基于线阵CCD技术的玻璃测厚系统研发

关键词：线阵CCD；玻璃厚度测量；光学技术

前言

目前，国内玻璃生产厂家广泛采用浮法玻璃生产方法，厂家在生产中采用浮法玻璃彻底冷却后再进行厚度检测的方法，导致玻璃厚度测量反馈信号滞后玻璃厚度控制系统，易因玻璃厚度不符合国家标准而造成损失，尤其是在生产线频繁改变产品厚度规格情况下这一问题尤为突出。

针对传统厚度测量方法的弊端。研究了利用半导体激光和线阵电荷耦合元件（CCD）组成的在600℃高温条件下的一套非接触式、在线玻璃厚度检测系统。利用几何光学中光的反射和折射原理对玻璃进行非接触测量，选用线阵CCD作为图像传感器，设计了CCD视频信号处理电路。

1、测量原理

测量系统利用几何光学中光的反射和折射原理，图1为系统测量原理示意图。

由图1可见，半导体激光器发出的激光通过柱面镜变为光线P0，当光线P0以一定的角度射向玻璃板时，其中一小部分会在玻璃板上表面直接反射出光线P1到CCD感光面上，其反射角T1和入射角T0相等；大部分光线经空气-玻璃界面折射出光线P2，P2在下表面全反射后一大部分在玻璃-空气界面折射出光线P3到CCD感光面上，另一部分在玻璃-空气界面反射出光线P4，同样光线P4经玻璃-空气界面折射出光线P5。易得出光线P1、P3和P5平行，2条光线相互距离与玻璃板的厚度成线性关系，则可通过线阵CCD检测计算3条光线的垂直距离来测定玻璃板的实际厚度尺寸。

在实际应用中，通过在线标定获得α的值。记录某一时刻的峰间距值D，在玻璃成型后获得当时的H就可得出标定值α。

2、系统设计

测量系统的组成框图，如图2所示。光源发出的光经光学系统1（会聚透镜）照射在被测物体上，在被测物体表面发生反射，经光学系统2（成像透镜）成像于CCD图像传感器上，CCD可将光信号转化成电信号，进而处理得出CCD像敏面上的像点距值D，由式（3）即可得出被测物体的厚度。

光源采用半导体激光器，方向性好，亮度高。角调整为45°，选用5000个像素的线阵CCD，由电荷转移栅、三相模拟移位寄存器、可复位的输出电荷检测放大器、补偿放大器等组成。其驱动脉冲如图3所示。

当被测对象成像在CCD光敏像元上时，经视频信号处理电路，输出方波脉冲。方波脉冲分二路送出，一路直接送给锁存器1的锁存端，另一路经反相器送给锁存器2。锁存器1、2的数据输入端并联到微处理器的数据总线端口上。由于锁存器的锁存控制是上升沿有效，所以锁存器1锁存的是二值化方波脉冲的前沿N1值，而锁存器2锁存的是二值化方波脉冲的后沿N2值，这样微处理器便得到N1和N2值。这两个锁存器的数据均来自于计数器，而计数器的计数脉冲由驱动器输出的复位脉冲ΦR完成，计数器复位由驱动器的光积分脉冲ΦSH来完成。由于ΦR与像元采样脉冲的频率相同，所以在一个行周期中的任一时刻所记的值为Ni，只要小于CCD的有效像元数，Ni都代表了这一时刻所表征的Ni像元数的位置。这样，CCD像敏面上像的中心位置为

N =（ N1 + N2 ）／2 (4)

3、视频信号处理电路设计

CCD光敏像元的成像，经二值化处理就可把CCD视频信号中图像尺寸与背景部分分离成二值电平。为降低噪声对视频信号的影响，可采用相关双取样（CDS）滤去不需要的高频信号，将滤波后的视频信号放大，送入二值化处理电路进行二值化处理，即可输出方波脉冲。

线阵CCD输出信号为离散的模拟信号，其中混杂着各种噪声和干扰信号，最主要的有复位噪声、随机噪声、散粒噪声和固定图形噪声等。CCD输出电压通常很小，一般只有几百毫伏，因而常淹没在噪声中。CCD信号处理的目的是尽可能的消除这些噪声，同时保有图像的细节。CCD信号处理框图如图4所示。

3.1、相关双取样

相关双取样基本电路如图5所示。

两次采样时间需控制在没有复位脉冲和水平转移脉冲干扰区间，两次采样间隔一般要小于T／2（T为一像素周期）。2次采样后电平模拟相减，差值为真正的信号电平。选用TLl591型采样/保持放大器来完成相关双取样功能。因为相关双取样为点采样，本身不具有低通滤波特性，所以在它之前要加前置低通滤波器来限制带宽，从而组成相关双取样系统。在相关双取样电路前加一级带宽为10MHz的低通滤波器。

3.2、二值化处理

经低通滤波、相关双取样、二次视频放大后的CCD信号必须转化为数字信号，以便于微机的进一步处理。对于应用于玻璃厚度测量系统的CCD信号对图像灰度不做要求，为提高处理速度，降低成本，这里采用二值化图像处理方法。具体采用浮动阈值二值化电路，如图6所示。

4、实验及误差分析

4.1、产品分析

测厚仪一般用于玻璃厂改变生产玻璃厚度时的实时监控。玻璃厚度规格改变过程中，测量系统无法进行在线标定，而对于不同的玻璃厚度标定系数会有一点变化，所以测量误差增大。

4.2、误差分析

激光和CCD传感器引起的误差：理想的激光光条在线阵CCD上的成像点应是圆滑的单个线条。光强太弱，像点信号就弱，结果较易受到噪声干扰；光强太强，像点信号就强，会使信号过度饱和。当信号过度饱和时，CCD上像点附近很多单元被“污染”，探测中心与实际光条中心有较大误差。由于玻璃与锡液表面的反射率不同，P1和P5的强度也不相同，从而无法使两个光条成像点都很理想。由于P5的成像属于过度饱和，所以检测到的光条中心和实际光条中心有一定误差，这样D与H存在一定的非线性。利用多点标定求修正系数可解决这个问题，对不同已知厚度的玻璃进行测量，求出其修正系数。实际使用中求出玻璃厚度后，再加上求出的修正量。激光和CCD的电路漂移，也会带来一定的误差。

温度分布引起的光线弯曲带来的误差：推导式（2）有一个基本假设，就是空气的折射率均匀分布，即U0是常数。但在实际条件下，U0是在一定的范围内变化的。当U0不均匀分布时，光线传输将发生弯曲，就会对测量产生很大影响。并且玻璃温度越高、T0越大和光线传输距离越长，那么光线的弯曲就越大。在本系统中由于P1、P3和P5平行，且光线传输距离相差不多，那么3条光线在CCD上的像点偏移距离就几乎相同。所以，该测量原理已有效的克服了由于温度分布引起的光线弯曲带来的误差。

环境扰动带来的随机误差：由于现场条件恶劣，环境扰动给测量结果带来的随机误差较大，且会出现少量不合理数据。利用软件系统对测量结果数据进行处理可在一定程度上解决这个问题。在程序中判断并剔除不合理数据，针对CCD的采集速率较快，玻璃的前进速度不快，且厚度变化均匀缓慢的特点，可采取均值滤波法来处理测量数据。，

结束语

采用激光折射、反射原理，基于CCD图像技术的玻璃在线测厚系统，测量精度高，该测量系统能在高温区检测玻璃厚度，提高了产品质量，也使生产线在调整玻璃厚度时能快速调整完毕，提高了效率。

由保定市蓝鹏测控科技有限公司编写