影響線性CCD非接觸測(cè)徑結(jié)果因素的研究

楊濤 楊云 李震春

摘? 要：該文研究影響線性CCD非接觸測(cè)量細(xì)絲直徑精度的因素，通過(guò)改變光源強(qiáng)度，研究光強(qiáng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響;利用直徑不同的標(biāo)準(zhǔn)細(xì)絲定標(biāo)，研究被測(cè)細(xì)絲直徑與標(biāo)準(zhǔn)細(xì)絲直徑之間的關(guān)系，為二次定標(biāo)和高次定標(biāo)提供參考。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明光強(qiáng)比例在50%到90%，測(cè)量結(jié)果變化較小，精度較高，且被測(cè)細(xì)絲直徑越接近標(biāo)準(zhǔn)細(xì)絲直徑測(cè)量結(jié)果越準(zhǔn)確。

關(guān)鍵詞：光源強(qiáng)度? 標(biāo)準(zhǔn)細(xì)絲? 被測(cè)細(xì)絲? 偏差

中圖分類號(hào)：TH741? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-3791（2020）11（a）-0089-05

Study on the Factors Influencing the Results of Non-Contactmeasurement of Linear CCD Diameter

YANG Tao? YANG Yun? LI Zhenchun

（School of Materials Science and Engineering， Guilin University of Electronic Technology，Guilin， Guangxi zhuang autonomous region， 541004? China）

Abstract： This paper studies the factors that affect the precision of non-contact measurement of filament diameter by linear CCD， which provides reference for secondary calibration and higher. By changing the intensity of light source， the influence of light intensity on measurement results is studied. By using the standard filament calibration with different diameters， the relationship between the measured filament diameter and the standard filament diameter is studied. The experimental results show that the ratio of light intensity is between 50% and 90%， the measurement results change little and the accuracy is high， and the closer the measured filament diameter is to the standard filament diameter， the more accurate the measurement results are.

Key Word： Intensity of light source; Standard filament; Measured filaments; Deviation

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，傳感器已經(jīng)大規(guī)模應(yīng)用在人類社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域。而CCD是一種能把光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)的傳感器，具有體積小、質(zhì)量輕、功耗低、可靠性高、壽命長(zhǎng)、圖像畸變小、有較高的空間分辨力、易與電腦連接等優(yōu)點(diǎn)，所以應(yīng)用非常廣泛[1-3]。

細(xì)絲在我們?nèi)粘Ｉ詈透叨嗽O(shè)備中有著廣泛的應(yīng)用，而細(xì)絲直徑是一個(gè)重要參數(shù)。細(xì)絲直徑的測(cè)量方法很多，有游標(biāo)卡尺和千分尺直接測(cè)量方法，有用密度、電橋、光杠桿、光的衍射等間接測(cè)量方法，但這些方法有的直接接觸被測(cè)細(xì)絲，測(cè)量過(guò)程中容易引起細(xì)絲的形變，有的測(cè)量精度較低，有的成本較高。而利用線性CCD的優(yōu)點(diǎn)，采用非接觸測(cè)量，不僅測(cè)量精度提高，而且成本低，被測(cè)物不發(fā)生形變[4]。

該文利用DM99型CCD測(cè)徑儀，在系統(tǒng)定標(biāo)下測(cè)量0.8～3 mm以內(nèi)細(xì)絲直徑，通過(guò)光源強(qiáng)度的變化，研究光強(qiáng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，利用直徑不同的標(biāo)準(zhǔn)細(xì)絲定標(biāo)，測(cè)量被測(cè)細(xì)絲直徑，研究被測(cè)細(xì)絲直徑與標(biāo)準(zhǔn)細(xì)絲直徑之間的關(guān)系。

1? 實(shí)驗(yàn)方法

DM99型CCD測(cè)徑儀是南京浪博開發(fā)的一款測(cè)量微細(xì)線徑的實(shí)驗(yàn)儀器，可選用投影法、放大成像法測(cè)量0.8～3 mm以內(nèi)的物體直徑，具有多種信息處理算法選擇及效果分析，提供了一種非接觸方式，實(shí)時(shí)在線的高精度測(cè)量手段，實(shí)用性強(qiáng)，分辨率可達(dá)0.1 μm。為了能比較好的研究對(duì)測(cè)量結(jié)果影響的因素，采用系統(tǒng)定標(biāo)和梯度邊緣檢測(cè)法，研究光源強(qiáng)度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響和標(biāo)準(zhǔn)細(xì)絲與被測(cè)細(xì)絲直徑大小關(guān)系對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

