基于CCD的非接触式直径测量实验的数据处理

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

CCD(电荷耦合器件)成像测量技术是测量方法中的-个较新的分支，它是利用CCD对被测物体进行光学成像，然后利用计算机技术完成实时在线或非接触测量。CCD分为线阵、面阵两大类。线阵CCD器件具有结构简单，生产容易，成本较低，配套外部电路相对简单n” ，由于它的单排感光单元的数目可以做得很多，线阵CCD的测量范围可以做的较大，空间分辨率高，可以实现高精度测量，可以在低照度下工作，能够实现动态测量和实时控制 ，大量的测量数据的经计算机处理后可以经过存储，自动补偿和校正，直至最后打印输出 -变得非常容易，由于测量技术成本较低 ，广泛应用于工业 自动化生产 ，例如机械零件加工、电线电缆 、光缆光纤、纺织生产 、卷烟和拉丝直径的现场测量控制。在实验教学领域，-直缺少线性CCD测量直径的相应实验设备，因此，笔者设计了-种基于线阵CCD的非接触式直径测量实验装置，并对其中的数据处理进行探讨。

1线阵CCD测量系统和基本原理二极管的尺寸在制作时就已经确定，当目标成像在CCD光敏面上时，相应的像元上将获得-系列的光电脉冲输出，其个数就代表着目标尺寸的大小 。测量时通常用-个已精确标定过的样品进行校正，根据所占像元的数目求得该系统每-像元所对应目标尺寸的大小，再用同-系统测量未知目标时，即可根据输出信号像元的数目(脉冲个数)来确定待测目标的尺寸I 。

线阵法CCDt]量原理图如图1所示，用半导体激光器作为光源，经反射后经由透镜形成平行光，照射到被测物件上，由光学系统按-定倍率成像在线阵CCD的光敏面上，影像反映了被测件的尺寸，线阵CCD器件把光敏面上的影像的转换成与光强成视频信号，经视频信号采信，送人计算机进行数据处理。

线阵ccD由-系列等距离光电二极管构成，由于光电 图1 线阵法ccD测量原理图圈 收稿 日期 ：2013-03-08基金项 目：广西民族师范学院实验教学示范中心项目建设项目 (编号：SFZX201102)；2012年广西高衅研项目 (编号：201203YB176)；2010年广西教育厅科研项 目 (编号：201010LX565)。

作者简介：蒋志年 (1965-)，男，广西宾阳人，广西民族师范学院物理与电子工程系副教授，主要从事物理教学和物理实验研究工作；易其顺 (196 )，男，壮族，广西虏人，广西民族师范学院物理与电子工程系教授，主要研究方向：物理实验教学研究。

- 22 -2013年第 3期 蒋志年 ，易其顺 基于 CCD的非接触式直径测量实验的数据处理 6月25日出版2线阵GGD的非接触式直径测量实验装置设计 4成像误差修正的数据处理用线阵CCD对-般几何尺寸的测量，-般有三种方法：分别为衍射法，放大成像法和平行光成像法。

为了节省成本，在实验装置的设计上，采用平行光成像法，直接用平行光源照到待测物体上。总体结构如图2所示，当-束平行光透过待测目标投射到CCD器件上时，由于目标的存在，目标的阴影将同时投射到CCD器件上，在CCD器件输出信号上形成-个凹陷，参见图3。只要统计出ccD上凹陷f阴影)部分的像元数量，经过计算就可以得出待测目标的直径。

图2 线阵CCD的非接触式直径测量实验装置图图3 成像波形3数据处理问题的提出lfx)在整个测量过程中，由于各种客观因素的影响，许多环节都需要对数据进行修正来消除误差。数据修正主要应用于以下两个环节 ：(1)成像误差和修正如果平行光源准直度很理想，阴影的尺寸就代表了待测 目标的实际尺寸，只要统计出阴影部分的CCD象元个数，象元个数与象元尺寸的乘积就代表了目标的尺寸。但在现实应用中平行光的准直程度受成本和体积的限制，不可能达到理想状态，常常导致较大的误差。这种成像误差需要进行修正；(2)边界提取的误差和修正在图3所示的目标波形中，阴影的边界并不是垂直的，而是呈斜坡状分布。如何在这个 斜坡”上找到边界点，直接关系到最终测量结果的准确与否。因此 ，边界的提取也需要数据处理来优化。

光学成像系统如图4所示图4 光学成像系统被测物经透镜在CCD上成像，像尺寸将与被测物实际尺寸成-定的比例。设T为像尺寸，K为比例系数，则被测物的实际尺寸s可由SKT来表示，K表示每个象元所代表的实际物体尺寸的当量，它与光学成像系统的放大倍率、CCD象元尺寸等因素有关。T对应于像所占的象元数量与单个象元尺寸的乘积。求K值的过程也叫定标。定标的具体方法是 ：先把-个已知尺寸为 Lp的标准物体放在被测 目标位置，得到该物体的像所占据的CCD象元数Np，从KLp/Np可以得到系统的K值，然后再把被测目标 Lx置于该位置，测出对应的CCD象元数 Nx，由LxK Nx就可以最终算出IJx值。定标需要光学系统保持恒定，即系统各部件之间的工作距离和相对位置不能改变，如有改变，则测量前需要重新定标。

