CN107421457B - 基于模拟图像采集的非接触式细丝直径测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于模拟图像采集的非接触式细丝直径测量装置及方法，用于测量细丝直径，包括光学装置、拍摄单元、信号分离单元、波形处理单元、FPGA微处理器、显示单元，拍摄单元将光学装置输入的光学图像转化为复合模拟电压信号，通过信号分离单元和波形处理单元，得到行信号、场信号、模拟图像电压信号并送入FPGA微处理器，经过处理将待测细丝长度显示在显示单元中，所述的光学装置包括LED线光源、黑色吸光底板、密闭箱、镜头，拍摄单元由驱动模块、CCD传感器、信号处理模块、时序控制模块组成，所述的FPGA微处理器包括脉冲计数模块、数据处理模块、显示驱动模块，本发明可以实现高速可靠、高精度、低成本测量细丝直径。

Description

基于模拟图像采集的非接触式细丝直径测量装置及方法

技术领域

本发明涉及测量技术领域，具体涉及一种基于模拟图像采集的非接触式细丝直径测量的装置及方法。

背景技术

在工业生产中，经常遇到细丝直径的测量问题。目前所采用的测量方法分为接触式和非接触式。接触式测量方法多采用数显千分尺或传统千分尺，在测量过程中，千分尺的旋进会对细丝表面产生形变，引入测量误差，并且，传统千分尺测量不便于记录数据，分析细丝整体的粗细均匀情况。非接触式测量现行方法基于数字图像，通过对数字图像像素信息提取即可得出细丝直径数值，但此测量方法受到图像传感器像素大小的限制。目前，常采用的图像传感器像素尺寸为8～10微米，此数值远远低于被测细丝精度的精度要求，为实现高精度测量不得不增加光学系统模块或使用定制的高精度图像传感器。但这两种方法不仅增加了开发成本且均无法消除数字信号的量化误差。

模拟图像，又称连续图像，是指在二位坐标系中连续变化的图像，即图像的像点是无线稠密的，同时具有灰度值(即图像从暗到两的变化值)，通过某种物理量的连续变化来表现图像上信息，它反映了事物在连续空间中的真实特征。数字图像是由模拟图像数字量化得到的，把图像分解为称为像素的若干离散点，并将各像素所代表的信息量化后的离散值即整数来表示的图像。通过模拟图形采集进行非接触式细丝测量，可以避免通过数字图像采集信息时在量化过程中，受到像素大小的限制导致的量化误差，提高测量精度。

模拟摄像头对图像成像时，由CCD感光元件对所拍摄物体感光，CCD依据半导体的内光电效应，可以将入射光信号转换为电荷输出，并对所产生的电荷收集起来，成为信号电荷包，并将电荷包从一个像元转移到下一个像元，直到全部电荷包输出完成，最后将转移到输出级的电荷转化为电压信号，由于是用连续的电压信号来表征图像信息，故所产生的图像信号为模拟图像信号。光敏元件在聚集电荷的过程中，光电荷与光照强度和光积分时间成正比，在快门时间固定的情况下，输出的电压幅值就代表了图像的灰度信息，即白色图像光强最强，输出表现为电压图像信号的峰值电压，黑色图像几乎没有光强，输出表现为电压图像信号的谷值电压，电压的幅值变化对应了图像灰度变化。

因此，本发明利用模拟图像像点无线稠密，无量化误差真实反映图像尺寸特点，在模拟图像信息采集的基础上，采用非接触式测量细丝直径，克服以上缺点并提高测量的精度。

发明内容

本发明的目的是为解决现有测量装置及方法的不足，提供一种基于模拟图像采集的细丝直径测量装置及方法，通过模拟摄像头将直径长度测量通过光电信号转化为模拟图像信号，此信号为电压脉冲信号，通过对此脉冲电压信号进行处理，转化为整形后的代表细丝直径粗细脉冲宽度信号，进行时间测量得到直径长度。

本发明是通过如下技术方案实现的：

本发明提供了一种基于模拟图像采集的细丝直径测量装置，具体方案如下：

一种基于模拟图像采集的非接触式细丝直径测量装置，其特征在于包括光学装置、拍摄单元、信号分离单元、波形处理单元、FPGA微处理器、显示单元，所述的光学装置包括LED线光源、黑色吸光底板、含有过丝孔的密闭箱、镜头，其中密闭箱底部放置一块所述的黑色吸光底板，密闭箱左右两侧等高位置放置两个所述的LED线光源，密闭箱前后两侧中心轴向上与所述的LED线光源等高的位置开有两个过丝孔，待测细丝从所述的两个过丝孔中穿过，所述的镜头的镜头光学输入端从密闭箱上部伸入密闭箱中并对准所述的待测细丝，拍摄单元由驱动模块、CCD传感器、信号处理模块、时序控制模块组成，其中光学装置中镜头的镜头光学输出端与拍摄单元的CCD传感器的光学输入端对接，拍摄单元中的驱动模块的输出端与CCD传感器的电学输入端连接，CCD传感器的输出端与信号处理模块的信号输入端连接，时序控制模块与信号处理模块的控制输入端连接，信号处理模块的输出分别与信号分离单元和波形处理单元连接，所述的FPGA微处理器包括脉冲计数模块、数据处理模块、显示驱动模块，串口通信模块，FPGA微处理器中脉宽计数模块的控制输入端与信号分离单元的输出端相连、脉宽计数模块的脉宽输入端与波形处理单元的输出端相连，脉宽计数模块的输出端与数据处理模块的输入相连，数据处理模块的输出端与显示驱动模块的输入端相连，显示驱动模块的输出端与显示单元的输入端相连。