系統(tǒng)定標(biāo)的數(shù)學(xué)模型是：d=kN，式中，d是細(xì)絲直徑;k是像元分辨率;N是細(xì)絲所遮擋的像元個(gè)數(shù)。細(xì)絲像元個(gè)數(shù)N是由電腦的計(jì)數(shù)脈沖獲得，像元分辨率k是用標(biāo)準(zhǔn)細(xì)絲確定的。

在研究光源強(qiáng)度對(duì)測(cè)量結(jié)果影響的實(shí)驗(yàn)中，在0.8～3 mm之間選取一組標(biāo)準(zhǔn)細(xì)絲，對(duì)系統(tǒng)定標(biāo);選取一組被測(cè)細(xì)絲，測(cè)量被測(cè)細(xì)絲直徑。光源強(qiáng)度從20%（縱坐標(biāo)顯示）開始變化，每次光源強(qiáng)度增加10%，測(cè)量結(jié)果與參考值比較，研究光源強(qiáng)度對(duì)測(cè)量結(jié)果影響的規(guī)律。

在研究標(biāo)準(zhǔn)細(xì)絲與被測(cè)細(xì)絲直徑大小關(guān)系對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響實(shí)驗(yàn)中，固定光源強(qiáng)度，在0.8～3 mm之間選取一組標(biāo)準(zhǔn)細(xì)絲，標(biāo)準(zhǔn)細(xì)絲直徑用千分尺測(cè)量，選取一組被測(cè)細(xì)絲，用千分尺測(cè)出直徑作為參考值。由細(xì)到粗依次選取標(biāo)準(zhǔn)細(xì)絲做系統(tǒng)定標(biāo)，定標(biāo)后測(cè)量選取的一組被測(cè)細(xì)絲直徑，測(cè)量結(jié)果與參考值比較分析，尋找標(biāo)準(zhǔn)細(xì)絲與被測(cè)細(xì)絲直徑大小關(guān)系對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響規(guī)律。

2? 數(shù)據(jù)測(cè)量與分析

2.1 光源強(qiáng)度對(duì)測(cè)量結(jié)果影響

首先選取4根標(biāo)準(zhǔn)細(xì)絲和4根被測(cè)細(xì)絲，千分尺分別測(cè)出標(biāo)準(zhǔn)細(xì)絲的標(biāo)準(zhǔn)值和被測(cè)細(xì)絲的參考值。每一根標(biāo)準(zhǔn)細(xì)絲和直徑相近的被測(cè)細(xì)絲組成一組，由標(biāo)準(zhǔn)細(xì)絲定標(biāo)，光源強(qiáng)度從20%增加到100%，每次增加10%，測(cè)量被測(cè)細(xì)絲直徑dc測(cè)i的數(shù)據(jù)（見表1）。

CCD系統(tǒng)測(cè)量值與千分尺所測(cè)被測(cè)細(xì)絲直徑比較，求出其絕對(duì)誤差?i=d4測(cè)i-dc測(cè)i，其數(shù)據(jù)具體見表2。

根據(jù)表2數(shù)據(jù)，以光源強(qiáng)度的百分比為橫坐標(biāo)，被測(cè)細(xì)絲直徑的絕對(duì)誤差為縱坐標(biāo)，光強(qiáng)與被測(cè)細(xì)絲直徑絕對(duì)誤差的關(guān)系見圖1。

