CCD非接觸檢測技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中的運用

羅天嬌 張 強

（長春電子科技學(xué)院，吉林 長春 130000）

0 引言

在以往工業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，主要是以人工檢測方式為主，但受人為因素影響會引發(fā)眾多問題，無法保證檢測結(jié)果準(zhǔn)確性。隨著我國科技水平不斷提升，工業(yè)領(lǐng)域在創(chuàng)新發(fā)展階段注重檢測技術(shù)手段創(chuàng)新，引進新技術(shù)、新設(shè)備，其中就包括CCD 非接觸檢測技術(shù)，在應(yīng)用階段與圖像處理技術(shù)結(jié)合，整個檢測速度、檢測精度、穩(wěn)定性等均發(fā)生顯著變化，并在測量階段不會受外界因素影響，滿足工業(yè)整條生產(chǎn)線自動化控制要求，成為工業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中必不可少的技術(shù)之一。

1 電荷耦合器件工作原理

電荷耦合器件（CCD）屬于一種以電荷為信號的載體，所具備的功能較多，能在工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中發(fā)揮著重要作用，其具有自身耐振動、尺寸較小、抗沖擊、重量較輕、壽命長、功耗較低、堅固耐用等特點，能在惡劣環(huán)境下長時間工作?；诖?，我國工業(yè)領(lǐng)域在發(fā)展階段對該問題引起重視，并在該方面加大研究力度，使CCD 非接觸檢測技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中占有重要地位[1]。

關(guān)于該項技術(shù)應(yīng)用，主要是其自身優(yōu)勢，結(jié)合圖1（電荷耦合器件工作原理框架圖）分析，能遠距離獲取到測件圖像，對于傳統(tǒng)化測量方法，不需要接觸測件就能完成測量工作，降低人員工作難度，并能保證較強的精確度，生產(chǎn)部門能結(jié)合檢測信息數(shù)據(jù)對其整體探究，適當(dāng)調(diào)整生產(chǎn)方案與計劃，以電荷耦合器件為光敏單元，由輸入與輸出結(jié)構(gòu)組成一體化光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，根據(jù)其信號載體，會在光照射到光敏單元上時，能為工業(yè)生產(chǎn)提供重要的參考依據(jù)，得出計算公式：

圖1 電荷耦合器件工作原理框架圖

式中：產(chǎn)生光電荷為Q，材料量子效率為η，電子電荷量為q，流速率為Δn0，面積為A，設(shè)計光照時間為Te。

2 CCD 非接觸檢測技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用特點

CCD 非接觸檢測技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用特點如下：1）關(guān)于昂貴材料、易碎材料生產(chǎn)前要進行熱加工處理，常見材料包括鋼鐵、冶金、玻璃等?；谠摲懂牭漠a(chǎn)品如酒灌裝生產(chǎn)，在生產(chǎn)線上完成空瓶或滿瓶破損、污漬在線自動檢測工作；陶瓷地板磚生產(chǎn)中確定具體形狀、尺寸大小等；鋼鐵廠板材生產(chǎn)，對板材掉下套量檢測；標(biāo)定溫度計精度。2）因人工檢測方法無法保證檢測環(huán)節(jié)中能對細節(jié)精確處理，往往會有肉眼無法識別的內(nèi)容，那么就會使檢測數(shù)據(jù)存在一定差異性。對此，在技術(shù)手段創(chuàng)新階段能完成用機器觀測代替人工肉眼檢測，可保證檢測數(shù)據(jù)精確、完整等。如：在工業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，由于生產(chǎn)內(nèi)容不同，基礎(chǔ)要求、標(biāo)準(zhǔn)、基礎(chǔ)設(shè)施等存在差異性，因此每次生產(chǎn)工作開始前均需對設(shè)備進行矯正，檢測設(shè)備凹槽異物，其內(nèi)部比較復(fù)雜，檢測時可應(yīng)用CCD 技術(shù)，該技術(shù)與計算機系統(tǒng)相連接，由計算機系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)儲存工作，工作人員只需要根據(jù)具體信息數(shù)據(jù)就可掌握實際情況，為生產(chǎn)工作開展提供重要參數(shù)[2]。3）針對生產(chǎn)環(huán)節(jié)中不具備接觸式檢測條件的被測物，須借助非接觸檢測方式，避免對產(chǎn)品造成不利影響。如：活塞生產(chǎn)環(huán)節(jié)中利用非接觸檢測方式，能規(guī)避工件表面被劃傷，始終保證工件測量精度，尤其是對活塞外圓檢測，具體較強的依據(jù)性。