上述方法又称为-次定标，虽然相对简单，但实际测量结果往往不尽如人意，分析之后我们发现，仪器本身也存在着-定的系统误差，而这种误差无法用-次定标加以修正 ，经过多次的实验 ，笔者发现被测物体的实际尺寸Lx和象元数Nx之间大致有LxKNxb的关系，b就是测量值中的系统误差，通过两次标定就可以确定K和b值，即二次定标法。再得到象元数N：，将L。、L 、N。、N 代人LxKNxb可以算得：KL2-L /N2-NIbL。-KN显然，b值代表实际值与测量值之差，这是由系统产生的测量误差。

高精度的线阵CCD摄像系统需要有专用的具有大像场和宣变 (几何畸变小于O.03%)的光学系统来配合。而我们受实验室成本的限制，只能选用普通的显微物镜，不可避免地存在着-定的几何畸变，造成不同直径范围对应的K也不 同的。所以测量时必须进行分段定标。在实际应用中，往往采用分段二次标定方法，即将-个测量范围分成若干段，对每-个小段用相应的标准物进行标定，分段越多，标定越精确。用标定值对测量值进行修正，大大提高了测量精度，同时也降低了对光学系统的要求。对涤纶单丝的CCD在线精密测径实验研究表明，在0.17至1.1mm范- 23 -第30卷 广西民族师范学院学报 (总第88期)围内，直径与单丝影像所覆盖的CCD器件元数不是线性关系，为此，引入非线性修正，即将0.17 1.1mm的测径范围分成l5段，每段取-种样品，得到真实值后，再根据测量值，通过高次曲线拟合确定该段修正系数.若改用二次曲线对实验数据进行拟合，即先在被测位置上放置-已知尺寸为L。的标准物体，得到相应的象元数N，，然后再先后换上已知尺寸为 和 标准物体，再得到象元数N 和N3，将Ll、 、 、N.、N 、N3代入LxK Nx K2Nxb可以算得：K - K-(Nl 4-Ⅳ2)b：L -KlN -K2N5边界提取误差修正的数据处理另-个影响测量准确度的因素是阴影部分的边界提取，即在阴影部分的左右两个斜坡上定位左右边界点所对应的CCD像元序列号。在这里，有两种算法可以采用：基于像元细分的幅度切割法和梯度法。

(1)基于像元细分的幅度切割法Vs图5 边界提取在图5所示的阴影部分中，左边界上由高到低的幅度值分别对应着A1，A2An等CCD像元，右边界上由低到高的幅度值则分别对应着A3，A4Am等CCD像元，我们用- 条幅值为vs的阈值线来切割这个阴影部分，相交处的幅度值所对应的像元M1和M2就是左右边界点。但是，Vs很有可能落在两相邻像元的幅度值之间，而不会与某-个像元的幅度值完全相等 ，这就是说M1(M2)点所对应的CCD像元序号不是-个整数。这样的误差可以通过像元细分来加以修正，其左边界点的公式如下：M1A2 - (Vs-v2)，(Vl-V2)上式中，v2为像元A2的幅度值，v1为像元Al的幅度值，vs为阈值电平。同理，右边界点的计算公式为：M2A4- (V4-Vs)/(V4-V3)采用像元细分技术进行修正之后，可以达到若干分之- 的象元分辨率。

(2)梯度法由于环境噪声和被测目标的边缘特性，阴影的边界不是直上直下，而是呈现出斜坡的状态，整体上较为连续且平缓。但是，在真正的边界点处，其幅度值-定有着非常大的陡然下落或突然涨幅，相应地会在阴影上表现出突然- 24 -增大的梯度。因此，只要找出两个斜坡段上梯度最大点的位置，该点的位置就是边界点的位置。设斜坡上某相邻两个像元为Ma和Mb，它们对应的幅度值为va和Vb，则Mb点的梯度为：Tb：I Vb - Va I，I Mb -Ma l用此公式顺序求出左右斜坡上每-点的梯度 ，再通过比较找到最大值，即可得出边界点。利用该方法可以将边界精确地定位在CCD的-个像元上，并有较强的抗干扰能力。

6误差处理及结果衡量通过上述分析，可以看出，非接触式直径测量实验过程中的误差可以分为两类，由测试系统本身造成的系统误差。另外，由于实验者本身造成的误差也影响测量结果，即偶然误差。偶然误差的减小，可以通过多次测量来避免，其大小由测量数据的标准方差SN来解释。

r-------- S f ∑( ) 1其中，n为测量次数。测量数据列的误差可以表示为A类误差 ，其表达式可以表示为A类不确定性：/， -1)s其中， -1被称为测量次数因子。A类不确定性强烈依赖于测量次数，-般来说，测量次数越多，A类不确定性越校如果测量次数为3次，则 -1)取 1.32。

7结 语非接触式直径测量实验是-项对数据处理依赖性很强的实验，通过这项实验，学生对于CCD技术的应用、光学成像系统的定标、像元细分和求梯度等数据处理都会有-个直观和理性的认识。