计____
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第一章引言------------------------------------------------------------------------------------------
(1)
1.1国内外测径的主要方法-------------------------------------------------------------
(1)
1.1.1扫描阴影法--------------------------------------------------------------------------
(1)
1.1.2投影放大法--------------------------------------------------------------------------
(2)
1.1.3衍射法---------------------------------------------------------------------------------(3)
1.1.4双光路成像法------------------------------------------------------------------------(4)
1.2国内外光电测径系统的发展现状-------------------------------------------------(4)
第二章细丝直径测量仪方案设计与系统分析--------------------------------------------(5)
2.1课题的方案设计-----------------------------------------------------------------------(5)
2.2细丝直径测量仪的工作原理--------------------------------------------------------(6)
第三章光学系统系统设计------------------------------------------------------------------------(7)
3.1照度匹配-----------------------------------------------------------------------------------(7)
3.2照明方法-----------------------------------------------------------------------------------(8)
3.3.照明系统的设计原则----------------------------------------------------------------(9)
3.4光源的选择及分析-------------------------------------------------------------------(11)
3.5像系统分析-----------------------------------------------------------------------------(13)
3.5.1成像物镜的设计--------------------------------------------------------------(13)
3.5.2CCD镜头的选择-------------------------------------------------------------(14)
第四章精度分析-----------------------------------------------------------------------------------(14)
4.1系统误差分析----------------------------------------------------------------------------(14)
4.1.1本系统中包含的误差-------------------------------------------------------(14)
4.1.2减小误差的措施--------------------------------------------------------------(16)
