基于CCD的高精度线径测量系统研究
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摘要
本文介绍了CCD在非接触测量中的应用，阐明了线阵CCD非接触测量系统的组成及需要解决的问题。
本文建立了基于线阵CCD的线径高精度测量系统，在对照明系统改进的基础上，采用曲线拟合求拐点的方法来提取信号的边缘特征，最后根据透镜的放大倍率β得到低于CCD像素尺寸直径。
论文中分析了仪器的误差，并画出了误差校正曲线，以达到提高了测量精度的目的。最后用另一种衍射的方法对相同的物体进行了测量，比较后得出了两种方法的优劣。
本测量系统的测量范围为0.5～9.5mm，总的不确定度为±7.04μm。
This paper introduces the application of linear CCD in non-contact measurement, clarifies the structure of non-contact measuring system and problem needed to resolve.
In the experiment of this thesis, a high accurate measurement system based on linear array CCD is made up; the illumination system is improved, and curve fit is adored to obtain the margin value. Finally, the size of the obtained object is less than the pixel dimension according to lens magnification p.
In the thesis, the error analysis of the instruments and error correction curve is presented, so the measurement accuracy is relatively high. In addition the same parameter is measured by using diffraction theory. At last, the two measurement means are compared with each other and the evaluation for both means is given.
Experimental results show that total uncertainty is about ±7.04um within 0.5~9.5mm.
本文建立了基于线阵CCD的线径高精度测量系统，在对照明系统改进的基础上，采用曲线拟合求拐点的方法来提取信号的边缘特征，最后根据透镜的放大倍率β得到低于CCD像素尺寸直径。
论文中分析了仪器的误差，并画出了误差校正曲线，以达到提高了测量精度的目的。最后用另一种衍射的方法对相同的物体进行了测量，比较后得出了两种方法的优劣。
本测量系统的测量范围为0.5～9.5mm，总的不确定度为±7.04μm。
This paper introduces the application of linear CCD in non-contact measurement, clarifies the structure of non-contact measuring system and problem needed to resolve.
In the experiment of this thesis, a high accurate measurement system based on linear array CCD is made up; the illumination system is improved, and curve fit is adored to obtain the margin value. Finally, the size of the obtained object is less than the pixel dimension according to lens magnification p.
In the thesis, the error analysis of the instruments and error correction curve is presented, so the measurement accuracy is relatively high. In addition the same parameter is measured by using diffraction theory. At last, the two measurement means are compared with each other and the evaluation for both means is given.
Experimental results show that total uncertainty is about ±7.04um within 0.5~9.5mm.
引文
1． Melon,R.D.and Menial,JD.:One-Phase CCD:A new Approach to Charge Coupled Device Clocking,Ieee Jour.of Solid-State Circuits,SC-4,1972
2． Hopkinson,G.R.et al.:Noise Reduction Techniques for CCD Image Sensors,Jour.Phys.E:Sci.Instrum.,15,1982
3． Charge Coupled Devices and Applocations,Solide State Technology Vol17,No.4p67
4． Kosonocky,G.R.et al.:Noise Reduction Technique for CCD Image Sensors,Jour.of Solid-State Circuits,SC_6,1971
5． Analog Device Inc,High Speed Design,Seminar,1989
6． Analog Device Inc,Amplifier Reference Manual,1992
7． Inexpensive image sensors challenge CCD supremacy PHOTON SPECTRA 34 (5) : 2000
8． Zhao Ning etc.Microcomputer Controlled Image Acquisition System with High Resolution Linear CCD,Journal of Data Acquisition & Processing.VOL.13． NO.1 1997． 3
