专利名称：一种基于电荷耦合器件的测量动态细丝直径的装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种测量动态细丝直径的装置，特别涉及一种基于电荷耦合器件 的测量动态细丝直径的装置。
背景技术：
在现代的工业生产和科学实验中，经常碰到微小尺寸的检测问题，如细丝、薄板、 狭缝等，而微小尺寸的检测方法也很多，具体分类有机械测量，电磁测量，光学测量以及光 电测量。机械测量和电磁测量都不能实现非接触测量，纯光学测量虽然可以实现非接触，但 是需要设计精密的光路，并目往往需要人工干预，不仅费时费力，而且精度较低，不便于实 时检测、显示和控制，其应用范围也受到一定的限制。光电检测法具有高精度，高可靠性， 实现简单，可维护性好等优点，近年来，利用线阵CCD进行无接触测量得到广泛关注。线阵 CCD器件具有许多优点空间分辨率高，可以实现高精度测量；空间自扫描可以实现量的绝 对测量；可靠性高，可以在很恶劣的环境下工作；而且其线扫描输出的光电信号有利于其 后续信号处理。
发明内容本实用新型是针对现在测量动态细丝直径的方法精度低，不便于实时检测、显示 和控制的问题，提出了一种基于电荷耦合器件的测量动态细丝直径的装置，采用平行线光 源，使线阵CCD上得到的细丝像的宽度不随细丝的摆动而变化，该装置无需接触即可精确 方便的测量动态细丝的直径。具有测量速度快、精度高、非接触、动态和自动化的特点。本实用新型的技术方案为一种基于电荷耦合器件的测量动态细丝直径的装置， 包括平行线光源、CCD电荷耦合器件、CPLD可编程逻辑器件、信号处理电路、单片机，平行线 光源照射在被测物上，被测物成像在CCD电荷耦合器件上，CCD电荷耦合器件将转换后信号 输出到信号处理电路中处理后输出到单片机中进行脉冲计数和计算，CPLD可编程逻辑器件 给CCD电荷耦合器件提供驱动同时给单片机提供时钟以及时序匹配。所述CXD电荷耦合器件采用ILX554B型号的(XD，CPLD可编程逻辑器件采用 MAX7000系列的芯片EPM7064STC44，CPLD可编程逻辑器件输出到CXD电荷耦合器件两个 控制信号，一个信号为CCD的工作时钟脉冲信号，另一个为控制电荷转移、设定积分时间信 号。单片机选用的87C51单片机，CCD电荷耦合器件将转换后信号输出到信号处理电 路中处理后输出到单片机的计数器TO引脚进行计数，单片机的I/O 口将计算结果输出。本实用新型的有益效果在于本实用新型基于电荷耦合器件的测量动态细丝直径 的装置，采用光作为测量媒介，可实现非接触式测量；采用平行线光源成像系统，待测物的 前后左右摇摆不会影响测量结果，可实现动态测量；所用各种芯片均选用低端产品即可满 足需求，设计成本低；同时采用信号放大滤波电路，可增强系统抗干扰能力，提高测量精度。
图1为本实用新型图基于电荷耦合器件的测量动态细丝直径的装置总系统结构 图；图2为本实用新型基于电荷耦合器件的测量动态细丝直径的装置的光学系统示 意图；图3为本实用新型基于电荷耦合器件的测量动态细丝直径的装置的CCD控制信号 的电路图；图4为本实用新型基于电荷耦合器件的测量动态细丝直径的装置的信号处理电 路原理图。
具体实施方式
如图1所示基于电荷耦合(CCD)器件的测量动态细丝直径的装置系统结构图及图 2光学系统示意图，系统包括一个平行线光源1、(XD器件3、CPLD6、信号处理电路4、单片机 5。平行线光源1照射在被测物2上，被测物2成像在CXD器件3上，CXD器件3将转换后 信号输出到信号处理电路4中处理后输出到单片机5中进行脉冲计数和计算，CPLD可编程 逻辑器件6给CCD器件3提供驱动同时给单片机提供时钟以及时序匹配。采用光学成像，通过光学系统将被测物的尺寸以一定的、准确的倍率成像于CXD 光敏面上，CCD将光信号转换为电信号，以脉冲的方式输出。CCD输出的脉冲信号经过驱动 电路的放大、滤波处理，输入到单片机的TO引脚，利用单片机自带的计数器TO对CCD的输 出脉冲进行计数，经过运算即可得出被测物的尺寸。计算公式为D = aXN，其中D-待测物 直径，a-光敏元尺寸，N-待测物经光学系统成像后在CCD光敏区所遮挡的光敏元数。平行线光源的设计方案将点光源置于凸透镜前焦点，在凸透镜后的输出光线即 为平行光，用一个矩形光阑就可得到平行线光源。此设计对点光源有三个要求一、光源应发射与CXD光谱响应特性相匹配的光； 二、光源光强不能超出CCD的最低响应度与饱和曝光量之间的范围；三、像面上的照度要稳 定、均勻，以防止超出CCD的动态范围。为了和CCD的光谱曲线相配合，使CCD的光谱响应 最大，此设计采用功率为3W的白炽灯光源。C⑶芯片的选用本设计选用索尼公司生产的一款名为ILX554B的(XD， ILX554B是具有2048个有效像元的线阵CCD，单5V供电，有极高的灵敏度，像元大小为 14 μ mX 56 μ m，典型的时钟脉冲频率为1MHz，最大不超过2MHz.