基于CCD的轴径检测方法研究

基于 CCD的轴径检测方法研究
摘要：随着社会经济的发展和科技水平的提高，以及人们对信息的需求量越
来越大，对传感器的要求也随之变得更高了，因此，在工业、农业、国防等各个
领域中都需要大量的轴径数据。

本文主要介绍了基于CCD(电器耦合器件)的测量
原理及应用，并给出了几种基于单芯片的轴径检测技术的方案设计。

关键词：CCD；轴径检测方法
引言
在电子技术中，轴径测量是一项非常重要的应用技术。

它可以对设备进行准
确的轴径检测，还能够对其内部零件的尺寸、形状等参数以及其与装配的关系进
行分析。

在工业生产中，有很多的产品都会使用到轴类传感器。

在我们国家，轴
径检测是一项重要的工程材料，其精度的好坏直接影响着产品的性能指标。

一、国内外研究现状
目前，国内和国外对轴径检测技术的研究已经取得了一定的成果，但是还没
有形成一套完整的系统理论，在测量和数据采集方面还不够成熟。

在国际上，美国、德国、日本等发达国家都已将传感器网络化，并利用这些现代化的通信设备
实现信息的收集与处理[1]。

我国对传感器的研究起步较晚，虽然近几年发展很快，但由于资金的限制以，及缺乏相关专业人员的培训等原因，使得现有的检测仪器
不能完全满足生产需求。

目前，国内市场上的轴类传感器主要是由传统的接触式
的机械式的传感器，和半导体的光电式的传感器组成的两种类型的传感器构成
的:(1)电磁感应式的传感器:这种器件的工作原理是将线圈接入一个与被测物体
直接有关的电路装置，然后通过被测物的电信号的变化来实现对被测物的位置信
息的采集和处理。

(2)激光干涉仪:利用激光的高频率特性，使待测试的物体产生
反射的激光束，经过一系列的光学透镜聚焦，再经光源照射，从而得到待定点的
图像并传送给计算机，电脑根据所获得的数据计算出所需要的旋转角度[2]。

二、基于CCD的车轴径检测原理
（一）CCD
CCD(光电传感器)是一种非接触式的光学测量仪器，具有较高的灵敏度，并
且可以对被测物体的内部结构进行检测。

在工业、医学等领域应用十分广泛。

在RGB技术中，光栅是光栅的基本参数之一，其主要的功能就是对被测物的信息进
行采集，并将其转换成相应的电信号。

而其中的光栅的作用就在于把反射的光线
转变为电信号。

根据不同的光源和接收方式，可将光栅分为三种:即同种类型的
同种或异类的激光器，也有基于半导体的追英(ITO)和基于X射线的衍射效应的
散射型的非相干式(IET)。

（二）径轴检测
径轴传感器是能够将旋转的物体感测为输出信号的器件装置，在工业、科研、航天等方面应用广泛，它可以把被测量的信息转变成电讯号，然后经过处理后得
到有用的数据以供分析使用。

与传统的机械探头相比，有以下几点区别: (1)非
接触式的轴系传头和被测体的位置不固定，可在不同的环境中工作。

(2)检测的
对象是线状的或者面状的直线或曲线，而不是线状的球面波。

所以它的灵敏度较高，但是对温度变化的敏感性也比较大。

因为它的结构和精度都比不上电感式的
超声波检测器。

而且价格偏贵，不适用于一些特殊场合。

(3)由于其内部的场强
分布的均匀性，当两电极之间的距离小于两零点五微米时，会导致相对于两电极
的离心力会变大，从而使探针的响应变慢，甚至引起不必要的误差；同时，对外
界的干扰能力也差。

（三）车轴径检测系统的标定
由于轴径测量的精度要求很高，所以对传感器的选择是至关重要的一步，本
文在参考了大量的资料和文献的基础上，对三轴磁粉式X-射线光电吸收式分析器
的工作原理及结构进行了简单的介绍并提出了一个新的设计方案:方案一:使用光
栅尺来检测工件的直径；方案二:采用光学成像系统来检测工件的直径；以上两
种方法都可以用同一个光栅尺去检测不同的轴段的径向信息，但考虑到图像的分
辨率和采集的数据量的大小等因素，故最终选用第二种方法。

