CCD非接触检测技术在工业生产中的运用

罗天娇 张 强

（长春电子科技学院，吉林 长春 130000）

0 引言

在以往工业生产环节中，主要是以人工检测方式为主，但受人为因素影响会引发众多问题，无法保证检测结果准确性。随着我国科技水平不断提升，工业领域在创新发展阶段注重检测技术手段创新，引进新技术、新设备，其中就包括CCD 非接触检测技术，在应用阶段与图像处理技术结合，整个检测速度、检测精度、稳定性等均发生显著变化，并在测量阶段不会受外界因素影响，满足工业整条生产线自动化控制要求，成为工业生产环节中必不可少的技术之一。

1 电荷耦合器件工作原理

电荷耦合器件（CCD）属于一种以电荷为信号的载体，所具备的功能较多，能在工业生产环境中发挥着重要作用，其具有自身耐振动、尺寸较小、抗冲击、重量较轻、寿命长、功耗较低、坚固耐用等特点，能在恶劣环境下长时间工作。基于此，我国工业领域在发展阶段对该问题引起重视，并在该方面加大研究力度，使CCD 非接触检测技术在工业生产中占有重要地位[1]。

关于该项技术应用，主要是其自身优势，结合图1（电荷耦合器件工作原理框架图）分析，能远距离获取到测件图像，对于传统化测量方法，不需要接触测件就能完成测量工作，降低人员工作难度，并能保证较强的精确度，生产部门能结合检测信息数据对其整体探究，适当调整生产方案与计划，以电荷耦合器件为光敏单元，由输入与输出结构组成一体化光电转换系统，根据其信号载体，会在光照射到光敏单元上时，能为工业生产提供重要的参考依据，得出计算公式：

图1 电荷耦合器件工作原理框架图

式中：产生光电荷为Q，材料量子效率为η，电子电荷量为q，流速率为Δn0，面积为A，设计光照时间为Te。

2 CCD 非接触检测技术在工业生产中的应用特点

CCD 非接触检测技术在工业生产中的应用特点如下：1）关于昂贵材料、易碎材料生产前要进行热加工处理，常见材料包括钢铁、冶金、玻璃等。基于该范畴的产品如酒灌装生产，在生产线上完成空瓶或满瓶破损、污渍在线自动检测工作；陶瓷地板砖生产中确定具体形状、尺寸大小等；钢铁厂板材生产，对板材掉下套量检测；标定温度计精度。2）因人工检测方法无法保证检测环节中能对细节精确处理，往往会有肉眼无法识别的内容，那么就会使检测数据存在一定差异性。对此，在技术手段创新阶段能完成用机器观测代替人工肉眼检测，可保证检测数据精确、完整等。如：在工业生产环节中，由于生产内容不同，基础要求、标准、基础设施等存在差异性，因此每次生产工作开始前均需对设备进行矫正，检测设备凹槽异物，其内部比较复杂，检测时可应用CCD 技术，该技术与计算机系统相连接，由计算机系统完成数据储存工作，工作人员只需要根据具体信息数据就可掌握实际情况，为生产工作开展提供重要参数[2]。3）针对生产环节中不具备接触式检测条件的被测物，须借助非接触检测方式，避免对产品造成不利影响。如：活塞生产环节中利用非接触检测方式，能规避工件表面被划伤，始终保证工件测量精度，尤其是对活塞外圆检测，具体较强的依据性。

3 CCD 非接触检测系统硬件设计

3.1 光学成像

CCD 非接触检测系统中的光学成像，在检测阶段能准确地获取到被测物主要特征量，该系统离不开光源、照明，可准确区别出检测范畴与非检测位置体征，只需根据光源完成检测工作即可，能在实际测量阶段减少不必要的工作环节，使检测范围与非检测范畴形成鲜明对比，既能确定被测物位置变化情况，又不影响成像质量。按照投射方法分析，主要包括平行透射光、反射光2 种。

