專利名稱：一種基于電荷耦合器件的測量動(dòng)態(tài)細(xì)絲直徑的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種測量動(dòng)態(tài)細(xì)絲直徑的裝置，特別涉及一種基于電荷耦合器件 的測量動(dòng)態(tài)細(xì)絲直徑的裝置。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)代的工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，經(jīng)常碰到微小尺寸的檢測問題，如細(xì)絲、薄板、 狹縫等，而微小尺寸的檢測方法也很多，具體分類有機(jī)械測量，電磁測量，光學(xué)測量以及光 電測量。機(jī)械測量和電磁測量都不能實(shí)現(xiàn)非接觸測量，純光學(xué)測量雖然可以實(shí)現(xiàn)非接觸，但 是需要設(shè)計(jì)精密的光路，并目往往需要人工干預(yù)，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且精度較低，不便于實(shí) 時(shí)檢測、顯示和控制，其應(yīng)用范圍也受到一定的限制。光電檢測法具有高精度，高可靠性， 實(shí)現(xiàn)簡單，可維護(hù)性好等優(yōu)點(diǎn)，近年來，利用線陣CCD進(jìn)行無接觸測量得到廣泛關(guān)注。線陣 CCD器件具有許多優(yōu)點(diǎn)空間分辨率高，可以實(shí)現(xiàn)高精度測量；空間自掃描可以實(shí)現(xiàn)量的絕 對(duì)測量；可靠性高，可以在很惡劣的環(huán)境下工作；而且其線掃描輸出的光電信號(hào)有利于其 后續(xù)信號(hào)處理。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型是針對(duì)現(xiàn)在測量動(dòng)態(tài)細(xì)絲直徑的方法精度低，不便于實(shí)時(shí)檢測、顯示 和控制的問題，提出了一種基于電荷耦合器件的測量動(dòng)態(tài)細(xì)絲直徑的裝置，采用平行線光 源，使線陣CCD上得到的細(xì)絲像的寬度不隨細(xì)絲的擺動(dòng)而變化，該裝置無需接觸即可精確 方便的測量動(dòng)態(tài)細(xì)絲的直徑。具有測量速度快、精度高、非接觸、動(dòng)態(tài)和自動(dòng)化的特點(diǎn)。本實(shí)用新型的技術(shù)方案為一種基于電荷耦合器件的測量動(dòng)態(tài)細(xì)絲直徑的裝置， 包括平行線光源、CCD電荷耦合器件、CPLD可編程邏輯器件、信號(hào)處理電路、單片機(jī)，平行線 光源照射在被測物上，被測物成像在CCD電荷耦合器件上，CCD電荷耦合器件將轉(zhuǎn)換后信號(hào) 輸出到信號(hào)處理電路中處理后輸出到單片機(jī)中進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)和計(jì)算，CPLD可編程邏輯器件 給CCD電荷耦合器件提供驅(qū)動(dòng)同時(shí)給單片機(jī)提供時(shí)鐘以及時(shí)序匹配。所述CXD電荷耦合器件采用ILX554B型號(hào)的(XD，CPLD可編程邏輯器件采用 MAX7000系列的芯片EPM7064STC44，CPLD可編程邏輯器件輸出到CXD電荷耦合器件兩個(gè) 控制信號(hào)，一個(gè)信號(hào)為CCD的工作時(shí)鐘脈沖信號(hào)，另一個(gè)為控制電荷轉(zhuǎn)移、設(shè)定積分時(shí)間信 號(hào)。單片機(jī)選用的87C51單片機(jī)，CCD電荷耦合器件將轉(zhuǎn)換后信號(hào)輸出到信號(hào)處理電 路中處理后輸出到單片機(jī)的計(jì)數(shù)器TO引腳進(jìn)行計(jì)數(shù)，單片機(jī)的I/O 口將計(jì)算結(jié)果輸出。本實(shí)用新型的有益效果在于本實(shí)用新型基于電荷耦合器件的測量動(dòng)態(tài)細(xì)絲直徑 的裝置，采用光作為測量媒介，可實(shí)現(xiàn)非接觸式測量；采用平行線光源成像系統(tǒng)，待測物的 前后左右搖擺不會(huì)影響測量結(jié)果，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測量；所用各種芯片均選用低端產(chǎn)品即可滿 足需求，設(shè)計(jì)成本低；同時(shí)采用信號(hào)放大濾波電路，可增強(qiáng)系統(tǒng)抗干擾能力，提高測量精度。
圖1為本實(shí)用新型圖基于電荷耦合器件的測量動(dòng)態(tài)細(xì)絲直徑的裝置總系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 圖；圖2為本實(shí)用新型基于電荷耦合器件的測量動(dòng)態(tài)細(xì)絲直徑的裝置的光學(xué)系統(tǒng)示 意圖；圖3為本實(shí)用新型基于電荷耦合器件的測量動(dòng)態(tài)細(xì)絲直徑的裝置的CCD控制信號(hào) 的電路圖；圖4為本實(shí)用新型基于電荷耦合器件的測量動(dòng)態(tài)細(xì)絲直徑的裝置的信號(hào)處理電 路原理圖。
具體實(shí)施方式