该CXD有两种工作模式，分 别为采样保持和无采样保，正常工作时仅需要2控制信号ΦαΚ和c^ROG，前者为CCD的工 作时钟脉冲，后者控制电荷转移、设定积分时间.在OROG信号为高的时候，CCD处于曝光 充电的阶段，当OROG为低的时候，所有光敏感元上的电荷一次性转移到移位寄存器上，然 后再通过Φακ信号产生的移位信号将这些电荷按位转移到一个电容上，就得到输出电压 信号Vout。ILX554B的输出电压信号范围为1. 85V-2. 85V，在完全没有光照情况下，CXD的象 元对应的输出脉冲信号为2. 85V，在饱和曝光时CCD的象元对应的输出脉冲信号为1. 85V。基于CPLD的CXD控制信号的设计本设计采用Altera公司MAX7000系列的芯 片EPM7064STC44，不但可以为CXD提供驱动，也可以为光谱信号的采集提供时钟以及其他电路的时序匹配，利用Altera公司提供的Quartus II 8. Iffeb Edition版软件，可以完成 对电路设计的功能分析、时序分析及各种文本及图形输入，并能将设计结果装载到Altera 公司的各种芯片中。本文的设计采用层次设计输入方式，底层元件采用VHDL文本设计，顶 层采用原理图输入设计，在图形设计中调用了 VHDL设计的各个模块，如图3所示，divl8、 div2500、div50000三个元件是用VHDL语言设计的。信号处理电路的设计ILX554B的输出信号范围在1. 85V-2. 85V，为了后续脉冲计 数的自动化，应设计电路将输出信号转换为0V-5V之间，用于和标准的TTL电压基准相兼 容。为了消除高频干扰波的影响，电路中应设计滤波器。经过滤波放大的CCD信号进行二 值化处理后送入脉冲计数器，如图4所示。此信号处理电路采用四级处理的方式来实现，第 一级电路为一个2. 5倍的同相放大电路，第二级是一个反相偏置放大电路，放大倍数为1. 5 倍，偏置电压为2V。电容C4用于隔去直流分量。通过Rll输入的0.4V的电压用做浮地信 号，将第三极电路的输入信号与地信号分开，避免地信号里面杂波的影响。第三级电路是一 个电压跟随器，主要目的是增加电路的输出功率。电容C5是用来组成一个低通滤波器，滤 除电路中带入的高频杂信号。第四级电路时一个施密特比较器电路，比较用的基准电平选 用 2. 5V。脉冲计数器的设计选用Intel公司的87C51单片机作为脉冲计数器，CCD输出的 脉冲信号经过驱动电路的放大、滤波处理，输入到单片机的TO引脚，利用单片机自带的计 数器TO对CCD的输出脉冲进行计数，通过单片机的I/O 口将计算结果输出并用数码管显
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权利要求一种基于电荷耦合器件的测量动态细丝直径的装置，其特征在于，包括平行线光源、CCD电荷耦合器件、CPLD可编程逻辑器件、信号处理电路、单片机，平行线光源照射在被测物上，被测物成像在CCD电荷耦合器件上，CCD电荷耦合器件将转换后信号输出到信号处理电路中处理后输出到单片机中进行脉冲计数和计算，CPLD可编程逻辑器件给CCD电荷耦合器件提供驱动同时给单片机提供时钟以及时序匹配。
2.根据权利要求1所述基于电荷耦合器件的测量动态细丝直径的装置，其特征在于， 所述CXD电荷耦合器件采用ILX554B型号的(XD，CPLD可编程逻辑器件采用MAX7000系列 的芯片EPM7064STC44，CPLD可编程逻辑器件输出到CXD电荷耦合器件两个控制信号，一个 信号为CCD的工作时钟脉冲信号，另一个为控制电荷转移、设定积分时间信号。
3.根据权利要求1所述基于电荷耦合器件的测量动态细丝直径的装置，其特征在于， 单片机选用的87C51单片机，CCD电荷耦合器件将转换后信号输出到信号处理电路中处理 后输出到单片机的计数器TO引脚进行计数，单片机的I/O 口将计算结果输出。
专利摘要本实用新型涉及一种基于电荷耦合器件的测量动态细丝直径的装置，平行线光源照射在被测物上，被测物成像在CCD电荷耦合器件上，CCD电荷耦合器件将转换后信号输出到信号处理电路中处理后输出到单片机中进行脉冲计数和计算，CPLD可编程逻辑器件给CCD电荷耦合器件提供驱动同时给单片机提供时钟以及时序匹配。此装置采用光作为测量媒介，可实现非接触式测量；采用平行线光源成像系统，待测物的前后左右摇摆不会影响测量结果，可实现动态测量；所用各种芯片均选用低端产品即可满足需求，设计成本低；同时采用信号放大滤波电路，可增强系统抗干扰能力，提高测量精度。
文档编号G01B11/08GK201622064SQ20102013861
公开日2010年11月3日 申请日期2010年3月23日 优先权日2010年3月23日
发明者张军, 张荣福, 李滨言, 王涛, 蒋庭佳, 马玲官, 高亮 申请人:上海理工大学