3 CCD 非接觸檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 光學(xué)成像

CCD 非接觸檢測系統(tǒng)中的光學(xué)成像，在檢測階段能準(zhǔn)確地獲取到被測物主要特征量，該系統(tǒng)離不開光源、照明，可準(zhǔn)確區(qū)別出檢測范疇與非檢測位置體征，只需根據(jù)光源完成檢測工作即可，能在實際測量階段減少不必要的工作環(huán)節(jié)，使檢測范圍與非檢測范疇形成鮮明對比，既能確定被測物位置變化情況，又不影響成像質(zhì)量。按照投射方法分析，主要包括平行透射光、反射光2 種。

平行透射光是設(shè)定較理想的平行光，并透過被測物，利用該項技術(shù)對工件遮光而產(chǎn)生的影像尺寸檢測，能代表被測物檢測范疇的具體尺寸。根據(jù)其原理，能在攝影掃描過程中采集、記錄、儲存陰影圖像區(qū)中的電信號，能為目標(biāo)尺寸分析提供相應(yīng)的信息數(shù)據(jù)。

該方法常應(yīng)用在活塞生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，主要是對活塞外圓進行在位檢測，因其在位檢測非平整面，如果選擇反射光投射方法，極易出現(xiàn)信號失真情況，而平行透射光投射方法卻能完成活塞外圓表面檢測工作，保證整體數(shù)據(jù)完整。

反射光：主要是結(jié)合圖2（反射光原理）分析，在該方法實際應(yīng)用階段，重點考慮各要素，包括光源、光學(xué)鏡頭位置、物體表面紋理、幾何形狀等。一般情況下，該方法往往會應(yīng)用在紙張白度檢測環(huán)節(jié)中，設(shè)定一束光源及角度，正確投射到紙面上，因法線方向影響，光電池接收到紙面漫反射光通量，會使紙樣越來越白，所需光通量與光電流比較大。當(dāng)然，也會在陶瓷生產(chǎn)設(shè)備調(diào)節(jié)、運行管控等方面被合理應(yīng)用，先對光路成像系統(tǒng)全面性設(shè)計，然后在地板磚上產(chǎn)生反射光，滿足基礎(chǔ)條件后，會形成成像系統(tǒng)，把地板磚圖樣縮小，最后呈現(xiàn)在CCD 傳感器像元上。

圖2 反射光原理

3.2 攝像機

按照類別分析，主要包括線陣攝像機與面陣攝像機。

線陣攝像機只應(yīng)用在圖像一行信息檢測與獲取方面，是在被測物拍攝對基礎(chǔ)要求有標(biāo)準(zhǔn)，必須以直線形式在攝像機前移動，才能保證最終獲取到的圖像是完整的。如：布匹條狀檢測、紙張筒狀檢測等。以紙張污點檢測內(nèi)容分析，由于檢測環(huán)節(jié)中紙張是運動的，考慮到最終圖像的完整性，因此建議檢測環(huán)節(jié)中使用光學(xué)測量儀器。

面陣攝像機與前者的檢測標(biāo)準(zhǔn)和效果恰恰相反，該攝像機能在檢測環(huán)節(jié)中一次獲取到整幅圖像，整個檢測階段所產(chǎn)生的信息數(shù)據(jù)也會被詳細記錄，目前，前面陣攝像機常應(yīng)用在機器視覺系統(tǒng)中。例如在陶瓷生產(chǎn)設(shè)備調(diào)試與運行階段，可對面陣攝像機進行隔列轉(zhuǎn)移設(shè)計，目的是在生產(chǎn)過程中一次獲取到整幅圖像。

3.3 驅(qū)動系統(tǒng)

