利用线阵 CCD 进行物体外形尺寸的测量

实验十二利用线阵C CD 进行物体外形尺寸的测量

一、实验目的

通过本实验掌握利用线阵C CD 进行非接触测量物体尺寸的基本原理和方法，用实例

探讨影响测量范围、测量精度的主要因素，为今后设计提供重要依据。

二、实验准备内容

1. 利用线阵C CD 进行非接触测量物体尺寸的基本原理

线阵C CD 的输出信号包含了C CD 各个像元所接收光强度的分布和像元位置的信息，使它在物体尺寸和位置检测中显示出十分重要的应用价值。

CCD 输出信号的二值化处理常用于物体外形尺寸、物体位置、物体震动（振动）等的测量。如图3-1 所示为测量物体外形尺寸（例如棒材的直径D）的原理图。将被测物体 A 置于成像物镜的物方视场中，将线阵C CD 像敏面恰好安装在成像物镜的最佳像面位置上。

当被均匀照明的被测物体A通过成像物镜成像到C CD 的像敏面上时，被测物体像黑

白分明的光强分布使得相应像敏单元上存储载荷了被测物尺寸信息的电荷包，通过C CD 及其

驱

动器将载有尺寸信息的电荷包转换为如图

3 -1右侧所示的时序电

D = D' / β

显然，只要求出D' ，就不难测出物体A的实际尺寸D。

（3-1）线阵CCD 的输出信号U O 随光强的变化关系为线形的，因此，可用U O 模拟光强分布。采

用二值化处理方法将物体边界信息（图3-1 中的N1 与N2）检测出来是简单快捷的方法。有了物体边界信息便可以进行上述测量工作。

2. 二值化处理方法

图3-2 所示为典型CCD 输出信号与二值化处理的时序

图。图中F C 信号为行同步脉冲，FC 的上升沿对应于C CD 的

第一个有效像元输出信号，其下降沿为整个输出周期的结

束。U G 为绿色组分光的输出信号，它为经过反相放大后的

输出电压信号。为了提取图3-2 所示U G 的信号所表征的边缘

信息，采用如图3-3 所示的固定阈值二值化处理电路。

该电路中，电压比较器 L M393 的正输入端接 C CD 的输出信号 U G ，而反相输入端接到由 电位器 R 2 的动端，产生的可调的阈值电平，可以通过调节电位器对阈值电平进行设置， 构成固定阈值二值化电路。经固定阈值二值化电路输出的信号波形被定义为 T H ，它为方 波脉冲。

再进行逻辑处理，便可以提取出物体边缘 的位置信息 N 1 和 N 2。N 1 与 N 2 的差值即为被测 物体在 CCD 像面上所成图像占据的像元数目。 物体 A 在像方的尺寸 D ' 为

D ' = (N - N )L

（3-2）

2

1

式中，N 1 与 N 2 为边界位置的像元序号，L 0 为 CCD 像敏单元的尺寸。 因此，物体的外径 D 应为

图 3-3 二值化电

3. 二值化处理电路原理方框图

D =

(N 2 - N 1 )L 0

β

（3-3）

二值化处理原理图如图 3-4 所示，若与门的输入脉冲 CR t 为 CCD 驱动器输出的采 样

脉冲 S P

，

则计

数

器所

计的

数

为（N

2

－

，锁存器锁存的数为（N

2

－

，将其差值送 入（N 2－N 1）LED 数码显示器，则显示出（N 2

－

N 1）值。 同样，该系统适用于检测物体的位置和它的 运动参数，设图 3-1 中物体 A 在物面沿着光轴做 垂直方向运动，根据光强分布的变化，同样可以 计算出物体 A 的中心位置和它的运动速度、震 动（振动）等。 三、实验所需仪器设备

1、 L CCDAD-Ⅱ-A 型线阵 C CD 应用开发实验仪一台；

2、 装有 V C++软件及相关实验软件的 P C 计算机或 G DS-Ⅲ型光电综合实验平台一 台； 四、实验内容及步骤 1．实验内容

（1）

建立非接触测量物体外形尺寸的基本结构； （2） 观测二值化处理过程中 C CD 的输出信号； （3） 在进行二值化阈值电平调整的过程中，观察阈值电平的调整对测量值的影响； （4） 进行光学系统放大倍率的标定； （5） 进行非接触测量被物体外形尺寸的测量；

（6） 通过改变有关参数，观察对测量值的影响，分析影响物体尺寸测量的主要因 素。

2．实验步骤

（一）实验准备

(1) 将示波器地线与实验仪上的地线连接良好，并确认示波器的电源和多功能实验

仪的电源插头均插入交流220V 插座上；

(2) 打开仪器上盖，旋下旋转滚筒轴上的禁锢螺钉，将旋转滚筒拿下来，使实验仪

的测试台像如图3-5 所示的尺寸测量系统，然后将被测干件插入如图3-5 所示的安装位置上；

图3-5 线阵C CD 应用开发实验仪

(3) 打开实验仪电源开关，启动计算机，并进入物体尺寸测量软件，将在屏幕上弹

出如图3-6 所示的物体外形尺寸测量实验软件界面；

图3-6 所示界面中尽管标写“LCCDAD-Ⅱ”字样，照样适用于“LCCDAD-Ⅱ-A 型”

实

验

仪

。

其

中“打开”菜单是为打开原来曾保

（二）光学成像系统放大倍率β的标定

（1）将直径为5mm 的“试件”插入安装装置，执行“物体尺寸测量实验”软件，弹出

如图3-6 所示的测量尺寸软件界面；同时远心照明光源被点亮；

（2）在尺寸软件界面上选中“连续扫描”菜单，计算机显示器出现含有被测“试件” 外径尺寸信息的波形如图 3-7 所示；

（3）在测量界面上设置驱动频率或积分时间，使输出信号的幅度在适宜观测的程度， 但是，一定不要使 C CD 工作到饱和状态；

（4）调整物镜的焦距使如图 3-7 所示输出信号曲线的斜率尽量陡；

图 3-7 尺寸测量软件界面

（5） 停止采集后，界面进入到如图 3-8 所示的光学放大倍率的测量与设定软件界面， 并在界面的底部用文字方式提示实验者应该执行的步骤，如图 3-8 中提示的“请将标准棒 插入

测试

槽

中，观察数据

”，实验者应该按着提示将φ 5 的测试棒插入测试槽中。然 后根据曲线波形调节驱动频率与积分时

（6） 选择适当的阈值，二值化阈值电平的选择原则是能够检测出物体的真正外形尺寸 值。例如，在如图 3-8 所示输出波形图上可以看出，波形幅度的一半处能够反映物体的外 形尺寸信息，此处曲线的变化率也最大，为此可以选定阈值为“127”，再执行“下一步”， 界面弹出下一步操作的提示；