２００９年第５ ｌ卷第４期 光电技术ＥＬＥＣＴＲＯ—ＯＰＴＩＣＳ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ 一种精密平面二维图像测量系统的构建 李吉成黄惟公王萌 西华大学四川成都６１００３９ 摘要本文介绍了一种研究利用线性ＣＣＤ和光栅测量物体在某个平面上的精密二维图像的方法。提供给 ＣｃＤ一个被拍摄目标物，把目标物固定在电光二维工作平台的ｘ或Ｙ方向上，然后在把ＣＣＤ固定在光电二维工作 平台上Ｙ或ｘ方向上。通过步行电机控制目标物在二维平台上移动，被拍摄物体的像在ＣＣＤ光敏线上的刻度和位置 随着二维工作平台位置而改变，线阵ｃｃＤ测量出目标物在Ｙ或ｘ方向上的位移，再用光栅测得物体在ｘ或Ｙ方向上的 位移，这样就可以同时得出物体在某一时刻ｘ和Ｙ两个方向上的位移，对这两个方向上的数据进行处理可以的到 物体在这个平面上的精密二维图像．结论表明，相对于传统的测量方式，该方法的测量精度得到了提高。 关键词线性ＣＣＤ光栅电光二维工作平台平面二维图像 １引言 光栅位移测量系统来测量物体平面二维图像的， 随着各种信息技术的不断发展，人类社会 这个系统在测量物体平面二维图像方面具有高度 进入一个前所未有的信息时代。人们对于传统的 自动化，高度灵活性，高精度等优点。 测量方法和测量精度不满足，希望得到更精确， 更准确的数据。物体的平面二维图像测量在检测 ２系统设计 技术中是一个应用十分普遍并有实际应用价值的 本次研究使用了ＫＥＹＥＮＣＥ公司生产的ＬＳ． 课题。精密平面二维图像的测量在很多场合都有 应用，比如微生物的测量，各种精密加工设备的 ７ｏ００ＣＣＤ系列产品，北京塞凡光电仪器有限公司 测量等。因此，测量工作平台的ｘ和Ｙ两个方向 的二维电移运动控制平台以及贵阳新天光电科技 有限公司的ＤＲＯ．２Ｌ通用功能的２坐标数显表。 上的位移就成为重要的课题。ＣＣＤ具有高精度， 高分辨率，性能稳定，功耗低，寿命长以及具有 ＬＳ．７０００该系列产品是一款高速，高精度的数字 自动扫描功能等特点，在精密测量方面，得到了 测微计，无需接触目标即可对其尺寸进行测量。 广泛的应用。ＣＣＤ按其光敏元的排列方式可以分 它使用范围和优越性是现在的机械式，光学式， 电磁式测量仪器所无法比拟的。二维电移运动控 为线阵ＣＣＤ和面阵ＣＣＤ两种。测量平面二维图像 制平台则是配合电移台控制器控制电移台，实现 可以使用面阵ＣＣＤ摄像机对固定在工作平台上的 对二维电移台的复杂并且精确的控制。ＤＲＯ一 目标物进行摄像测量。但是面阵ＣＣＤ价格比线阵 ２Ｌ光栅尺数码显示系统，是一种集光电技术， ＣＣＤ昂贵，而且一般面阵ＣＣＤ摄像机每秒只拍 精密机械技术，微电子模拟技术，计算机处理技 ３０次，在一维尺度上，其分辨率也不如线阵 术等多种高科技于一体高科技产品，能够满足一 ＣＣＤ，后续处理电路也要比线阵ＣＣＤ复杂的多。 些精密测量的要求。其外围设备连接如图１所示． 此外，也可以将二维的位移分解为两个在ｘ和 Ｙ方向上正交的一维分量，使用两套一维的位移 光 或尺寸测量装簧，例如两套线阵ＣＣＤ图像传感 器，或者两套光栅位移测量系统，或者‘套 ＣＣＤ图像传感器和‘套光栅位移测量系统，或者 用…套ＣＣＤ测量系统测量两个方向的位移。本论 文介绍的一种方法是一套ＣＣＤ图像传感器和…‘套 图１系统外围设备连接图 第５ １卷第４期 一种精密平面二维图像测量系统的构建 ２．