光电检测技术——玻管外径、壁厚CCD在线检测系统2

§8－6 玻管外径、壁厚CCD在线检测系统
一、仪器的技术要求
1.测量范围：Φmm
28
20，Φmm
2.测量精度：外径Φmm
28±
4.0
Φ。

20±，mm
3.0
壁厚mm
2±
07.0
2.1±，mm
05.0
3.显示内容：实测玻管直径、壁厚、上下偏差及超差报警。

4.过程控制：玻管控制速度，吹气量及合格品筛选控制信号的输出。

二、仪器的工作原理
1. 系统的结构框图（图8－21）
2. CCD 视频信号
上壁厚：β
ρ
1n a = 下壁厚：β
ρ
2n b =
外径：()β
ρ
321n n n C ++=
β－－放大率
光强分布：管壁为暗带，中间部分为亮带。

三、光学系统设计
本系统采用物光远心光路，配以柯拉照明方式。

02y
1 -
L1 柯拉 P3 照明 '1 2 -
P1 2f -
L2
'2
A B
-
L 物方 'f 远心 ' P2 光路 '
x
'
B
'2y 'A
视场光阑：P3：调节物镜L 的物方视场大小（P3成像在AB 处）
P1：调节该视场的明暗（限制了灯丝02y 的大小）
㈠ 成像系统
孔径光阑P2位于成像物镜L 的焦平面'F 上，形成物方远心光路。

结论：
采用物方远心光路，则物体每点发出的主光线不随物体轴向位移改变方向。

主光线在像面上（CCD 上）的投影不变，只是弥散斑的大小变化。

㈡ 照明系统
柯拉照明：灯丝成像在L2焦面上，灯丝上各点通过L2的出射光从各方向分别平行均匀照射L 的物方视场。

被光源均匀照明的聚光镜前组L2经后组L2成像在L 的物方视场，故物镜L 的视场得以均匀照明。

㈢ 瞳窗（视场）关系
① AB 处：灯丝的象方视场（∞→处）对物镜L 的入瞳（∞→）即窗
对瞳。

P3（或L1）经L2成像得照明系统的出瞳，此出瞳对L 的物方视场，即瞳对窗。

② P1处；灯丝的象方视场对L2的入瞳，即窗对瞳。

③ P2处：照明系统（灯丝）的象方视场充满L 的出瞳，即窗对瞳。

㈣ 物镜参数和系统外形尺寸（自学）
设物方视场2y ，线阵CCD 单元宽度为'δ，单元数为N ，物象之间共轭距为L ，则:
1．系统放大率β y
y 22'
=β ''2δ⋅=N y
2．物镜的相对孔径
'f
D
（或数值孔径NA ） 物镜分辨率 β
δδ'
= δλ5.0=NA
并由U n NA sin =和'''sin sin U n U n δδ=分别求出U 和'U 3．确定物镜焦距'f
解方程组 ⎪⎪⎩
⎪⎪⎨⎧=-=-=
'''
'
111f L β 可求得 ,,''f
4．视场角'
2ω
''
'
x
y tg =ω
5．P2的直径2D
()
'''''222tgU f tgU x D -==
6．通光口径L D
()U y D L +=2
根据以上计算，得 ⨯=︒===8.0,202,21
,
130''
'βωf
D mm f
㈤ 照明尺寸计算
设集光镜1L 的物象共轭距为L 。

1． 聚光镜2L 的口径2
L D
2L D ＝2（y +'2l U ）
2． 1P 的口径1D
拉兹不变量2聚J ＝物J 2n 2
U 2
D 1
＝n U y 2n ＝n ＝1 2U ＝
'2
f y 故1D ＝2'
2f U 3． 3P 的位置和大小
位置 2l ＝'2
'2'
2'2l f f l - '2l 已知
大小 2β＝2
'2l l ＝32D y
3D ＝
2
2βy
4． 集光镜1L
口径1
L D 0J ＝物J
0n 0U 0y ＝nUy 孔径角： 0U ≥
y y U 1
L D ＝21l tg 0U
结果 ‘2f ＝130mm
’
f
D
＝21 光源12V ，100W 白炽灯，尺寸为4×3mm
四．CCD 传感器选择应用 《CCD 应用技术》王庆有 71P 124P
㈠微机接口电路
将二值化得壁厚信号及外径信号分别送8031的1T 和0T 计数器进行计数。

用视频信号的频率（1MHZ ）进行壁厚和外径两个脉宽的填充，填充个数1n ，0n 分别代表它们所占CCD 的像元个数。

(图1 微机接口电路)
（图2 数据采集工作时序图）
㈡数据采集时序（图2）
①计算机启动信号使Ⅱ触发“1”，同步信号门打开。

②同步信号负脉冲SH“”使Ⅰ触发“1”（置“1”），外径，壁厚信号门打开。

③外径，壁厚高电平期间，视频脉冲填入，记录
n，0n的D及L的
1
值。

（INT中断期间得计数结果）
④第二个同步脉冲SH到“”，使Ⅰ触发“0”（置“0”）,Ⅱ触发“0”（复位），等待下次采集命令。