從圖1我們能看出：光強(qiáng)由弱變強(qiáng)的過(guò)程中，被測(cè)細(xì)絲直徑測(cè)量值絕對(duì)誤差由負(fù)變正，根據(jù)?i=d4測(cè)i-dc測(cè)i，說(shuō)明測(cè)量值逐漸變小;光強(qiáng)從50%到90%變化時(shí)，被測(cè)細(xì)絲直徑的測(cè)量值變化較小，說(shuō)明光強(qiáng)在這個(gè)區(qū)間測(cè)量精度較高，但準(zhǔn)確度不高;而光強(qiáng)從40%到50%的變化過(guò)程中，絕對(duì)誤差由負(fù)變正，說(shuō)明在這個(gè)區(qū)間測(cè)量準(zhǔn)確度較高，但曲線斜率較大，精度偏低;當(dāng)光強(qiáng)超過(guò)100%后，測(cè)量值減小加劇，測(cè)量的精度與準(zhǔn)確度都降低。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因在于：隨著光強(qiáng)的逐漸增強(qiáng)，亞像素級(jí)邊緣位置逐漸向區(qū)域內(nèi)部移動(dòng)，且變化趨勢(shì)放緩;當(dāng)光強(qiáng)增強(qiáng)到一定強(qiáng)度后，亞像素級(jí)邊緣位置迅速向區(qū)域內(nèi)部移動(dòng)[5]。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)細(xì)絲與被測(cè)細(xì)絲直徑之間的關(guān)系

在實(shí)驗(yàn)研究1的基礎(chǔ)上，選擇40%～50%光強(qiáng)，選取一組標(biāo)準(zhǔn)細(xì)絲和被測(cè)細(xì)絲，用千分尺測(cè)出標(biāo)準(zhǔn)細(xì)絲直徑，并對(duì)CCD系統(tǒng)定標(biāo)獲得元分辨率ki，測(cè)得被測(cè)細(xì)絲的直徑dc測(cè)i，獲得數(shù)據(jù)見表3。

用千分尺測(cè)出被測(cè)細(xì)絲直徑，作為與CCD測(cè)量值比較的參考值，用表3被測(cè)細(xì)絲直徑與千分尺測(cè)的被測(cè)細(xì)絲直徑比較，獲得其絕對(duì)誤差?i，并取其絕對(duì)值∣?i∣，數(shù)據(jù)見表4。

觀察表4中數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)矩陣的對(duì)角線上的數(shù)據(jù)很小，即CCD測(cè)量的被測(cè)細(xì)絲直徑接近千分尺測(cè)量的結(jié)果。為了更加清楚地發(fā)現(xiàn)規(guī)律，根據(jù)表4數(shù)據(jù)，以標(biāo)準(zhǔn)細(xì)絲由細(xì)到粗的編號(hào)為橫坐標(biāo)，被測(cè)細(xì)絲絕對(duì)誤差的絕對(duì)值為縱坐標(biāo)，獲得圖2。

圖2中（a）是不同標(biāo)準(zhǔn)細(xì)絲定標(biāo)與被測(cè)細(xì)絲1測(cè)量結(jié)果偏差的絕對(duì)值分布情況，被測(cè)細(xì)絲1的參考值為772 μm，我們可以看出，標(biāo)準(zhǔn)細(xì)絲1定標(biāo)時(shí)，測(cè)量結(jié)果偏差最小，標(biāo)準(zhǔn)細(xì)絲與被測(cè)細(xì)絲直徑相差越大，其測(cè)量結(jié)果的偏差有變大的趨勢(shì)。從圖（a）（b）（c）（d）（e）（f）都能看出這個(gè)變化規(guī)律，即：被測(cè)細(xì)絲直徑與標(biāo)準(zhǔn)細(xì)絲直徑越接近，測(cè)量結(jié)果的偏差越小，也就是測(cè)量越準(zhǔn)確。

3? 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)光源強(qiáng)度的變化對(duì)被測(cè)細(xì)絲直徑的測(cè)量結(jié)果有明顯的影響，選擇光強(qiáng)比例在50%到90%之間，測(cè)量結(jié)果變化比較小，而在50%附近，測(cè)量應(yīng)該是最準(zhǔn)確的。在定標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)細(xì)絲直徑與被測(cè)細(xì)絲直徑測(cè)量值關(guān)系的研究中，我們發(fā)現(xiàn)被測(cè)細(xì)絲直徑與標(biāo)準(zhǔn)細(xì)絲直徑越接近，測(cè)量的結(jié)果越準(zhǔn)確。這一特性為分段二次定標(biāo)奠定了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

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