9． Zhang Xiang etc.,A12-bit High-speed Data Acquisition System Based on PC,journal of Data Acquisition & Processing.VOL.13 NO.1
10． G.D.chapman and R.Butland,A Fourier transform methed for the verification of wire screens for standard sieves.J.of Phys.E,110(6) ,1997
11． CCD-Drift Scan Measurements Of The Solar Diameter: Method And First Resules.AXEL D.WITTMANN Solar Physics 171:231-237,1997
12． Effecr of Charge Transfer Efficiency on Image Quality in CCD Line Scan-based Web Inspection Jyrki Laitinen.Optics and Lasers in Engineering 29 (1998) 385-401
13． A CMOS/CCD image sensor for 2D real time motion estimation.Massimo Gottardi .Sensors and Actuators A 46-47 (1995) 251-256
14． Development and characterization of neutron tomography system base on image intensifier/CCD system.Amar Sinha,A.M.Shaikh,A.Shyam.Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 142 (1998) 425-431．
15． Back-illuminated,fully-depleted CCD image sensors for use in optical and near-IR astronomy D.E.Groom,S.E.Holland,ME.Levi,N.P.Palaio,S.Perlmutter,R.J.Stover,M.Wei.Nuclear Instruments and methods in physics Research A 442 (2000) 216-222
16． Image noise Properties of a phosphor-coated CCDX-ray detector .M.Gambaccini,A.Taibi,P.Baldelli,A.Del Guerra,A.Tuffanelli .Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 409 (1998) 508-510
17． Characterisation of a standard CCD video camera devoted to the design of an efficient particle image velocimetry instrument.C.Desaubry,P.Gervais.Flow Measurement and Insumentation 11(2000) 133-141
18． Night-Vison Characteristics and Application of MTV-2821 CB
CCD Camera. Journal of Beijing Institute of Technology, 1999,Vol,8,No,4
19. A CCD Image Archive if Comet C/1995 01 (HALE-BOPP):Dust Expansion Velocities. M.Braunstein,M.Womack,F.Deglman. Earch,Moon and Planets 78:219-227,1997
20. A NEW MACHINE FOR PLANARITY MEASUREMENT OF CCDS AND MOSAICS OF CCDS. STEFAN STROBELE. Experimental Astronmy 11: 151-156, 2001.
21. Measuring the Amplitude Characteristic of an Image Recorder Based on a CCD Matrix. K.A.Zhurovich,V.P.Kirillov,Yu.A.Mikhailov,G.V. Sklizkov,A.N.Starodub,and O.A.Sudakov.Instruments and Experimental Techniques>Vol.44,No.5,pp,677-680.
22. Measurement of the Differential Ray Velocity and Longitudinal Magnetic Field on the Sun with CCD Photodetectors:Part Ⅰ.Modulationless Method. N.I.Kobanov. Instrument and Experimental Techniques. Vol.44,No.4,2001,pp.524-529.
23. Application of Matrix CCD for Measuring Geometrical Deviation in Large Scale. Hal Qun.仪器仪表学报 1994年4月 第20卷第2期。
24．梅遂生、杨家德 光电子技术 国防工业出版社 2000
25．安毓英 刘继芳 李庆辉等编 光电子技术 电子工业出版社2002年4月
26．吕海宝 主编 激光光电检测 国防科技大学出版社 1999．12
27．谭浩强编著 C程序设计 清华大学出版社 1998．3
28．袁征 杨仁树 严建新编著 C语言编程技巧程序集 电子工业出版社 1993年元月
29．谭浩强 田淑清 FORTRAN语言 清华大学出版社 1990
30．激光动态精密测径研究 合肥工业大学硕士毕业论文 1996．6
31．半导体激光测径技术的研究 中国科学技术大学硕士学位论文1996．6
32．线阵CCD用于高速运动物体的图像数据采集 天津大学硕士学位论文1999．2
33．线阵CCD用于高速运动物体的图像数据采集，天津大学硕士学位论文，1999年2月
34．基于CCD的高精度测径系统的研究 王跃强 太原理工大学硕士论文2001．4
35．刘晓昌，线阵CCD高精度检测技术，仪表技术与传感器，第三期1993年
36．王维海，CCD光电尺寸检测仪及其性能参数的基本估计，第二届全国光电技术与系统学术会议论文集，1986年10月
37．杨守忠、朱娅萍，应用CCD的光电在线测径仪，第一届全国在线检测学术交流会会议论文集，1986年12月
38．李长贵、刘敬海，线阵CCD用于实时动态测量技术研究，光学技术1999年3月
39．陈岳林，CCD在线测量小尺寸的误差分析与校正，桂林电子工业学院学报，1998年．03期