該技術(shù)在應(yīng)用階段所面臨的影響因素較多，為保證檢測過程中設(shè)備運行可靠，必須按照CCD 攝像機使用要求規(guī)范操作。如：在汽車制動鉗內(nèi)凹槽檢測環(huán)節(jié)中，結(jié)合圖3（CCD 非接觸檢測驅(qū)動波形）內(nèi)容分析，建議采用線陣CCD 器件μPD3575D，目的是在檢測環(huán)節(jié)中能對圖3 F1型、SHF 型、SPF 型、RS 型的任意波形信號發(fā)生器的驅(qū)動波形具體呈現(xiàn)。而線纜生產(chǎn)環(huán)節(jié)中須根據(jù)實際情況，分析纜線生產(chǎn)環(huán)節(jié)中會因其細線徑不同，要對其進行實時在線自動化測量，并搭配板材活套檢測系統(tǒng)運行實況，可選擇線陣式TCD132D 驅(qū)動，會產(chǎn)生φSH、φM、φCCD 3 種驅(qū)動信號[3]。

圖3 CCD 非接觸檢測驅(qū)動波形

3.4 處理系統(tǒng)

該技術(shù)處理系統(tǒng)設(shè)計中必不可少的部分是計算機處理工，包括采樣接口電路、微機系統(tǒng)，分別在處理系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。其中，采樣接口電路能把測試后完成的圖像正確輸出，并以波形Uout 按電平“T 區(qū)”寬度轉(zhuǎn)換，成為相對應(yīng)的數(shù)字量，以時序節(jié)拍完成計數(shù)工作，最后由單片機微機系統(tǒng)對具體內(nèi)容展開分析、處理等。需要注意的是，在處理系統(tǒng)運行階段會出現(xiàn)一個較嚴(yán)重的問題，就是二值化電路問題，要在檢測前與檢測過程中引起工作人員重視，準(zhǔn)備具體應(yīng)急方案與措施能規(guī)避或解決該問題，從而保證整體檢測效果符合預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)。

4 CCD 非接觸檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計

CCD 非接觸檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計，通常情況下，由鍵盤監(jiān)控模塊、加電模塊、運行模塊所組成。1）鍵盤監(jiān)控模塊主要是對識別鍵盤所輸入的命令完成指定工作，并在系統(tǒng)運行階段對不同命令轉(zhuǎn)換，在多個處理程序中詳細探究與分析，最終把具體參數(shù)清晰呈現(xiàn)，保證人機密切聯(lián)系。2）加電模塊主要是完成系統(tǒng)初始化程序，在人機密切聯(lián)系基礎(chǔ)上，能實現(xiàn)人機對話功能[4]。3）運行模塊主要是對系統(tǒng)實測軟件操作，與傳統(tǒng)化檢測方式相比較，能簡化檢測流程，并由設(shè)備與系統(tǒng)搭配代替人工操作，整體效率與技術(shù)水平顯著提升。

5 CCD 非接觸檢測技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中的運用

5.1 常溫下條件對被測物尺寸測量

基于常溫條件下開展被測物尺寸測量工作，還需在該項工作開展前對其實際情況全面性探究，并設(shè)計測量裝置，主要包括電荷耦合器件、光學(xué)成像系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)等，測量目標(biāo)包括零件長度、寬度、厚度、圓內(nèi)徑、圓外徑等。均能采用非接觸測量技術(shù)，避免對被測物表面或測量領(lǐng)域造成不必要的影響[5]。

例如在實際應(yīng)用階段要依據(jù)其光電轉(zhuǎn)換特性，借助照明系統(tǒng)使被測物通過物鏡成像，并呈現(xiàn)在CCD 靶面上，數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)會完成信號處理工作，分析被測物幾何模型，由光學(xué)成像系統(tǒng)完成特性轉(zhuǎn)換，可計算出被測物的長度、寬度、厚度、圓內(nèi)徑、圓外徑等尺寸。