第五章总结-------------------------------------------------------------------------------------------(17)
5.1投影法测量系统的特点--------------------------------------------------------------(17)
5.2结束语--------------------------------------------------------------------------------------(17)
第六章致谢和参考文献------------------------------------------------------------------------(19)
第一章引言
随着科学技术的飞速发展,在工业生产和科学实验中经常要对细丝直径进行精密测量,传统的测量方法国家标准是称重法。
20世纪70年代又发展起来激光测径法激光测径法按测量原理分类有:
扫描法、衍射法、前向散射法和差频干涉相位法其中衍射法的优点是灵敏度、可观察度和测量精度都较高,已经广泛用于生产实际这种测量方法和大学物理学中夫琅禾费衍射实验的原理是相同的。
应用传统的接触测量,由于接触力的作用,测量精度较低,而且无法实现动态测量;应用普通光学方法测量,测量时间较长,在测量难以实现。
随着现代工业的发展,要求对线材直径进行高精度、非接触、快速的在线测量,并给出反馈信号来控制生产,以实现生产过程的自动化。
例如在钼丝的生产过程中,钼丝的直径是必须及时检测的一项重要指标,它直接影响产品的质量。
由于加工速度快,因此必须快速地、精确地在线检测钼丝的直径,并给出报警信号和控制信号。
鉴于以上原因,对细丝直径测量提出如下几点要求:
(1)高精度;
(2)高速度:
(3)非接触;(4)实时反馈控制。
显而易见,传统的直径测量方法已远不能满足现代工业生产的要求。
CCD图像传感器具有灵敏度高、结构紧凑、像素位置准确、自扫描等特点,因此,许多采用光学方法测量线材外径的仪器,把CCD器件作为光电接收器。
1.1国内外测径的主要方法
在现代工业生产过程中,生产现场对线材、棒料外径需要在线实时检测,并提出了愈来愈高的要求,在国内外均有光电测径仪问世,在这些测径仪中,主要有以下几种测量方法:
扫描阴影法、投影放大法、衍射法、双光路成像法等。
它们的测量原理如下所述。
1.1.1扫描阴影法
扫描阴影法测量原理如图1.1所示。
由白炽灯发出的光束,经反射镜反射到扫描镜2上,扫描镜由同步电机带动做匀速旋转,于是反射光束以恒定的角速度扫过前透镜3,前透镜使光束成为平行扫描光束,并扫过待测的工件4,后透镜5使平行光束会聚在光电管6上,经光电管变为电信号输出。
透镜3、4之间的平行光束随着扫描镜的旋转而作平行移动,当它被待测工件4挡住时,光电管输出暗电平信号,这个暗电平信号的宽度就反映了待测工件的直径大小。
处理器8根据扫描速度和暗电平信号的宽度计算出待测件的直径大小,即完成了一次测量。
扫描阴影法一般可测量直径大于O.5mm的工件,测量精度可达到士3pm,对于直径小于0.5ram的工件,可用音叉作转镜驱动装置,音叉扫描可测量60pm一500pm的直径,测量精度可达±5pm。
扫描阴影法达到了很高的测量精度,测量速度也较快,可达每秒1000次,但是这种方法需要高精度的转镜扫描系统,需要高精度的微型电机,因此成本高,装置复杂,不易于仪器的小型化。
图1.1扫描阴影法测量原理图
1.1.2投影放大法
投影放大法的测量原理如图1.2所示。
光源1发出的光经透镜2和3准直、扩束后,扩展成平行光照射到待测件上,形成阴影,由透镜5和光阑6成像在光电接收器7上,测出阴影像的宽度D,就可算出工件的直径。
投影放大法的测量精度主要取决于平行光的准直程度、成像的放大倍率和光电接收器的分辨率。
平行光源要做的十分理想是有一定困难的,且随准直程度的提高会使仪器的成本提高,因此,在实际应用中常常通过软件处理的方法,对测量值进行修正,以使测量结果更接近实际值,这在一定程度上降低了对光源的苛刻要求。
这种测量方法比较适合测直径中等粗细的工件,测量范围在0.5mm~30mm,测量精度可达±30m,避免了复杂的机械扫描装置,其结构比较简单,成本也比较低。
图1.2投影放大法光路原理图
1.1.3衍射法
根据巴比涅互补定理,激光束照射到细丝时,其衍射效应和狭缝的衍射效应相同,在接收屏上得到同样的明暗相间的衍射条纹,故通过测量衍射条纹之间的间距就可得到细丝的直径。
图1.3衍射法测量原理图
测量时已知结构尺寸L及激光波长,只要再测得条纹间距S,即可求得细丝直径d。
激光衍射测量是一种高精度的非接触测量,其测量精度高达0.05um以下。
