線陣CCD在測徑儀測量系統中起到至關重要的作用

引言

測徑儀是線材、棒材、管材等線徑在線檢測的設備，其具備自動測量，實時監測報警，尺寸控制，數據存儲等多方面的功能，屬於自動化生產測量中不可或缺的設備，隨著CCD技術的發展，越來越多的測徑儀系統採用線陣CCD進行高精度的在線檢測。

CCD (Charge Coupled Device)電荷耦合器件是20世紀70年代發展起來的一種新型半導體大規模集成光電器件。它在圖像信息的攝取、記錄方面獨具特色，具有體積小、功耗小、成像技術工作穩定、解析度高、靈敏度高、可靠性好、視頻數據採用計算機處理柔性好等諸多優點。現已被廣泛的應用於測量行業中的感測器使用。

從結構上講，可分為面陣和線陣兩種。前者主要用於攝取圖像，而後者作為一種高靈敏光電感測器在生產線上用於產品外形尺寸非接觸檢測、分類、表面質量評定和精確定位等。線陣ＣＣＤ器件是由陣列光敏象元和在其兩側的移位寄存器集成所組成的光電器件，當光敏元曝光一定時間後在相應驅動脈衝作用下，信號電荷轉移至移位寄存器，由移位寄存器一位一位地將其輸出，從而得到所需的光電信息。而測徑儀則大部分採用的是線陣CCD進行線徑尺寸的檢測。

光電測量產品採用物方遠心光路和成像法進行在線尺寸檢測。檢測的核心部件為光電測頭，每組測頭由發射鏡頭和接收鏡頭組成。發射鏡頭內點光源發出的光通過發射透鏡形成平行光視場射向接收鏡頭。平行光再由接收透鏡聚焦，通過位於焦點位置的光闌小孔後在接收單元上成像。當視場中通過被測物時，被測物遮擋的部位將在接收單元的晶元上呈現出邊界清晰的陰影。通過光電轉換和數字化處理，即可通過陰影的寬度計算出被測物的直徑。

當有工件遮擋時，中間產生一陰影，ＣＣＤ輸出波形如圖２（ｂ）所示，中間凹陷處為被工件遮擋所致。ＣＣＤ作為一種光電轉換器件是採用集成電路工藝方法將光敏元件排列成一行，刻制在矽片上，光敏元件間的幾何尺寸非常精確，用於測量可獲得很高定位精度，配以相應驅動電路可將ＣＣＤ光照而儲存的電荷以一定方式輸出，並可很容易地由計算機計算出信號波佔光敏元數從而計算工件直徑。測徑儀採用了最新型的掃描頻率為15MHz的高頻線陣CCD晶元，保證測徑儀進行高精度的線徑尺寸的檢測。

ＣＣＤ輸出的信號中有疊加的移位寄存器時鐘脈衝及轉移控制脈衝的干擾，所以必須經濾波整形電路將其去除。用投影法測量直徑，將被測工件成像於線陣ＣＣＤ器件上，ＣＣＤ器件上有光照和無光照部分的光敏元輸出有顯著差異。但在明暗交界處，因ＣＣＤ本身轉移效率，光的繞射以及前面所討論的一些因素的影響，實際輸出的信號包絡線有一定梯度，無法直接使用，需將梯度變化附近的輸出信號二值化處理，即取一比較電平，將輸出電壓處理為標準方波，以作為計數器的控制脈衝。在脈衝寬度內計數後送計算機，便可由脈衝當量（即儀器解析度）和所計脈衝數算出被測工件的直徑。為了保證一個穩定的測量點取半峰值處的脈寬代表工件的直徑，若存在誤差用軟體加以修正。但由於光能量變化等原因，ＣＣＤ輸出信號的峰值與基線時有變化，所以必須採用半峰值跟蹤電路以取得半峰值比較電平。需要指出的是ＣＣＤ很靈敏，光飽和是一個很重要的問題，要實現對工件的精確測量，ＣＣＤ必須工作在非飽和區，這樣才能實現半峰值跟蹤。為保護作到這一點，在光學系統和電路設計中都必須慎重地處理這些問題。整理好的信號脈衝反相後進行邏輯處理，在這裡需將代表工件寬度的脈衝分離出來，並在此脈衝寬度內計數，之後進行鎖存並等待計算機取數。

利用線陣CCD生產的測頭，根據不同的組合，編程，及外部構成，可以實現不同的功能，適用於線纜電纜橡膠塑料等的，適用於軋鋼行業的，適用於細絲直徑的，適用於大直徑的，適用於各種不易測量的軋材的線徑尺寸。