5.2 高溫下條件對被測物尺寸測量

在高溫條件下完成被測物尺寸測量工作，考慮到工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中所包括的產(chǎn)品類別不同，因此各項參數(shù)有差異，需要人員在測量工作開展前明確具體標(biāo)準(zhǔn)、內(nèi)容等，制定完善的量方案與計劃，才可在測量階段避免各項因素對測量結(jié)果準(zhǔn)確性與完整性造成影響。同時，選擇適合的方法，以800K 以上高溫目標(biāo)為主，分析到測量環(huán)節(jié)及周圍景物對影像理論信號強度帶來的不同影響，結(jié)合其所呈現(xiàn)出的各種特點，建議選擇“紅外積分法”，能保證在特殊環(huán)境中對高溫目標(biāo)準(zhǔn)確甄別，并獲取到相關(guān)信息數(shù)據(jù)。

在非接觸檢測系統(tǒng)運行階段，要先借助攝像頭對被測物側(cè)面拍攝，與計算機系統(tǒng)相連接，能將拍攝出的圖像儲存到系統(tǒng)中；然后將圖像卡與VD 轉(zhuǎn)換，計算機也會結(jié)合實際情況對圖像進行細化處理，經(jīng)處理后會得出一組中間數(shù)據(jù)；最后借助數(shù)學(xué)模型完成中間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工作，計算出被測物斷面尺寸，完成預(yù)期檢測要求[6]。

5.3 溫度場被測物尺寸測量

首先，CCD 數(shù)字?jǐn)z像頭能攝取高溫熔體被測物表面熱輻射圖像，由計算機系統(tǒng)中的圖像處理技術(shù)，可增強獲取到高溫熔體被測物表面溫度場數(shù)據(jù)。其次，選擇高溫場測量方法，是以彩色CCD 比色測溫系統(tǒng)運行原理為基礎(chǔ)，選擇WJDIl 型高溫臥式黑體爐硫化銅開展測溫實驗，其測溫精度較高，在測量過程中能對具體內(nèi)容詳細探究，測量流程完整[7]。如果在現(xiàn)場測量過程中要求對電子束釬焊現(xiàn)場開展實際工作，還需對后者實際條件全面性考慮，要在溫度場分布檢測，所采用的方法也考慮到RGB 攝像機精度較高，在真空電子束焊接階段詳細記錄整個過程，再加上對數(shù)字圖像處理技術(shù)應(yīng)用，來分析三基色測溫及溫度場分布實況，適用在模糊條件下溫度控制領(lǐng)域中。只需注重測量前、測量中、測量后各環(huán)節(jié)元素與要素詳細處理，才可實現(xiàn)預(yù)期測量目標(biāo)。

5.4 被測物邊緣與表面檢測

因工業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中物品類別不同，所應(yīng)用到的零件種類也比較多，大部分零件外表面、結(jié)構(gòu)等較特殊，會在邊緣檢測階段增加難度，人工測量方法無法保證信息數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性與完整性、對此，還需在零件邊緣與表面檢測環(huán)節(jié)中能借助CCD 非接觸檢測技術(shù)，既不會對零件外表面造成影響，又能獲取到精確的信息數(shù)據(jù)。其中，在檢測階段會分析零件形狀、邊緣位置，把所檢測到的信息數(shù)據(jù)以CCD 圖像完成小波變換，由小波變換多尺度特性，準(zhǔn)確獲取到被測物邊緣信息數(shù)據(jù)[8]。

6 結(jié)語

結(jié)合上述內(nèi)容探究，能了解到CCD 非接觸檢測技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中的重要性與影響性，是工業(yè)生產(chǎn)中必不可少的一項技術(shù)，無論是對系統(tǒng)硬件設(shè)計還是軟件設(shè)計，均要在設(shè)計階段完成系統(tǒng)工作流程圖繪制工作，目的是能保證系統(tǒng)在運行階段整體穩(wěn)定性較強，在軟件與硬件相互協(xié)作下，完善被測物檢測工作流程，提升整體技術(shù)水平，保證被測物實際情況能被清楚掌握。同時，各環(huán)節(jié)中所產(chǎn)生的信息數(shù)據(jù)均被系統(tǒng)詳細記錄，能為后續(xù)深度探究或調(diào)整作業(yè)方式等提供參考依據(jù)。