基于面阵CCD的宽度测量系统设计

摘 要 文章提出了一种基于面阵CCD的宽度非接触测量系统，介绍了该系统的测量原理及硬件组成，采用蓝牙4.0技术实现采集信号到计算机的无线传输。实验对不同宽度的钢板进行测量，结果表明该系统测量误差小、效果好，具有一定的实用价值。

关键词 CCD 宽度测量 蓝牙4.0 非接触测量

中图分类号：TB96 文献标识码：A

Width Measurement System Design Based on Array CCD

LI Sha

（School of Physics and Mechanical and Electrical Engineering， Hubei University of Education， Wuhan， Hubei 430205）

Abstract Proposed width of the non-contact measurement system based on CCD array， introduced the measurement principle and hardware of the system components， the use of Bluetooth 4.0 technology for wireless transmission of acquired signals to the computer. Experiment with different widths of steel were measured， the results show that the system measurement error is small， the effect is good， has some practical value.

Key words CCD； width measurement； Bluetooth 4.0； non-contact measurement

0 引言

CCD（Charge Coupled Device），电荷耦合器件，是贝尔实验室在20世纪60年代末期发明的图像传感器。由于其在检测方面的独特空间特性和结构特性，CCD自问世以来便广泛应用于光电检测领域，尤其在工业在线检测领域具有不可替代的地位。与传统的机械式、电磁式、光学式检测技术相比，基于CCD传感器的非接触式检测技术在尺寸检测的智能化和自动化方面体现出明显的优势。文献[1]提出一种基于面阵 CCD 和激光辅助的测宽系统用于在线测量钢板宽度。文献[2]采用两个面阵CCD的图像拼接方法实现对 130mm的大尺寸轴径的高精度测量，并就图像拼接时需要注意的问题进行了说明。文献[3]介绍了一种基于面阵CCD的振动非接触测量系统，并对该系统参数的确定方法和系统所采集的序列运动图像的处理方法进行了分析。本文介绍一种基于面阵CCD的宽度测量系统，并运用蓝牙4.0技术实现图像信息的传输。蓝牙4.0整合包括传统蓝牙技术、蓝牙低耗能技术和蓝牙高速技术，低功耗是蓝牙4.0的突出特点，使其在短距无线应用和便携式操作控制方面具有优势。

1 硬件系统组成

基于面阵CCD的非接触测量系统的硬件部分由面阵 CCD、传感器固定附件、图像采集模块以及计算机组成，如图1所示。CCD将被测物体成象后的光信号转换为电信号，图像采集模块则进行模数转换获得相应的数字信号，运用蓝牙4.0技术实现信号的无线传输，通过计算机上的图像处理软件对获取的图像进行处理、提取，最终将计算的测量结果输出。

1.1 CCD图像传感器

CCD图像传感器将光学信号直接转换为对应大小的模拟电流信号，再经放大和模数转换从而实现图像的获取、存储、传输和处理。根据感光单元的排列方式不同，CCD可分为线阵CCD和面阵CCD两大类。前者价格低廉，结构简单，适用于一维动态目标的测量，但在获取二维图像时需配以运动扫描，获取时间长且测量效率低，不适于高精度的平面曲线轮廓检测；后者则应用面较广，可以获取二维图像信息，测量图像直观，适合测量面积、尺寸、位置、形状甚至温度等信息。面阵CCD图像传感器是感光单元有序排列成二维网状的传感器，因其具备自扫描特性，能够把光学图像变换成按空间域分布的离散电压信号，再通过计算机系统进行处理，就可以完全实现高精度、高分辨率检测。①

图1 测量系统框图

图2 CCD检测原理

用面阵CCD的非接触测量物体宽度的原理如图2所示，光源发出的均匀光线照在被测物体上，其宽度信号通过成象物镜成象在面阵CCD的光敏面上，CCD再将光信号转换成对应的模拟电信号。

1.2 蓝牙4.0

蓝牙无线技术是使用范围最广泛的全球短距离无线标准之一，蓝牙4.0包括了传统蓝牙、高速蓝牙和低功耗蓝牙三种蓝牙技术。②③低功耗技术（Low Energy）是蓝牙4.0的核心，其最大的特点是运行功耗和待机功耗极低，只需一粒纽扣电池便可使蓝牙低功耗设备连续工作达数年之久，这种技术即为蓝牙4.0BLE。测量系统中，由CCD获取的模拟电信号经图像采集模块转换为数字信号后，采用蓝牙4.0技术传输至计算机端进行相应的处理。蓝牙无线传输技术可以实现非接触测量系统的便携式操作和户外应用。蓝牙4.0BLE不仅有低功耗特点，还具有高可靠性、高安全性、低成本、快速启动、瞬间连接的特点，其有效的传输距离较传统蓝牙有极大提高，可达60～100m。这些保证了测量系统的无线传输的可靠和高效，也大大提高了户外非接触测量的应用范围。

表1 钢板宽度测量记录

2 测量实验

为了检测系统的测量效果，实验选取10块不同宽度的钢板进行测量，选用激光光源照在被测钢板上，测量结果见表1。数据显示10次测量的误差8在0.1mm以内，10次测量误差的平均值为0.08743mm，测量效果是理想的。测量误差主要是因为系统中存在光学系统造成的误差、环境误差、设备误差等。

3 结语

本文介绍了一种简单易行的非接触式宽度测量系统，利用面阵CCD摄像机获取被测物体的图像，接着经图像采集模块进行模数转换，并通过蓝牙无线传输技术传送至计算机，再经图像处理获得宽度值。实验对10块不同的钢板进行测量，测量误差较小，效果理想，证明了本系统是可行的。

基金项目：湖北省教育厅科学研究计划资助项目（Q20133006）

注释

① 郭伟.基于面阵CCD的钢板几何尺寸测量系统的研究[D].太原科技大学硕士学位论文，2013.

② 欧阳骏，陈子龙，黄宁淋.蓝牙4.0BLE开发完全手册[M].北京：化学工业出版社，2013.4.

③ 张德龙.基于蓝牙 4.0 的无线扭矩测量分析[J].电子测试，2013.15：79-80，62.

参考文献

[1] 秦广胜，何对燕，商红林.一种新的激光辅助钢板宽度测量系统的实现[J].电子设计工程，2009.10：31-33.

[2] 王庆有，蔡锐，马愈昭，齐龙.采用面阵CCD对大尺寸轴径进行高精度测量的研究[J].光电工程，2003.12：36-38.

[3] 刘拓群.基于面阵CCD的振动非接触测量[J].机械与电子，2002.4：76-77.