进一步的技术方案包括：

所述的镜头的截面平行于所述的黑色吸光底板。

所述的待测细丝的截面中心位于镜头中心及所述的CCD传感器中心的延长线上。

所述的CCD传感器为电荷耦合元件。

所述的信号处理模块输出的模拟电压信号为CCIR制式。

所述的波形处理单元由电压比较器、阈值产生电路组成，所述的阈值产生电路由可调电位器、电压源组成，可调电位器的两个固定端与电压源顺次连接成环路，可调电位器的可调端为阈值产生电路的输出端，所述的信号处理模块的输出端与电压比较器的同相输入端相连，阈值产生电路的输出端与电压比较器反向端相连，电压比较器的输出端即为所述的波形处理单元的输出端，所述的波形处理单元通过比较信号处理模块输出与阈值产生电路产生的阈值电压并放大完成波形处理，输出至FPGA微处理器中的脉宽计数模块的脉宽输入端。

所述的阈值产生电路输出的电压值为与图像电压信号峰值的1/2。

所述的FPGA微处理器还包括一个串口通信模块，串口通信模块的输入端与数据处理模块的输出端连接，串口通信模块的输出端可以与一个可选接收单元连接。

本发明所述的一种基于模拟图像采集的非接触式细丝直径测量装置的工作原理和工作过程为：

待测细丝穿过光学装置中的过丝孔，待测细丝被光学装置中的LED线光源打亮，拍摄单元通过光学装置中的镜头将光学装置中产生的光学影像输入所述拍摄单元的CCD传感器光学输入端，CCD传感器通过自身光电转换的性质将细丝在光学装置中产生的光学影像转化为模拟图像电压信号，在拍摄单元中驱动模块的控制下CCD传感器将模拟图像电压信号输出到信号处理模块，信号处理模块在时序控制模块的控制下，将模拟图像电压信号放大并与信号处理模块产生的行信号、场信号合成为复合模拟电压信号，信号分离单元将所述的复合模拟电压信号分离得到有效的行信号、场信号，并送入FPGA微处理器中时序控制模块的控制输入端，波形处理单元提取所述的复合模拟电压信号中的模拟图像电压信号并进行波形处理转换为边沿整齐的脉冲信号送入FPGA微处理器中的脉宽技术模块的脉宽输入端，时序控制模块在行信号、场信号的控制下测量脉冲宽度，并将测量结果送至数据处理模块，经数据处理模块处理后，通过显示驱动模块驱动显示单元显示待测细丝的直径数值，通过串口通信模块将待测细丝的直径数值传送至可选接收单元。

光学装置中，镜头截面平行于黑色吸光底板，待测细丝截面中心位于镜头中心及CCD传感器中心的延长线上，拍摄单元中的CCD传感器为电荷耦合元件，LED线光源产生的光纤为非平行光，所述的两个LED线光源分别从待测细丝两侧打量待测细丝，密闭箱中底部的黑色吸光底板将未打亮细丝的光线吸收，并作为待测细丝的黑色背景，CCD传感器光学输入端输入的光学图像为打亮的待测细丝及黑色背景，CCD传感器为电耦合元件，CCD传感器内部元件对有光物体(打亮的细丝)产生电压信号，对无光物体(黑色吸光底板)不产生电压信号或产生可以忽略不计的暗电流信号，从而将光学图像转化为电压信号。

拍摄单元中号处理模块输出的模拟电压信号为CCIR制式，CCIR制式为电压表示的黑白图像，电压值的幅值高低即可代表有无光线，待测细丝直径信息与电压脉冲宽度信息为线性关系，通过测量脉冲宽度即可得待测细丝直径，同时黑白图像信息仅为单一代表明暗的电压幅值，彩色图像则为三个代表三原色的电压信号，黑白图像信息具有分析简易，可靠高的优点，可提高测量精度。

FPGA微处理器中还包括串口通信模块，串口通信模块的输入端与数据处理模块相连，串口通信模块的输出端与可选接收单元相连，可选接收单元可通过串口通信模块接收待测细丝的测量结果，可选接收单元可以为计算机或其他需要输出的设备等，可以实现待测细丝测量结果的远端实时监控与控制，便于设备之间数据互通。

显示单元为串口触摸屏幕，所有按键和显示通过串口触摸屏幕完成，可以提供良好的人机交互界面，提高人机交互水平。

本发明还提供了一种基于模拟图像采集的非接触式细丝直径测量方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤一、标定设备：

