基于CCD技術(shù)的非接觸在線檢測儀設(shè)計(jì)

　　1．引言
　　
　　檢測技術(shù)是一門應(yīng)用非常廣泛的技術(shù)。在許多領(lǐng)域都會對各種加工件、各種運(yùn)動物體進(jìn)行檢測，以保證產(chǎn)品的合格率和生產(chǎn)、生活的安全性。傳統(tǒng)的檢測方法有人工檢測，也有用機(jī)械式、光學(xué)式或電磁式檢測儀器進(jìn)行的檢測。尤其是人工檢測全憑實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，若部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不但增加了工人的勞動強(qiáng)度，而且精度、效率也會隨之降低，既不能完成非接觸檢測，又不能實(shí)現(xiàn)在線檢測，同時還增加了檢測時給工作人員所帶來的危險性。因此，隨著科技的日新月異，勢必要有一種更加的檢測技術(shù)，那就是CCD技術(shù)。在此，以一個基于CCD在線非接觸檢測的實(shí)例——《拉升鋼絲繩直徑的在線檢測儀》對CCD技術(shù)進(jìn)行一下探討。
　　
　　2．系統(tǒng)組成
　　
　　整個檢測系統(tǒng)由照明系統(tǒng)、被測工件系統(tǒng)、成像物鏡、CCD光電檢測系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)（8031單片機(jī)和8279鍵盤/顯示芯片等）構(gòu)成。穩(wěn)壓穩(wěn)流調(diào)光電源為遠(yuǎn)心照明系統(tǒng)提供穩(wěn)定的照明光，被照明的工件經(jīng)成像物鏡成像在線陣CCD的光敏陣列面上。由于工件不透光，工件的像在中間部分形成暗帶，兩側(cè)形成亮帶。暗帶的寬度就是工件尺寸所成像的大小。線陣CCD在驅(qū)動脈沖的作用下完成光電轉(zhuǎn)換并產(chǎn)生視頻信號。其系統(tǒng)原理圖如圖1。　　
　　3．CCD光電檢測系統(tǒng)
　　
　　在CCD光電檢測系統(tǒng)中，CCD的選型是十分重要的。CCD的種類繁多，而且它們都有各自的特點(diǎn)和不同的應(yīng)用，所以CCD型號的正確與否將直接影響到所測信息的正確與否。
　　
　　在本系統(tǒng)中要求的測量范圍為15mm～45mm，測量精度和相對要求較高，所以只要選擇1000像元以上的線陣CCD就可以滿足本測量系統(tǒng)的精度要求。因此本系統(tǒng)應(yīng)選用TCD1206UD，它的有效像元數(shù)為2160，像元尺寸為0.014×0.014mm，像元中心距為0.014mm，足以滿足本測量系統(tǒng)的要求。
　　
　　該器件的主要技術(shù)指標(biāo)：
　　
　　像元單元數(shù)2160像元總長為30.24mm
　　
　　像元中心距14μm驅(qū)動頻率1MHz
　　
　　行周期2.5ms靈敏度45V/lx·s
　　
　　在1MHz數(shù)據(jù)率情況下工作時，有效像元輸出時間為2.16ms,鋼絲繩直徑信號產(chǎn)生于2.16ms期間。輸出信號的暗電平可控制在1.0V左右。而高電平可接近10V，相差比較大。當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)調(diào)整得比較好時，圖像邊緣的信號比較陡，測量誤差較小。TCD1206UD的工作原理和驅(qū)動電路如下：　　
　?。?）工作原理。TCD1206UD在圖2所示的驅(qū)動脈沖作用下工作。當(dāng)ΦSH脈沖的高電平到來時，正值Φ1電極下均形成深勢阱，同時ΦSH的高電平使Φ1電極下的深勢阱與MOS電容存儲勢阱溝通。
　　
　　如圖3所示，MOS電容中的信號電荷包通過轉(zhuǎn)移柵轉(zhuǎn)移到模擬移位寄存器的Φ1電極下的勢阱中。當(dāng)ΦSH由高變低時，ΦSH低電平形成的淺勢阱將存儲柵下勢阱與Φ1電極下的勢阱隔離開。存儲柵勢阱進(jìn)入光積分狀態(tài)，而模擬移位寄存器將在Φ1與Φ2脈沖的作用下驅(qū)使轉(zhuǎn)移到Φ1電極下勢阱中的信號電荷向左轉(zhuǎn)移，并經(jīng)輸出電路由OS電極輸出。由于結(jié)構(gòu)上的安排，OS端首先輸出13個虛設(shè)單元信號，再輸出51個暗信號，然后才連續(xù)輸出S1到S2160的有效像素單元信號。第S2160信號輸出后，又輸出9個暗信號，再輸出2個奇偶檢測信號，以后便是空驅(qū)動。空驅(qū)動數(shù)目可以是任意的。由于該器件是兩列并行分奇、偶傳輸?shù)模栽谝粋€ΦSH周期內(nèi)至少要有1118個Φ1脈沖，即TSH>1118T1。ΦR為復(fù)位級的復(fù)位脈沖，復(fù)位一次輸出一個信號。　　