平行透射光是设定较理想的平行光，并透过被测物，利用该项技术对工件遮光而产生的影像尺寸检测，能代表被测物检测范畴的具体尺寸。根据其原理，能在摄影扫描过程中采集、记录、储存阴影图像区中的电信号，能为目标尺寸分析提供相应的信息数据。

该方法常应用在活塞生产环节中，主要是对活塞外圆进行在位检测，因其在位检测非平整面，如果选择反射光投射方法，极易出现信号失真情况，而平行透射光投射方法却能完成活塞外圆表面检测工作，保证整体数据完整。

反射光：主要是结合图2（反射光原理）分析，在该方法实际应用阶段，重点考虑各要素，包括光源、光学镜头位置、物体表面纹理、几何形状等。一般情况下，该方法往往会应用在纸张白度检测环节中，设定一束光源及角度，正确投射到纸面上，因法线方向影响，光电池接收到纸面漫反射光通量，会使纸样越来越白，所需光通量与光电流比较大。当然，也会在陶瓷生产设备调节、运行管控等方面被合理应用，先对光路成像系统全面性设计，然后在地板砖上产生反射光，满足基础条件后，会形成成像系统，把地板砖图样缩小，最后呈现在CCD 传感器像元上。

图2 反射光原理

3.2 摄像机

按照类别分析，主要包括线阵摄像机与面阵摄像机。

线阵摄像机只应用在图像一行信息检测与获取方面，是在被测物拍摄对基础要求有标准，必须以直线形式在摄像机前移动，才能保证最终获取到的图像是完整的。如：布匹条状检测、纸张筒状检测等。以纸张污点检测内容分析，由于检测环节中纸张是运动的，考虑到最终图像的完整性，因此建议检测环节中使用光学测量仪器。

面阵摄像机与前者的检测标准和效果恰恰相反，该摄像机能在检测环节中一次获取到整幅图像，整个检测阶段所产生的信息数据也会被详细记录，目前，前面阵摄像机常应用在机器视觉系统中。例如在陶瓷生产设备调试与运行阶段，可对面阵摄像机进行隔列转移设计，目的是在生产过程中一次获取到整幅图像。

3.3 驱动系统

该技术在应用阶段所面临的影响因素较多，为保证检测过程中设备运行可靠，必须按照CCD 摄像机使用要求规范操作。如：在汽车制动钳内凹槽检测环节中，结合图3（CCD 非接触检测驱动波形）内容分析，建议采用线阵CCD 器件μPD3575D，目的是在检测环节中能对图3 F1型、SHF 型、SPF 型、RS 型的任意波形信号发生器的驱动波形具体呈现。而线缆生产环节中须根据实际情况，分析缆线生产环节中会因其细线径不同，要对其进行实时在线自动化测量，并搭配板材活套检测系统运行实况，可选择线阵式TCD132D 驱动，会产生φSH、φM、φCCD 3 种驱动信号[3]。

图3 CCD 非接触检测驱动波形

3.4 处理系统

该技术处理系统设计中必不可少的部分是计算机处理工，包括采样接口电路、微机系统，分别在处理系统中发挥着重要作用。其中，采样接口电路能把测试后完成的图像正确输出，并以波形Uout 按电平“T 区”宽度转换，成为相对应的数字量，以时序节拍完成计数工作，最后由单片机微机系统对具体内容展开分析、处理等。需要注意的是，在处理系统运行阶段会出现一个较严重的问题，就是二值化电路问题，要在检测前与检测过程中引起工作人员重视，准备具体应急方案与措施能规避或解决该问题，从而保证整体检测效果符合预期标准。

4 CCD 非接触检测系统软件设计

CCD 非接触检测系统软件设计，通常情况下，由键盘监控模块、加电模块、运行模块所组成。1）键盘监控模块主要是对识别键盘所输入的命令完成指定工作，并在系统运行阶段对不同命令转换，在多个处理程序中详细探究与分析，最终把具体参数清晰呈现，保证人机密切联系。2）加电模块主要是完成系统初始化程序，在人机密切联系基础上，能实现人机对话功能[4]。3）运行模块主要是对系统实测软件操作，与传统化检测方式相比较，能简化检测流程，并由设备与系统搭配代替人工操作，整体效率与技术水平显著提升。