如圖1所示基于電荷耦合(CCD)器件的測量動(dòng)態(tài)細(xì)絲直徑的裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖及圖 2光學(xué)系統(tǒng)示意圖，系統(tǒng)包括一個(gè)平行線光源1、(XD器件3、CPLD6、信號(hào)處理電路4、單片機(jī) 5。平行線光源1照射在被測物2上，被測物2成像在CXD器件3上，CXD器件3將轉(zhuǎn)換后 信號(hào)輸出到信號(hào)處理電路4中處理后輸出到單片機(jī)5中進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)和計(jì)算，CPLD可編程 邏輯器件6給CCD器件3提供驅(qū)動(dòng)同時(shí)給單片機(jī)提供時(shí)鐘以及時(shí)序匹配。采用光學(xué)成像，通過光學(xué)系統(tǒng)將被測物的尺寸以一定的、準(zhǔn)確的倍率成像于CXD 光敏面上，CCD將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，以脈沖的方式輸出。CCD輸出的脈沖信號(hào)經(jīng)過驅(qū)動(dòng) 電路的放大、濾波處理，輸入到單片機(jī)的TO引腳，利用單片機(jī)自帶的計(jì)數(shù)器TO對(duì)CCD的輸 出脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，經(jīng)過運(yùn)算即可得出被測物的尺寸。計(jì)算公式為D = aXN，其中D-待測物 直徑，a-光敏元尺寸，N-待測物經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像后在CCD光敏區(qū)所遮擋的光敏元數(shù)。平行線光源的設(shè)計(jì)方案將點(diǎn)光源置于凸透鏡前焦點(diǎn)，在凸透鏡后的輸出光線即 為平行光，用一個(gè)矩形光闌就可得到平行線光源。此設(shè)計(jì)對(duì)點(diǎn)光源有三個(gè)要求一、光源應(yīng)發(fā)射與CXD光譜響應(yīng)特性相匹配的光； 二、光源光強(qiáng)不能超出CCD的最低響應(yīng)度與飽和曝光量之間的范圍；三、像面上的照度要穩(wěn) 定、均勻，以防止超出CCD的動(dòng)態(tài)范圍。為了和CCD的光譜曲線相配合，使CCD的光譜響應(yīng) 最大，此設(shè)計(jì)采用功率為3W的白熾燈光源。C⑶芯片的選用本設(shè)計(jì)選用索尼公司生產(chǎn)的一款名為ILX554B的(XD， ILX554B是具有2048個(gè)有效像元的線陣CCD，單5V供電，有極高的靈敏度，像元大小為 14 μ mX 56 μ m，典型的時(shí)鐘脈沖頻率為1MHz，最大不超過2MHz.該CXD有兩種工作模式，分 別為采樣保持和無采樣保，正常工作時(shí)僅需要2控制信號(hào)ΦαΚ和c^ROG，前者為CCD的工 作時(shí)鐘脈沖，后者控制電荷轉(zhuǎn)移、設(shè)定積分時(shí)間.在OROG信號(hào)為高的時(shí)候，CCD處于曝光 充電的階段，當(dāng)OROG為低的時(shí)候，所有光敏感元上的電荷一次性轉(zhuǎn)移到移位寄存器上，然 后再通過Φακ信號(hào)產(chǎn)生的移位信號(hào)將這些電荷按位轉(zhuǎn)移到一個(gè)電容上，就得到輸出電壓 信號(hào)Vout。ILX554B的輸出電壓信號(hào)范圍為1. 85V-2. 85V，在完全沒有光照情況下，CXD的象 元對(duì)應(yīng)的輸出脈沖信號(hào)為2. 85V，在飽和曝光時(shí)CCD的象元對(duì)應(yīng)的輸出脈沖信號(hào)為1. 85V?；贑PLD的CXD控制信號(hào)的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用Altera公司MAX7000系列的芯 片EPM7064STC44，不但可以為CXD提供驅(qū)動(dòng)，也可以為光譜信號(hào)的采集提供時(shí)鐘以及其他電路的時(shí)序匹配，利用Altera公司提供的Quartus II 8. Iffeb Edition版軟件，可以完成 對(duì)電路設(shè)計(jì)的功能分析、時(shí)序分析及各種文本及圖形輸入，并能將設(shè)計(jì)結(jié)果裝載到Altera 公司的各種芯片中。本文的設(shè)計(jì)采用層次設(shè)計(jì)輸入方式，底層元件采用VHDL文本設(shè)計(jì)，頂 層采用原理圖輸入設(shè)計(jì)，在圖形設(shè)計(jì)中調(diào)用了 VHDL設(shè)計(jì)的各個(gè)模塊，如圖3所示，divl8、 div2500、div50000三個(gè)元件是用VHDL語言設(shè)計(jì)的。信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)ILX554B的輸出信號(hào)范圍在1. 85V-2. 85V，為了后續(xù)脈沖計(jì) 數(shù)的自動(dòng)化，應(yīng)設(shè)計(jì)電路將輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為0V-5V之間，用于和標(biāo)準(zhǔn)的TTL電壓基準(zhǔn)相兼 容。