另外,由夫朗和费近似条件可知:
光路中L必须适当的大,这样测量系统比较庞大。
此外,衍射法测量直径对测量环境要求很严,尤其是对振动干扰极其敏感,这也是衍射法测径的一个不足之处。
1.1.4双光路成像法
对于材料的长度、宽度或直径大于30mm的尺寸测量,由于单光路成像系统的视场和分辨率的限制,难以保证测量精度的要求,因此多采用双光路成像法测量。
图1—4给出了一个双光路成像测量系统框图。
被测物体如钢管置于双光路视场中,照明方式采用单光源扩束分光照明或是采用双光源分别照明。
由于被遮挡部分无信号输出,分别检测两个CCD的边缘信号,再对两个边缘之间的脉冲计数,根据像元尺寸与光学系统的放大倍数即可求得最终的被测物体的尺寸。
两个CCD分别用来测量待测物的一个边界值,两个CCD之间的距离用机械方法或是光学方法测量出预先存入计算机。
工作过程中,两个CCD采样要求同步,最后送入计算机处理。
如果测量范围需要很大,可在CCD前加透镜提高可测范围,同时系统测量的尺寸需要标定。
图1.4双光路成像法原理图
1.2国内外光电测径系统的发展现状
直径是金属丝类产品的一项重要参数,长期以来人们对直径测量的方法进行了大量的研究,希望获得一种方便、快捷、精确的测量技术。
CCD应用技术是一项具有广泛应用前景的新技术。
三十多年来,CCD技术取得的惊人进展足以说明这一点。
CCD已经在三大领域得到广泛应用:
摄像、信号处理和存储,它之所以能在图像测量领域中得到
广泛的应用是因为它具有精度高、转换效率高、功耗低、尺寸小、寿命长、性能稳定等优点。
美国OGP公司研制的几何尺寸测量系统,具有精密的XYZ工作台,采用变焦镜头,实现对工件的自动调焦。
由于该系统把标准件安放在了镜头里,可随时对系统进行标定,因此使用非常方便。
该系统单轴测量精度为2pro。
为了保证图像视场能得到均匀的照明,该系统采用了环形灯照明。
工作台采用步进电机进行驱动,保证了快速搜索待测要素。
该系统的软件采用可视化编程,具有良好的人机界面,同时配有各种各样的电子测量准星,以适应测量不同类型工件的测量需要。
目前国内利用CCD进行工业实时在线检测的系统有以线阵CCD传感器为核心在线检测电线电缆直径,被测对象直径小于10mm,精度小于0.05mm。
表1.1国内外直径测量装置的各项性能指标
第二章细丝直径测量仪方案设计与系统分析
2.1课题的方案设计
应用传统的接触测量来完成钼丝线径的测量,这显然是不现实的。
由于接触力的作用,要求的测量精度将无法保证;应用普通光学测量,测量时间较长,所以无法实现在线测量。
然而本课题要求完成高精度的在线测量。
因此,传统的方法不能完成本课题的要求。
CCD图像传感器具有灵敏度高、结构紧凑、像素位置准确、自扫描等特点,因此,许多采用光学方法测量外径的仪器,把CCD器件作为光电接收器。
鉴于CCD的高精度和高灵敏度,本系统将采用CCD作为信息接收元件。
第一章讲到,现代光电测径仪最常用的主要有三种方案:
扫描投影法,衍射法,投影放大法。
扫描投影法有很高的测量精度,对线径0.5mm以上的测量对象精度可达±3um,测量速度也较快,可达每秒1000次,但是由于要有高精度的机械扫描装置,使用这种测量法的测径仪装置复杂,体积大,成本高,不易于仪器的小型化;衍射法精度虽然特别高,对线径0.5ram以上的测量对象精度可达±0.0511m以下,但是它也有体积大的缺点,除此之外,它还容易受外界的干扰,尤其是对震动非常敏感。
投影放大法不需要复杂的扫描装置,可使装置简单,体积小,成本降低。
因此,本钼丝线径测量系统将采用投影放大法原理。
图2.1系统工作原理框图
该细丝直径测量系统对精度要求较高,所以照明系统的光线必须均匀、稳定。
因此,光源的电源要采用稳压电源,且光线要通过透镜系统变成平行光。
为了减小被测件垂直摆动所引起的误差,我们得采用一定精度的固定装置。
被测物细丝的投影经过成像系统放大落到CCD器件上,最后,CCD器件的输出经过一系列的处理得到测量值。
2.2细丝直径测量仪的工作原理
测径仪的装置原理框图如图2.1所示:
照明系统为整个系统提供具有一定强度的平行光。
细丝被平行光照射后经成像物镜成像在CCD上,由于被测对象是动态的,所成的像可能因为抖动而使边沿变模糊,给测量带来不便,所以要加上一定的防抖机构减小抖动。
光电耦合器件(CCD)在驱动电路发出的时序的配合下把光学信号转换为电信号。
然后对测量信号进行一系列的处理,用计脉冲数的方法对阴影的宽度进行测量就可以得到脉冲数△N。
最后,根据透镜的放大倍率β就可得到待测体尺寸d。
细丝直径的具体计算公式为:
d=a*△N/β(2.1)
式中:
a为CCD光敏元尺寸;
β为光学成像系统放大率;
△N为被测件经光学系统成像后在CCD光敏区所遮挡的光敏元数。
第三章光学系统系统设计
在CCD应用中,照明系统是一个重要的部分。
在照明系统中要选择合适光源,并且与CCD接收面上所能接收到的照度相匹配。
下面分别介绍照度匹配概念、照明方法、照明系统的设计原则和光源选取。
3.1照度匹配
CCD器件是光积分型器件,输出的电流信号和CCD光敏面上的照度有关,也和光积分时间有关,若以,代表输出电流,E代表光敏面的照度,,代表两次取样的时间间隔,在正常工作范围内有:
I=KEt=KQ(2.2)
式中:
K为比例常数;
Q=Et,称为曝光量,单位为Ix.S,国际通用表达式为Q=
dt。
但式(2.2)中的E是一个恒定值,可以简化为Q=Et。
对于既定元件,曝光量应限定在一定范围内,其上限为饱和曝光量Qsat。
对于摄像和以光度测量为基础的CCD应用系统,光敏面上任何光敏单元上的曝光量Q均应低于Qsat,否则将产生画面亮度失真,或产生大量的测量误差。
因为Q=Et,所以可通过适当选择CCD器件光敏面上照度E,和两次采样时间间隔f来保证Q 但是,采样间隔时间t一般由驱动器的转移脉冲周期TSH确定,常为一个确定值。 所以,调节曝光量通常是调节CCD光敏面上的照度。 要求光敏面上任何点的照度应满足: E< (2.3) 光敏面的照度也不能太低。 如果照度低于CCD器件的灵敏阈,会降低画面亮度产生测量误差。 因此应把光敏面上的最大照度Emax调节为略低于 以充分利用器件的动态范围。 因此,在该测量系统中设计照明系统要满足照度的匹配。 3.2照明方法 照明系统主要由光源和准直扩束镜组成,它的作用是使目标物得到充分的照明,以保证像平面有足够的照度。 照明方法一般有临界照明和柯拉照明两种。 a.临界照明 光源经过聚光镜后,成像于物平面上的照明方法称为临界照明。 其工作原理图如图2.2所示。 若忽略光能的损失,则光源像亮度与光源本身相同。 这种照度方法相当于在物平面上放置光源。 因此有结构简单、光能利用率高的优点。 其缺点是: 如果光源表面亮度不均匀,或明显地表现出细小的结构。 如灯丝等,这样就会使物体表面照度不均匀,从而使接收器上的光能量分布不均匀,而影响成像质量和测量精度。 图2—2临界照明光学原理 b.柯拉照明 为了克服临界照明中物平面照明不均匀的缺点,而采用柯拉照明的方式。 柯拉照明是将光源成像在物镜的入射光瞳处。 如图2.3所示: 柯拉照明必须满足以下成像关系,光源1经辅助聚光镜2成像在光阑4处。 辅助聚光镜2经聚光镜5成像于物平面6上。 聚光镜5把焦点处的光阑4成像于无限远处,与成像物镜的入瞳重合。 设物镜的入瞳位于无限远处。 柯拉照明是把被光源均匀照明了的辅助聚光镜2(也称为柯拉镜)成像在物平面上。 因此,柯拉照明的优点是可以使物体得到均匀地照明。 但是,这种照明系统有结构复杂、光能损失大的缺点。 在光学系统中,一般对成像质量和测量精度要求较高的系统均采用柯拉照明方式。 图2—3柯拉照明光学原理 3.3.照明系统的设计原则 为了使接收器或像面获得足够的照度,并且使照度分布均匀。 设计照明系统时应考虑以下问题: 即照明系统提供的光能量问题,光能量的利用率问题和能量在像平面上的分布问题。 照明系统提供的光能量与光源的发光强度、光源的尺寸和聚光镜的孔径角有关。 当光源的发光强度一定时,光源的面积较大,聚光镜的孔径角越大,照明系统所提供的光能量越多,即照明系统提供光能量的大小是由它的拉赫不变量决定的,即: J1=N1U1Y1(2.4) 式中: N1为物方介质折射率; Y1为灯丝半高; U1为聚光镜的孔径角。 照明系统提供光能量能否全部进入成像系统,取决于两者之间的衔接关系。 为了使照明系统和成像系统很好地衔接起来。 在光学计算时,应使照明系统的拉赫不变量J1=N1U1Y1大于或等于成像系统的拉赫不变量即: J1=N1U1Y1≥J2=N2U2Y2(2.5) 式中: Y2为物体半高; U2为成像系统的孔径角; N2为成像系统物方介质折射率。 图2-4简要地说明了成像关系。 所有进入聚光系统的光线全部包括在光管内而进入成像系统,从而光能量得到了充分的利用。 图2—4照明系统与成像系统的衔接关系 为了使像面照度分布均匀,必须恰当地安排成像物镜、聚光镜和物体的相互位置,以保证像面上各点对应的成像光束在成像物镜出瞳处的光束截面相同。 因而在准直和投影系统中,要使物体靠近聚光镜或靠近光源的像平面,才能使像平面得到均匀的照度分布。 由于物体上各点以同样大小的光束经物镜成像,因此,像面上将有均匀的照度分布。 