影响线性CCD非接触测径结果因素的研究

杨涛 杨云 李震春

摘  要：该文研究影响线性CCD非接触测量细丝直径精度的因素，通过改变光源强度，研究光强对测量结果的影响;利用直径不同的标准细丝定标，研究被测细丝直径与标准细丝直径之间的关系，为二次定标和高次定标提供参考。实验结果表明光强比例在50%到90%，测量结果变化较小，精度较高，且被测细丝直径越接近标准细丝直径测量结果越准确。

关键词：光源强度  标准细丝  被测细丝  偏差

中图分类号：TH741                          文献标识码：A文章编号：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

隨着科学技术的发展，传感器已经大规模应用在人类社会的各个领域。而CCD是一种能把光信号转化成电信号的传感器，具有体积小、质量轻、功耗低、可靠性高、寿命长、图像畸变小、有较高的空间分辨力、易与电脑连接等优点，所以应用非常广泛[1-3]。

细丝在我们日常生活和高端设备中有着广泛的应用，而细丝直径是一个重要参数。细丝直径的测量方法很多，有游标卡尺和千分尺直接测量方法，有用密度、电桥、光杠杆、光的衍射等间接测量方法，但这些方法有的直接接触被测细丝，测量过程中容易引起细丝的形变，有的测量精度较低，有的成本较高。而利用线性CCD的优点，采用非接触测量，不仅测量精度提高，而且成本低，被测物不发生形变[4]。

该文利用DM99型CCD测径仪，在系统定标下测量0.8～3 mm以内细丝直径，通过光源强度的变化，研究光强对测量结果的影响，利用直径不同的标准细丝定标，测量被测细丝直径，研究被测细丝直径与标准细丝直径之间的关系。

1  实验方法

DM99型CCD测径仪是南京浪博开发的一款测量微细线径的实验仪器，可选用投影法、放大成像法测量0.8～3 mm以内的物体直径，具有多种信息处理算法选择及效果分析，提供了一种非接触方式，实时在线的高精度测量手段，实用性强，分辨率可达0.1 μm。为了能比较好的研究对测量结果影响的因素，采用系统定标和梯度边缘检测法，研究光源强度对测量结果的影响和标准细丝与被测细丝直径大小关系对测量结果的影响。

系统定标的数学模型是：d=kN，式中，d是细丝直径;k是像元分辨率;N是细丝所遮挡的像元个数。细丝像元个数N是由电脑的计数脉冲获得，像元分辨率k是用标准细丝确定的。

在研究光源强度对测量结果影响的实验中，在0.8～3 mm之间选取一组标准细丝，对系统定标;选取一组被测细丝，测量被测细丝直径。光源强度从20%（纵坐标显示）开始变化，每次光源强度增加10%，测量结果与参考值比较，研究光源强度对测量结果影响的规律。

在研究标准细丝与被测细丝直径大小关系对测量结果的影响实验中，固定光源强度，在0.8～3 mm之间选取一组标准细丝，标准细丝直径用千分尺测量，选取一组被测细丝，用千分尺测出直径作为参考值。由细到粗依次选取标准细丝做系统定标，定标后测量选取的一组被测细丝直径，测量结果与参考值比较分析，寻找标准细丝与被测细丝直径大小关系对测量结果的影响规律。

2  数据测量与分析

2.1 光源强度对测量结果影响

首先选取4根标准细丝和4根被测细丝，千分尺分别测出标准细丝的标准值和被测细丝的参考值。每一根标准细丝和直径相近的被测细丝组成一组，由标准细丝定标，光源强度从20%增加到100%，每次增加10%，测量被测细丝直径dc测i的数据（见表1）。

CCD系统测量值与千分尺所测被测细丝直径比较，求出其绝对误差?i=d4测i-dc测i，其数据具体见表2。

根据表2数据，以光源强度的百分比为横坐标，被测细丝直径的绝对误差为纵坐标，光强与被测细丝直径绝对误差的关系见图1。

从图1我们能看出：光强由弱变强的过程中，被测细丝直径测量值绝对误差由负变正，根据?i=d4测i-dc测i，说明测量值逐渐变小;光强从50%到90%变化时，被测细丝直径的测量值变化较小，说明光强在这个区间测量精度较高，但准确度不高;而光强从40%到50%的变化过程中，绝对误差由负变正，说明在这个区间测量准确度较高，但曲线斜率较大，精度偏低;当光强超过100%后，测量值减小加剧，测量的精度与准确度都降低。产生这一现象的原因在于：随着光强的逐渐增强，亚像素级边缘位置逐渐向区域内部移動，且变化趋势放缓;当光强增强到一定强度后，亚像素级边缘位置迅速向区域内部移动[5]。

2.2 标准细丝与被测细丝直径之间的关系

在实验研究1的基础上，选择40%～50%光强，选取一组标准细丝和被测细丝，用千分尺测出标准细丝直径，并对CCD系统定标获得元分辨率ki，测得被测细丝的直径dc测i，获得数据见表3。

用千分尺测出被测细丝直径，作为与CCD测量值比较的参考值，用表3被测细丝直径与千分尺测的被测细丝直径比较，获得其绝对误差?i，并取其绝对值∣?i∣，数据见表4。

观察表4中数据，发现数据矩阵的对角线上的数据很小，即CCD测量的被测细丝直径接近千分尺测量的结果。为了更加清楚地发现规律，根据表4数据，以标准细丝由细到粗的编号为横坐标，被测细丝绝对误差的绝对值为纵坐标，获得图2。

图2中（a）是不同标准细丝定标与被测细丝1测量结果偏差的绝对值分布情况，被测细丝1的参考值为772 μm，我们可以看出，标准细丝1定标时，测量结果偏差最小，标准细丝与被测细丝直径相差越大，其测量结果的偏差有变大的趋势。从图（a）（b）（c）（d）（e）（f）都能看出这个变化规律，即：被测细丝直径与标准细丝直径越接近，测量结果的偏差越小，也就是测量越准确。

3  结语

通过上述实验，我们发现光源强度的变化对被测细丝直径的测量结果有明显的影响，选择光强比例在50%到90%之间，测量结果变化比较小，而在50%附近，测量应该是最准确的。在定标标准细丝直径与被测细丝直径测量值关系的研究中，我们发现被测细丝直径与标准细丝直径越接近，测量的结果越准确。这一特性为分段二次定标奠定了实验基础。

参考文献

[1] Wei T， Rui. W， Tingfeng W， et al. Outeld experiment of semiconductor laser jamming on color CCD camera[J].Optik，2018（173）：185–192.

[2] 卢佳宝，韩学辉，王彩霞.基于线阵CCD的精密尺寸测量系统[J].光电子  激光，2019，30（9）：935-940.

[3] 徐航，崔江红，席建普，等.基于线阵CCD的轴类零件直径测量仪设计[J].中原工学院学报，2017，28（6）：16-18.

[4] 陈青.基于数字图像的细丝直径测量实验[J].数字技术与应用，2018（6）：116-117.

[5] 吴一全，皱宇，刘忠林.基于Franklin矩的亚像素级图像边缘检测算法[J].仪器仪表学报，2019，40（5）：221-229.

[6] 谭海军，邓先申，田芃，等.线阵CCD精密尺寸测量系统的设计与研究[J].电子技术与软件工程，2015（11）：148-150.