40．钟剑平，在生产线上用CCD测量几何尺寸或位移量的误差分析及其校正，第二届全国光电技术与系统学术会议论文集，1986年10月
41．孙学珠、付维乔等，高精度CCD尺寸自动检测系统的光学系统设计，光学技术，1995年9月
42．赵从忠，CCD光学系统研究 全国第二届CCD应用技术讨论会论文
43．郝红伟 施光凯编著 Origin 6.0中国电力出版社2000年8月
44．刘鹤，线阵CCD测量系统的非线性处理，传感器技术，1992年第一期
45．陈卫剑等，CCD在测量运动物体瞬时位置中的应用，光学技术，NO．132 1998．4
46．李常贵等，线阵CCD用于高速运动物体的检测，敏通科技，1997．10
47．王福明 贺正辉 索瑾编著，应用数值计算方法 科学出版社 1992
48．王庆有编著，CCD应用技术，天津大学出版社，2000年10月
49．示波器(Agilent 54621A／22A／24A)和混合信号示波器(Agilent 54621D／22D)用户指南
50．苏波、王纪龙、王云才，线阵CCD驱动电路的研究 山西师范大学学报 2002年1月
51．苏波、王纪龙、王云才，CCD高精度测径系统的研究 太原理工大学学报 2002年8月
2． Hopkinson,G.R.et al.:Noise Reduction Techniques for CCD Image Sensors,Jour.Phys.E:Sci.Instrum.,15,1982
3． Charge Coupled Devices and Applocations,Solide State Technology Vol17,No.4p67
4． Kosonocky,G.R.et al.:Noise Reduction Technique for CCD Image Sensors,Jour.of Solid-State Circuits,SC_6,1971
5． Analog Device Inc,High Speed Design,Seminar,1989
6． Analog Device Inc,Amplifier Reference Manual,1992
7． Inexpensive image sensors challenge CCD supremacy PHOTON SPECTRA 34 (5) : 2000
8． Zhao Ning etc.Microcomputer Controlled Image Acquisition System with High Resolution Linear CCD,Journal of Data Acquisition & Processing.VOL.13． NO.1 1997． 3
9． Zhang Xiang etc.,A12-bit High-speed Data Acquisition System Based on PC,journal of Data Acquisition & Processing.VOL.13 NO.1
10． G.D.chapman and R.Butland,A Fourier transform methed for the verification of wire screens for standard sieves.J.of Phys.E,110(6) ,1997
11． CCD-Drift Scan Measurements Of The Solar Diameter: Method And First Resules.AXEL D.WITTMANN Solar Physics 171:231-237,1997
12． Effecr of Charge Transfer Efficiency on Image Quality in CCD Line Scan-based Web Inspection Jyrki Laitinen.Optics and Lasers in Engineering 29 (1998) 385-401
13． A CMOS/CCD image sensor for 2D real time motion estimation.Massimo Gottardi .Sensors and Actuators A 46-47 (1995) 251-256
14． Development and characterization of neutron tomography system base on image intensifier/CCD system.Amar Sinha,A.M.Shaikh,A.Shyam.Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 142 (1998) 425-431．
15． Back-illuminated,fully-depleted CCD image sensors for use in optical and near-IR astronomy D.E.Groom,S.E.Holland,ME.Levi,N.P.Palaio,S.Perlmutter,R.J.Stover,M.Wei.Nuclear Instruments and methods in physics Research A 442 (2000) 216-222
16． Image noise Properties of a phosphor-coated CCDX-ray detector .M.Gambaccini,A.Taibi,P.Baldelli,A.Del Guerra,A.Tuffanelli .Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 409 (1998) 508-510
17． Characterisation of a standard CCD video camera devoted to the design of an efficient particle image velocimetry instrument.C.Desaubry,P.Gervais.Flow Measurement and Insumentation 11(2000) 133-141
18． Night-Vison Characteristics and Application of MTV-2821 CB
CCD Camera. Journal of Beijing Institute of Technology, 1999,Vol,8,No,4
19. A CCD Image Archive if Comet C/1995 01 (HALE-BOPP):Dust Expansion Velocities. M.Braunstein,M.Womack,F.Deglman. Earch,Moon and Planets 78:219-227,1997
20. A NEW MACHINE FOR PLANARITY MEASUREMENT OF CCDS AND MOSAICS OF CCDS. STEFAN STROBELE. Experimental Astronmy 11: 151-156, 2001.
