一種CCD微米級(jí)圓鋼光電測(cè)徑儀的研究設(shè)計(jì)

　　摘要: 提出了線陣CCD微米級(jí)非接觸式圓鋼光電測(cè)徑儀的設(shè)計(jì)方案，并以ARM微處理器和單片機(jī)為核心實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)；解決了傳統(tǒng)圓鋼測(cè)徑方法接觸式測(cè)量的局限問題，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、小型化、非接觸、精度高等特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了CCD非接觸式圓鋼光電測(cè)徑，測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確、精度高、穩(wěn)定性好，且可直接方便地顯示測(cè)量結(jié)果。

　　引言

　　在鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)中傳統(tǒng)的圓鋼測(cè)徑方法有很多，如利用尺寸工具抽樣檢測(cè)、電磁式接觸測(cè)量等。用尺寸工具測(cè)量，精度不夠且速度很慢；用電磁式測(cè)量是接觸式測(cè)量，測(cè)量比較麻煩且精度和速度也難以得到保證。CCD電荷耦合器件廣泛應(yīng)用于圖像掃描、非接觸式尺寸檢測(cè)、位移測(cè)定條形碼讀出等光電探測(cè)和光電成像領(lǐng)域，具有自掃描、精度高、靈敏度高、光譜響應(yīng)量寬等優(yōu)點(diǎn)[1]。CCD微米級(jí)非接觸式圓鋼光電測(cè)徑儀是一種基于CCD光電檢測(cè)技術(shù)的非接觸式圓鋼專用光電測(cè)徑裝置。它具有非接觸、速度快、精度高、小型化、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，可以在光線暗、高溫、高速等惡劣條件下，在生產(chǎn)線上動(dòng)態(tài)無損地隨時(shí)監(jiān)控圓鋼直徑的微小變化，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

　　1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　1.1 CCD微米級(jí)非接觸式圓鋼光電測(cè)徑儀的測(cè)量原理

　　CCD微米級(jí)非接觸式圓鋼光電測(cè)徑儀光路測(cè)量原理如圖1所示。

　　圖1 CCD圓鋼光電測(cè)徑儀光路測(cè)量原理

　　平行光源從鏡L1發(fā)出平行光束。此光束照射在光路內(nèi)的圓鋼工件上，經(jīng)光學(xué)鏡頭L2成像在CCD的感光面上。CCD器件把感光面上的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成與光強(qiáng)成比例的電荷量,在一定頻率的時(shí)鐘脈沖驅(qū)動(dòng)下，從CCD的輸出信號(hào)U0波形中反映出來。對(duì)U0進(jìn)行信號(hào)處理，并根據(jù)工件的成像在CCD輸出波形中的寬度推算標(biāo)定出工件的實(shí)際尺寸。

　　1.2 主要信號(hào)處理過程

　　CCD的行同步脈沖FC和標(biāo)準(zhǔn)脈沖SP與輸出信號(hào)U0的關(guān)系如圖2(a)所示。放入工件后，在行同步脈沖FC中間的U0波形部分時(shí)段變成了低電平，低電平的寬度隨工件直徑尺寸線性變化，如圖2(b)所示。

　　圖2 CCD的輸出信號(hào)

　　在每個(gè)行脈沖FC周期內(nèi)對(duì)U0進(jìn)行信號(hào)處理，過程如圖3所示。將U0信號(hào)通過低通濾波電路，濾去高頻干擾；對(duì)U0進(jìn)行一次微分邊界分離，然后通過絕對(duì)值電路將信號(hào)進(jìn)行一致化處理便于進(jìn)行二次微分；接著進(jìn)行二次微分以提高分辨率，然后通過過零檢測(cè)電路找到測(cè)量中心，最后進(jìn)行二值化處理為后續(xù)的脈沖計(jì)數(shù)做好準(zhǔn)備。

　　圖3 行脈沖FC周期內(nèi)對(duì)U0進(jìn)行信號(hào)處理的過程