因为在本文中，只
选取其中一种方法作为此次实验的标定的参照对象，而不包括其他的几种标样的
标定。

为了保证所选的标准性，以及提高识别的准确性，因此将这三种装置的实
际情况与本次设计的内容相结合，从而得到最符合的结果为这次课题的研究任务
的精确度、速度、成本等指标。

三、基于CCD的轴径检测方法研究
（一）轴径检测系统总体设计方案
整个轴径检测系统的设计包括硬件电路和软件程序两大部分，其中涉及到的
主要有传感器的选择、单片机的控制和数据处理以及液晶显示屏的显示与输出。

首先是对传感器的选型根据任务书上所给的轴径的测量值来选型相应的芯片；然后是单片机的最小系统的设计与分析，通过对单片机的计算来实现对不同的信
号进行采集并加以转换，再将转化的结果以数字的形式以直观的方式呈现出来，
最后就是数据的传送；接着便是最重要的部分——驱动算法的设计；在这之中最
为关键的则是数据、图像显示及如何读取的问题[3]。

（二）系统电路板
系统电路板的主要作用是将传感器信号转换为电脉冲，并通过液晶屏显示，
将采集到的数据信息进行处理，最后由主控芯片对其控制，从而完成整个系统的
运行功能。

本文采用的光电式的测量技术是一种具有高精度、低成本、小型化和便携性
好等特点的非接触式的非电生理的设备或装置。

它可以在一个相对较小的范围内
的物体表面获取图像，然后用小波变换作为标准正弦波的频率来检测待测目标的
阻抗变化，再经过单片机的计算与输出，就可得到被测对象的各项参数，如振幅值，温度值，压力值等。

在本文中，使用单片机来对VTF的输入端和VT的驱动
端之间的电压关系曲线的峰值来实现精确的操作；同时，还设计了用于判断是否
有异常的情况发生，如果有则会启动报警器发出响声以提醒用户。

（三）电源
硬件电路设计中的电源部分是必不可少的一部分，它是整个系统的能源来源，为整个系统提供所需要的能量并保证其正常运行。

在本论文中，使用带负载的直
流稳压芯片LM7805。

该模块的主要功能是通过对信号的放大和输出，来完成对直流电机的控制和
管理。

由于光电传感器的工作电压为5V，所以可以将它与基准源相连接，然后将VCC与地之间的低电平转换成5V的交流稳压设备的稳定直流输入。

当外界的干扰
源产生的脉冲串接入到电源的DC/AC上，就形成了一个模拟的正弦波，这个正弦
波就是我们所要的整流器的高频开通。

（四）信号采集与存储接口
此部分使用了RLC的数据采集与存储的处理技术，将R-S系统中的所有传感
器的输出值进行了综合，并且将其与标准的输入值的差值的绝对偏差的程度表示
出来，这样就可以对所得到的信息进行分析和整理，从而得出最终的结论就是轴
径的准确度。

在实际的测量过程当中，由于设备的精度问题，会造成一定的误差存在，所
以需要对这种情况做出相应的解决办法，以保证实验的准确性和可靠性。

在本文中，采用的芯片是STM32型号的单片机，该处理器具有较好的抗干扰能力，能够
很好的完成信号的传输、接收、转换等工作，而且它的价格也比较低廉，因此被
广泛的运用到各个领域。

结语
本文使用的传感器是光电式的非接触式的非电声换能器，它具有结构简单、
体积较小、质量较轻等优点，能够很好的完成数据的采集和处理。

对于本课题的
研究方向，主要是如何将摄像头所获取的图像更加清晰，更容易的通过计算机软
件的处理来实现对图像的识别和分类，并将其显示出来，这样就能更好的为用户
提供所需要的服务功能。

参考文献：
[1]祁斌，周文华，范志君，袁松，季欣威，姜能文，徐忠，周细应.40Cr钢转向节轴部直径对其淬火态组织和硬度的影响[J].上海金属，2022，44(01):8-11.
[2]吴章友，杨道业，卞启涛，张晨晓.三维电容层析成像传感器优化及循环流化床提升管轴向流动成像[J].化工进展，2021，40(12):6532-6539.
[3]王坤. 基于相关器输出的GPS多径检测和抑制方法研究[D].哈尔滨工程大学，2021.。