21. Measuring the Amplitude Characteristic of an Image Recorder Based on a CCD Matrix. K.A.Zhurovich,V.P.Kirillov,Yu.A.Mikhailov,G.V. Sklizkov,A.N.Starodub,and O.A.Sudakov.Instruments and Experimental Techniques>Vol.44,No.5,pp,677-680.
22. Measurement of the Differential Ray Velocity and Longitudinal Magnetic Field on the Sun with CCD Photodetectors:Part Ⅰ.Modulationless Method. N.I.Kobanov. Instrument and Experimental Techniques. Vol.44,No.4,2001,pp.524-529.
23. Application of Matrix CCD for Measuring Geometrical Deviation in Large Scale. Hal Qun.仪器仪表学报 1994年4月 第20卷第2期。
24．梅遂生、杨家德 光电子技术 国防工业出版社 2000
25．安毓英 刘继芳 李庆辉等编 光电子技术 电子工业出版社2002年4月
26．吕海宝 主编 激光光电检测 国防科技大学出版社 1999．12
27．谭浩强编著 C程序设计 清华大学出版社 1998．3
28．袁征 杨仁树 严建新编著 C语言编程技巧程序集 电子工业出版社 1993年元月
29．谭浩强 田淑清 FORTRAN语言 清华大学出版社 1990
30．激光动态精密测径研究 合肥工业大学硕士毕业论文 1996．6
31．半导体激光测径技术的研究 中国科学技术大学硕士学位论文1996．6
32．线阵CCD用于高速运动物体的图像数据采集 天津大学硕士学位论文1999．2
33．线阵CCD用于高速运动物体的图像数据采集，天津大学硕士学位论文，1999年2月
34．基于CCD的高精度测径系统的研究 王跃强 太原理工大学硕士论文2001．4
35．刘晓昌，线阵CCD高精度检测技术，仪表技术与传感器，第三期1993年
36．王维海，CCD光电尺寸检测仪及其性能参数的基本估计，第二届全国光电技术与系统学术会议论文集，1986年10月
37．杨守忠、朱娅萍，应用CCD的光电在线测径仪，第一届全国在线检测学术交流会会议论文集，1986年12月
38．李长贵、刘敬海，线阵CCD用于实时动态测量技术研究，光学技术1999年3月
39．陈岳林，CCD在线测量小尺寸的误差分析与校正，桂林电子工业学院学报，1998年．03期
40．钟剑平，在生产线上用CCD测量几何尺寸或位移量的误差分析及其校正，第二届全国光电技术与系统学术会议论文集，1986年10月
41．孙学珠、付维乔等，高精度CCD尺寸自动检测系统的光学系统设计，光学技术，1995年9月
42．赵从忠，CCD光学系统研究 全国第二届CCD应用技术讨论会论文
43．郝红伟 施光凯编著 Origin 6.0中国电力出版社2000年8月
44．刘鹤，线阵CCD测量系统的非线性处理，传感器技术，1992年第一期
45．陈卫剑等，CCD在测量运动物体瞬时位置中的应用，光学技术，NO．132 1998．4
46．李常贵等，线阵CCD用于高速运动物体的检测，敏通科技，1997．10
47．王福明 贺正辉 索瑾编著，应用数值计算方法 科学出版社 1992
48．王庆有编著，CCD应用技术，天津大学出版社，2000年10月
49．示波器(Agilent 54621A／22A／24A)和混合信号示波器(Agilent 54621D／22D)用户指南
50．苏波、王纪龙、王云才，线阵CCD驱动电路的研究 山西师范大学学报 2002年1月
51．苏波、王纪龙、王云才，CCD高精度测径系统的研究 太原理工大学学报 2002年8月