１系统的测量原理 节。本次研究中采用交流伺服电机对二维精密运 本次研究把ＬＳ．７０３０；￣０量头用支架固定在二 维电移运动控制平台上，使目标物能够在测量头 的发射器和接受器的中间穿过。通过应用７ＳＣ系 列运动控制器来控制二维电移运动控制平台在 ｘ或Ｙ方向上移动，其中二维电移运动控制平台 在Ｘ或Ｙ方向上的位移可以通过ＤＲＯ一２Ｌ光栅显示 器显示，在另一个方向上则通过ＣＣＤ；￣ｔＪ量物体的 宽度，把用光栅数显测量得到的数据和ＣＣＤ测量 得到的数据传送￣ｉＪＰＣ上，经过对被测物体的数 据信息进行快速采样，存储及数据处理，就可以 得到物体在某个平面上的二维图像信息。其测量 方法如图２所示 图２测量位移原理图 物体移动水平方向上位移数据的测量：步 行电机控Ｎ－维电移运动平台在ｘ方向上移动， 通过应用光栅数显器测量物体在这个方向上的位 移，实时的显示并发送￣ｔＪＰＣ中保存。 物体移动垂直方向上数据的测量：ＬＳ． ７０００系列产品的测微仪每秒２４００次的高速采样， 可以对挤压产品进行连续的测量以及配备的最新 的光学系统，其中可以达Ｎｏ．１５微米，基本上可 以满足精密测量的试验。通过对ＬＳ．７００１控制器 的功能设置可以实现多种的测量用途，本次研究 应用线阵ＣＣＤ测量物体在Ｙ轴方向的宽度，由于 对物体测量的精度要求比较高，使用ＳＥＧ（片 段）模式的边缘０方式。在捕获和保持测量值方 面，采用自动定时保持测量模式，无需外部定时 输入即可显示并输出测量值，自动定时期问可以 在ｌ至９９９９毫秒之间进行调整。 ２．２数据的处理 由于口标物的表面状况和角度的原因，日 标物的测量数据可能存在微小的误差，对于比较 精密的测量，误差的校准则是不可缺少的重要环 动平台的位移进行驱动控制，控制系统主要有主 控计算机，控制器，驱动器，执行电机和电源等 组成。ＰＣ端通过键盘输入速度值，位移量和方 向信息，控制器通过脉冲信号和方向信号对电机 进行控制以达到物体在ｘ方向上的定位。本试验 所涉及的控制器驱动器运动方式分二细分方式， 四细分方式，八细分方式和整步运行方式。可以 通过设置驱动器的运动方式和实际的要求，来减 少物体在ｘ方向上的误差。ＣＣＤ测量方面采用单 点校准，将目标物作为单一测量点，将基于测量 前的显示值和校准后的显示值对这个点进行校 准。这种情况下，ｃｃＤ测定的幅度值（倾角）和移 动值，在内部将未校准的显示值转化为经校准的 测量值，以减小物体在Ｙ方向上的误差。 本论文所获得的二维图像是由线阵ＣＣＤ （Ｙ方向）与二维电移运动位移移动平台（Ｘ方 向）在与线阵ＣＣＤ相垂直的方向上相配合扫描实 现的。在线阵ＣＣＤ的方向上的像物的比例主要是 由ＣＣＤ的分辨率所决定的，而在二维电移位移运 动平台运行方向上的物像比例与位移平台的运动 速度有很大的关系。位移平台的运动速度越快， 所采集图像在Ｙ方向上的分辨率越低；位移平台 的运动速度越慢，所采集图像在Ｙ方向上的分辨 率越高。ＰＣ将采集到的ｘ和Ｙ方向上的数据保存 在数据库中，在采集完成后，用高级语言对于所 采集到的数据进行描点，就可以得到物体的平面 二维图像直观图，该方法比传统的测量物体的平 面二维图像简单，快捷。 ３软件设计 设计思路：ＬＳ一７０００系列从外部设备接受到 指令后，就要对收到的命令做出响应，并将响应 返回给外部设备。编写控制程序的时候，要确保 该程序能使外部设备在确认ＬＳ一７０００系列的相应 后发射下一条指令。