　　（2）驅(qū)動電路。TCD1206UD的驅(qū)動電路如圖4所示：　　
　　由晶體振蕩器構(gòu)成的脈沖信號源產(chǎn)生主時鐘ΦM。ΦM脈沖經(jīng)或編程邏輯器件ISPLSI產(chǎn)生ΦSH、Φ1、Φ2、ΦR四路驅(qū)動脈沖。在這四路驅(qū)動脈沖的作用下，TCD1206UD輸出OS信號及DOS信號。將此二路輸出信號分別送到差分放大器LF357的正、反輸入行差分放大，抑制掉共模的ΦR引起的干擾，得到圖3所示的信號波形。SP及ΦC是為用戶提供的控制脈沖，SP與CCD輸出的像元光電信號同步，可用來做采樣保持控制信號。ΦC的上升沿對應(yīng)于CCD的*個有效像素單元S1，因而可以用作行同步。當(dāng)然也可以用ΦSH作行同步，但由于CCD輸出64個虛設(shè)單元信號，所以采用ΦC比采用ΦSH更好。在此檢測系統(tǒng)中的照明系統(tǒng)的照明光源和成像系統(tǒng)的成像物鏡的選擇也是十分重要的，在此只是對鋼絲繩的一般檢測，因此只需選擇白熾燈或鹵素?zé)糇鳛檎彰鞴庠醇纯?；而成像物鏡，在此將選用放大率是β=1，f/=130mm、D/f/=0.5、2ω=140的成像物鏡。
　　
　　4．二值化數(shù)據(jù)采集與單片機(jī)接口
　　
　　本系統(tǒng)是用于運(yùn)動過程中的工件尺寸的檢測。由于工件在運(yùn)動過程中會因擺動而發(fā)生位置變化，從而導(dǎo)致CCD輸出的視頻信號幅值浮動，而且光源強(qiáng)度變化也會引起CCD的視頻信號起伏變化，如果選用浮動閾值法，當(dāng)由于上述原因引起CCD的視頻信號起伏變化時，可以通過電路將光源的起伏或CCD視頻信號的起伏變化反饋到閾值上，使閾值電位跟著變化，從而使CCD視頻信號經(jīng)二值化電路后產(chǎn)生的方波脈沖的寬度基本不變。所以選用浮動閾值法的二值化處理方法。
　　
　　CCD驅(qū)動器除產(chǎn)生CCD所需要的各種驅(qū)動脈沖，還要產(chǎn)生行同步脈沖ΦC和用作二值化計(jì)數(shù)的輸入脈沖Φt，要求ΦC與SH同周期，ΦC的上升沿對應(yīng)于CCD輸出信號的*個有效像素單元，要求Φt脈沖頻率是復(fù)位脈沖ΦR頻率的整數(shù)倍。將定時器T0的方式寄存器TMOD的GATE位置1，這里定時器T0受外部引腳輸入電平的控制，即INT0控制T0的運(yùn)行。將二值化電路輸出的方波脈沖信號和行同步脈沖ΦC一起輸入“與”門，它們的輸出信號接到單片機(jī)的INT0引腳，并由INT0來控制單片機(jī)定時器T0的啟動，同時將復(fù)位脈沖ΦR接到單片機(jī)的P3.4引腳。當(dāng)行同步脈沖ΦC和二值化方波脈沖信號都出現(xiàn)高電平時，“與”門輸出的也是高電平，用這個高電平去啟動單片機(jī)的定時器T0對復(fù)位脈沖ΦR進(jìn)行記數(shù)，當(dāng)行同步脈沖ΦC和二值化方波脈沖信號有一個出現(xiàn)低電平時，“與”門輸出的Y也為低電平，定時器T0停止記數(shù)。這里定時器T0所記的數(shù)即為復(fù)位脈沖數(shù)，由于復(fù)位脈沖ΦR與CCD像元同周期，幫定時器T0所記的數(shù)即為二值化方波脈沖信號高電平所覆蓋像元數(shù)。這樣便完成了CCD輸出信號的處理工作，在定時器T0中記下了與工件尺寸有關(guān)的數(shù)據(jù)，即CCD像元數(shù)。在光學(xué)系統(tǒng)中的放大率為1，所以用測量所得的像元數(shù)去乘以CCD的像元中心距，其結(jié)果就是在誤差允許范圍內(nèi)的工作尺寸的真實(shí)值。
　　
　　5．程序流程圖
　　
　　由此程序流程圖便可以完成匯編程序的編制，在此不再詳述。　　
　　6．結(jié)束語
　　
　　由于機(jī)械式、光學(xué)式、電磁式的測量儀器的制造技術(shù)已十分成熟，因此，在目前的檢測領(lǐng)域中，它們還占據(jù)著重要位置。但是相信隨著制造技術(shù)的提高，CCD像感元件的制作成本將會隨之降低，而其精度卻會進(jìn)一步提高。到那時不管在精密檢測領(lǐng)域，還是在一般檢測系統(tǒng)中將會大量地應(yīng)用CCD技術(shù)，CCD技術(shù)將成為將來檢測領(lǐng)域的主導(dǎo)技術(shù)。