為了消除高頻干擾波的影響，電路中應(yīng)設(shè)計(jì)濾波器。經(jīng)過濾波放大的CCD信號(hào)進(jìn)行二 值化處理后送入脈沖計(jì)數(shù)器，如圖4所示。此信號(hào)處理電路采用四級(jí)處理的方式來實(shí)現(xiàn)，第 一級(jí)電路為一個(gè)2. 5倍的同相放大電路，第二級(jí)是一個(gè)反相偏置放大電路，放大倍數(shù)為1. 5 倍，偏置電壓為2V。電容C4用于隔去直流分量。通過Rll輸入的0.4V的電壓用做浮地信 號(hào)，將第三極電路的輸入信號(hào)與地信號(hào)分開，避免地信號(hào)里面雜波的影響。第三級(jí)電路是一 個(gè)電壓跟隨器，主要目的是增加電路的輸出功率。電容C5是用來組成一個(gè)低通濾波器，濾 除電路中帶入的高頻雜信號(hào)。第四級(jí)電路時(shí)一個(gè)施密特比較器電路，比較用的基準(zhǔn)電平選 用 2. 5V。脈沖計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)選用Intel公司的87C51單片機(jī)作為脈沖計(jì)數(shù)器，CCD輸出的 脈沖信號(hào)經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路的放大、濾波處理，輸入到單片機(jī)的TO引腳，利用單片機(jī)自帶的計(jì) 數(shù)器TO對(duì)CCD的輸出脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，通過單片機(jī)的I/O 口將計(jì)算結(jié)果輸出并用數(shù)碼管顯
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權(quán)利要求一種基于電荷耦合器件的測量動(dòng)態(tài)細(xì)絲直徑的裝置，其特征在于，包括平行線光源、CCD電荷耦合器件、CPLD可編程邏輯器件、信號(hào)處理電路、單片機(jī)，平行線光源照射在被測物上，被測物成像在CCD電荷耦合器件上，CCD電荷耦合器件將轉(zhuǎn)換后信號(hào)輸出到信號(hào)處理電路中處理后輸出到單片機(jī)中進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)和計(jì)算，CPLD可編程邏輯器件給CCD電荷耦合器件提供驅(qū)動(dòng)同時(shí)給單片機(jī)提供時(shí)鐘以及時(shí)序匹配。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于電荷耦合器件的測量動(dòng)態(tài)細(xì)絲直徑的裝置，其特征在于， 所述CXD電荷耦合器件采用ILX554B型號(hào)的(XD，CPLD可編程邏輯器件采用MAX7000系列 的芯片EPM7064STC44，CPLD可編程邏輯器件輸出到CXD電荷耦合器件兩個(gè)控制信號(hào)，一個(gè) 信號(hào)為CCD的工作時(shí)鐘脈沖信號(hào)，另一個(gè)為控制電荷轉(zhuǎn)移、設(shè)定積分時(shí)間信號(hào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于電荷耦合器件的測量動(dòng)態(tài)細(xì)絲直徑的裝置，其特征在于， 單片機(jī)選用的87C51單片機(jī)，CCD電荷耦合器件將轉(zhuǎn)換后信號(hào)輸出到信號(hào)處理電路中處理 后輸出到單片機(jī)的計(jì)數(shù)器TO引腳進(jìn)行計(jì)數(shù)，單片機(jī)的I/O 口將計(jì)算結(jié)果輸出。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種基于電荷耦合器件的測量動(dòng)態(tài)細(xì)絲直徑的裝置，平行線光源照射在被測物上，被測物成像在CCD電荷耦合器件上，CCD電荷耦合器件將轉(zhuǎn)換后信號(hào)輸出到信號(hào)處理電路中處理后輸出到單片機(jī)中進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)和計(jì)算，CPLD可編程邏輯器件給CCD電荷耦合器件提供驅(qū)動(dòng)同時(shí)給單片機(jī)提供時(shí)鐘以及時(shí)序匹配。此裝置采用光作為測量媒介，可實(shí)現(xiàn)非接觸式測量；采用平行線光源成像系統(tǒng)，待測物的前后左右搖擺不會(huì)影響測量結(jié)果，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測量；所用各種芯片均選用低端產(chǎn)品即可滿足需求，設(shè)計(jì)成本低；同時(shí)采用信號(hào)放大濾波電路，可增強(qiáng)系統(tǒng)抗干擾能力，提高測量精度。
文檔編號(hào)G01B11/08GK201622064SQ20102013861
公開日2010年11月3日 申請(qǐng)日期2010年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月23日
發(fā)明者張軍, 張榮福, 李濱言, 王濤, 蔣庭佳, 馬玲官, 高亮 申請(qǐng)人:上海理工大學(xué)