ＰＣ通过７４ＳＣ控制器来控制 物体在二维电移工作平台上的移动，当物体走到 一定的位移后停止运动，然后ＰＣ发出命令采集 由ＣＣＤ和光栅数显仪所测的的数据，ＰＣ接受完 这一一时刻所采集到的数据后，就发出命令让二维 电移运动工作甲台继续移动，继续测量 组数 据。以下为ＣＣＤ主要的控制程序。 ＬＳ．７０３０控制器的控制程序设置： １２ 光电技术 的数据通过指令传送￣ｌＪＰＣ端。 ４结论 第５１卷第４期 ＳＤ，ＨＥ，ｌ，Ｉｃｒ／／指令设置区域１，测量头１ ＳＤ，ＡＲ。１，３ｃｒ／／指令设置区域１，测量模式 为ＳＥＧ（片段１模式 ＳＤ，ＳＥ，ｌ，００００Ｅ，００００Ｅｃｆ／边缘０模式 ＳＤ，ＡＴ，１，ＯＦＦ／／设置区域检查关 ＳＤ，ＣＡ，ｌ，ｌｃｒ／／设置ＯＵＴ１输出，计算系数ｌ ＳＤ，ＭＥ，１，１０Ｎ设置ＯＵＴ１自动定时输出 ＳＤ，ＴＭ，１，１０００Ｈ设置每１ＳＯＵＴ１输出， ＳＤ，ＡＵ，ｌ，０５ｃｒ／／设置ＯＵＴ１输出，换算比例 为５０输出 ＳＤ，ＵＰ，１，＋０９０００００ｃｒ／／设置基准值模式上限 ＳＤ，ＬＷ，１，＋００１００００ｃｒ／！设置基准值模式下 限 ＳＤ，ＪＯ，ｌ，２２／／ＯＵＴ１输出，上限保持数据删 除开 ＬＳ一７０３０控制器的测量控制程序设置： Ｍ０，Ｏｃｒ／／设置ＯＵＴ１输出，输出的类型为测 量值 Ｌ１，０ｃｒ／／设置ＯＵＴ１输出，定时输出的类型 为测量值 ＨｌｃｒＨ打开定时输入 ＨｌｃｒＨ关闭定时输入 Ｖｌｃｒ／／自动置零ＯＵＴ１开 Ｗｌｃｒ／／自动置零ＯＵＴ１关 ＰＷ＇ｖｃｒ／／选择程序编号Ｖ表示程序编号０—９， Ａ．Ｆ ＰＲｃｒ／／检查当前的程序编号 ＰＬ，０ｃｒ／／用来设定面板锁定 ＬＳ，ｌｃｒＨ用来使ＦＯＣＵＳ输出状态 ＰＣ端的程序设计实现：通过ＲＳ一２３２串口， ＰＣ机发送指令，初始化控制器，设置控制器的 各种状态和工作环境，然后开启控制器，把所测 本文研究基于一个ＣＣＤ图像传感器和一套 光栅位移测量系统所组成的一套二维图像测量光 电机测量系统，提出了一个获取精密物体二维图 像的方法。线阵ＣＣＤ与精密机械位移平台两者所 组成的系统测量的物体平面二维图像的数据其优 点：相对于用两套光栅测量系统来说，本文的测 量方法所测的数据比较精确；相对于一套ＣＣＤ测 量系统来说，本文系统的使用范围要大，因为使 用一套ＣＣＤ测量系统的被测物形状有一定的限 制；相对于面阵ＣＣＤ测量系统，本文系统的构建 比较便宜。由此，在诸多的物体的图像测量方法 中，该方法有一定的应用空间。 ５参考文献 ［１】陈玉萍．远程位移测量技术的研究［Ｄ】硕士 学位论文，上海：同济大学物理系，１９９９，ｌ ［２】科学ＣＣＤ的过去，现状和未来。激光与 光电子学进展，１９９５；（１０）：８－３７（总３５８） ［３】何树荣，张乐，鲍鹏．采用单线阵ＣｃＤ测 量工作台二维位移的研究．光学技术，２００３，１１ ［４】陈维山，赵杰机电系统计算机控制哈尔 滨：哈尔滨工业大学出版社，１９９８ 【５】俞巧云，李为民，翟超等。基于并行口 饿微步进电机控制系统。自动化与仪表，２００１， １６（２）．５ １—５３ ［６】马宏伟，牛伸克，张广明等。精密ＸＹ工 作平台计算机控制系统。机械与电子，１９９７， （５）， ３０．３１ 【７］李圣怡，ＷＩＮＤＯＷＳ环境下软硬件接口 技术。长沙：国防科学技术大学出版社，２００１， １７８—２４５