5 CCD 非接触检测技术在工业生产中的运用

5.1 常温下条件对被测物尺寸测量

基于常温条件下开展被测物尺寸测量工作，还需在该项工作开展前对其实际情况全面性探究，并设计测量装置，主要包括电荷耦合器件、光学成像系统、数据采集与处理系统等，测量目标包括零件长度、宽度、厚度、圆内径、圆外径等。均能采用非接触测量技术，避免对被测物表面或测量领域造成不必要的影响[5]。

例如在实际应用阶段要依据其光电转换特性，借助照明系统使被测物通过物镜成像，并呈现在CCD 靶面上，数据采集与处理系统会完成信号处理工作，分析被测物几何模型，由光学成像系统完成特性转换，可计算出被测物的长度、宽度、厚度、圆内径、圆外径等尺寸。

5.2 高温下条件对被测物尺寸测量

在高温条件下完成被测物尺寸测量工作，考虑到工业生产领域中所包括的产品类别不同，因此各项参数有差异，需要人员在测量工作开展前明确具体标准、内容等，制定完善的量方案与计划，才可在测量阶段避免各项因素对测量结果准确性与完整性造成影响。同时，选择适合的方法，以800K 以上高温目标为主，分析到测量环节及周围景物对影像理论信号强度带来的不同影响，结合其所呈现出的各种特点，建议选择“红外积分法”，能保证在特殊环境中对高温目标准确甄别，并获取到相关信息数据。

在非接触检测系统运行阶段，要先借助摄像头对被测物侧面拍摄，与计算机系统相连接，能将拍摄出的图像储存到系统中；然后将图像卡与VD 转换，计算机也会结合实际情况对图像进行细化处理，经处理后会得出一组中间数据；最后借助数学模型完成中间数据转换工作，计算出被测物断面尺寸，完成预期检测要求[6]。

5.3 温度场被测物尺寸测量

首先，CCD 数字摄像头能摄取高温熔体被测物表面热辐射图像，由计算机系统中的图像处理技术，可增强获取到高温熔体被测物表面温度场数据。其次，选择高温场测量方法，是以彩色CCD 比色测温系统运行原理为基础，选择WJDIl 型高温卧式黑体炉硫化铜开展测温实验，其测温精度较高，在测量过程中能对具体内容详细探究，测量流程完整[7]。如果在现场测量过程中要求对电子束钎焊现场开展实际工作，还需对后者实际条件全面性考虑，要在温度场分布检测，所采用的方法也考虑到RGB 摄像机精度较高，在真空电子束焊接阶段详细记录整个过程，再加上对数字图像处理技术应用，来分析三基色测温及温度场分布实况，适用在模糊条件下温度控制领域中。只需注重测量前、测量中、测量后各环节元素与要素详细处理，才可实现预期测量目标。

5.4 被测物边缘与表面检测

因工业生产环节中物品类别不同，所应用到的零件种类也比较多，大部分零件外表面、结构等较特殊，会在边缘检测阶段增加难度，人工测量方法无法保证信息数据准确性与完整性、对此，还需在零件边缘与表面检测环节中能借助CCD 非接触检测技术，既不会对零件外表面造成影响，又能获取到精确的信息数据。其中，在检测阶段会分析零件形状、边缘位置，把所检测到的信息数据以CCD 图像完成小波变换，由小波变换多尺度特性，准确获取到被测物边缘信息数据[8]。

6 结语

结合上述内容探究，能了解到CCD 非接触检测技术在工业生产中的重要性与影响性，是工业生产中必不可少的一项技术，无论是对系统硬件设计还是软件设计，均要在设计阶段完成系统工作流程图绘制工作，目的是能保证系统在运行阶段整体稳定性较强，在软件与硬件相互协作下，完善被测物检测工作流程，提升整体技术水平，保证被测物实际情况能被清楚掌握。同时，各环节中所产生的信息数据均被系统详细记录，能为后续深度探究或调整作业方式等提供参考依据。