3.4光源的选择及分析 光源是CCD应用技术中的重要部分,选择好光源是CCD应用的保障。 CCD应用系统大致可分为摄像和检测两种类型。 不同类型对照明光源有不同的要求,应根据需要选择合适的光源。 作为检测系统一般有两种: 一种是通过测量被检测物体的像来检测被测物体的某些特征参数;另一种是通过测量被检测物体的空间频谱分布来确定被检测物体的某些特征参数。 对于前者,只要选发光光谱宽、照度足够的光源作为照明光源就可以了;而对于后者,应该选用满足单色性好、相干性好、光束准直精度高等要求的光源。 CCD器件的光谱响应范围为0.5pm~1.1lJm,峰值响应波长多为0.55IJm,氦氖气体激光器的激光波长为0.63281am,光谱响应灵敏度很接近于其峰值响应波长的光敏灵敏度,但由于激光器成本高,体积比较大,特殊情况下才给予考虑。 本文的研究属于通过检测被测物体的像来检测物体宽度的实际应用,故可以选用白炽灯、卤钨灯或者大功率LED作为成像系统的光源。 表2.1是各种光源的参数。 表2-1各种光源的参数 LED光源的特点: ●体积小: LED基本上是一块很小的晶片被封装在环氧树脂里面,所以它非常小,非常轻。 ●耗电量低: LED耗电非常低,一般来说LED的工作电压是2V~3.6V。 工作电流是几百毫安。 ●使用寿命长: 在恰当的电流下,LED的使用寿命达10万小时。 ●亮度高(光效可达60L删W)、发热量低; ●坚固耐用: LED被完全的封装在环氧树脂里面,灯体内没有松动的部分,它比灯泡和荧光灯灯管都坚固。 图2-5大功率LED驱动原理图 本系统选用的光源为3W的大功率LED,型号为PGlN-3LWE,它的驱动电流为500mA~750mA。 大功率LED一般采用恒流驱动。 我们利用LM317设计的恒流驱动器电路原理图如图2.5所示: 驱动电流可通过电阻Rx调节,调节范围为: 5.6mA--625mA,R1为2Ω的大功率电阻,当Rx调节为零时,起到限流作用。 经检验,本电流源的稳定度在5%以内。 选用大功率LED最大的优点是在保证光效的同时,大大地节省了仪器的体积。 另外LED的长寿命也是一个重要优点,从而避免了定期拆开仪器更换灯泡的麻烦。 3.5成像系统分析 3.5.1成像物镜的设计 成像物镜的任务是: 将被测细丝按固定的放大倍率成像在CCD所在的平面上。 光学原理如图2-6所示: 图2-6成像系统光路原理 成像物镜初始结构的设计: a.成像系统的放大倍率夕的确定 已知系统参数: d=0.5mill~4mm(被测钼丝直径) S=35mm(CCD相敏单元总长度) 假设被测细丝在被测过程中的摆动范围限制在±3mm内,为了保证被测细丝成像在CCD光敏单元内,则β≤3.5。 这里取β=3。 b.成像镜头焦距F的确定: 1/f=1/L+I/L’ L+L’=180mm 根据已知条件联立以上三式计算出: L=60mm L’=120mm f=40mm 3.5.2CCD镜头的选择 CCD镜头的作用是把被观察目标的光像呈现在CCD的靶面上,也称光学成像。 将各种不同形状、不同介质(塑料、玻璃或晶体)的光学零件(反射镜、透射镜、棱镜)按一定方式组合起来,使得光线经过这些光学零件的透射或反射以后,按照人们的需要改变光线的传输方向而被接收器件接收,即完成了物体的光学成像过程。 光学镜头应满足成像清晰、透光率高、像面照度分布均匀、图像畸变小、光圈可调等要求。 一般来说每个镜头都由多组不同曲面曲率的透镜按不同间距组合而成。 间距和镜片曲率、透光系数等指标的选择决定了该镜头的焦距。 CCD镜头按其功能和操作方法分为常用镜头和特殊镜头两大类,常用镜头又分为定焦镜头(自动和手动光圈)和变焦镜头(自动和手动光圈)。 本系统选用了型号为VS-M1024的工业显微镜镜头。 它的工作距离为100mm,-一240mm,镜头长77mm,高清晰,光学无畸变,用于精确测量、定位等机器视觉系统中。 第四章精度分析 4.1系统误差分析 在本测量系统中,精度是制作的主要难点之一。 因此,准确的误差分析是本系统成功研制的一个前提。 误差的主要来源有光束不平行引起的准直误差,CCD的非均匀性误差,透镜像差以及电路误差等,本节对一些主要的误差因素作一些分析。 4.1.1本系统中包含的误差 a.光功率不稳定引起的误差 光功率不稳定引起的误差是由电源输出的电流的变化引起的。 本系统中采用了大功率LED为光源,它要求有一定的驱动电路辅助工作。 这个驱动电路的实质是有恒流输出的电路,因此,本课题中专门为它设计了一个高精度的恒流电源,它可以为光源提供高稳
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