(a)取一根已知直径的细丝作为标定细丝,此标定细丝的直径记为D，将该标定细丝从所述的两个过丝孔中穿过，通过任意固定的支架将其固定并保持自然伸直状态，所述的镜头的镜头光学输入端从密闭箱上部伸入密闭箱中并对准所述的标定细丝，所述的镜头的截面平行于所述的黑色吸光底板且标定细丝的截面中心位于镜头中心及所述的CCD传感器中心的延长线上，打开LED线光源，给拍摄单元、信号分离单元、波形处理单元、FPGA微处理器、显示单元通电,调整波形处理单元由阈值产生电路，使阈值产生电路的输出电压为V_th；

(b)光学装置1中两个LED线光源分别从标定细丝两侧打亮标定细丝，CCD传感器通过自身光电转换的性质将标定细丝的光学影像转化为模拟图像电压信号，在拍摄单元中驱动模块的控制下CCD传感器将模拟图像电压信号输出到信号处理模块，信号处理模块在时序控制模块的控制下将模拟图像电压信号放大并与信号处理模块产生的行信号和场信号合成为复合模拟电压信号，信号分离单元将复合模拟电压信号分离得到有效的行信号和场信号并送入FPGA微处理器中脉宽计数模块的控制输入端，波形处理单元提取所述的复合模拟电压信号中的模拟图像电压信号进行波形处理转换为边沿整齐的脉冲信号送入FPGA微处理器中的脉宽计数模块的脉宽输入端，在信号分离单元分离出的行信号和场信号的触发下测量上述的经过波形处理单元处理转换的脉冲信号的脉冲宽度，当脉冲上升沿到来时，开始对上述标定细丝的脉冲信号的脉冲宽度计数，下降沿到来时结束计数；计数单位为FPGA微处理器的周期时间T，单位为秒，即T为FPGA微处理器主频f的倒数，即f的单位为赫兹，经过脉宽计数模块得到上述标定细丝的脉冲信号的脉冲宽度计数个数记为N_D，则上述标定细丝的脉冲信号的脉冲宽度为

T_D＝N_D*T (1)

(c)为消除随机误差，需重复本步骤过程(b)求取N_D平均值；重复本步骤过程(b)进行测量，为提高测量精度建议至少测量100次,得到计数个数N_D的算数平均值记为则根据式(1)计算得到上述标定细丝的脉冲信号的脉冲宽度的算数平均值记为

(d)由于测量装置为线性系统，令比例系数由式(2)得：

本步骤在本方法中确定了需要使用的标定细丝和FPGA微处理器后仅需标定一次即可以测量多根不同的待测细丝，如更换了标定细丝和FPGA微处理器则需要再次操作本步骤进行标定；

步骤二、测量直径未知的待测细丝，本步骤包含3个小过程：

(a)放入直径未知的待测细丝，待测细丝的直径记为d，放置位置与步骤一过程(a)中标定细丝的放置位置相同，打开LED线光源，给拍摄单元、信号分离单元、波形处理单元、FPGA微处理器、显示单元通电；

(b)光学装置中两个LED线光源分别从待测细丝两侧打亮待测细丝，CCD传感器9通过自身光电转换的性质将待测细丝的光学影像转化为模拟图像电压信号，在拍摄单元中驱动模块的控制下CCD传感器将模拟图像电压信号输出到信号处理模块，信号处理模块在时序控制模块的控制下，将模拟图像电压信号放大并与信号处理模块产生的行信号、场信号合成为复合模拟电压信号，信号分离单元将复合模拟电压信号分离得到有效的行信号和场信号，并送入FPGA微处理器中脉宽计数模块的控制输入端，波形处理单元提取所述的复合模拟电压信号中的模拟图像电压信号进行波形处理转换为边沿整齐的脉冲信号送入FPGA微处理器中的脉宽计数模块的脉宽输入端，在信号分离单元分离出的行信号、场信号触发下测量上述的经过波形处理单元处理转换的待测细丝18的脉冲信号的脉冲宽度，当脉冲上升沿到来时，开始对上述待测细丝的脉冲信号的脉冲宽度计数，下降沿到来时结束计数，计数单位为FPGA微处理器的周期时间T，单位为秒，即T为FPGA微处理器主频f的倒数，即f的单位为赫兹，将待测细丝的直径记为d，经过脉宽计数模块得到上述待测细丝的脉冲信号的脉冲宽度计数个数记为N_d，则上述待测细丝的脉冲信号的脉冲宽度为

T_d＝N_d*T (4)

(c)为消除随机误差，需重复步骤二中(b)过程所述步骤求取N_d平均值，重复本步骤过程(b)进行测量，为提高测量精度建议至少测量100次,得到计数个数N_d的算数平均值记为则根据式(4)计算得到上述待测细丝的脉冲信号的脉冲宽度的算数平均值记为

步骤三、数据处理模块计算测量结果，由于本测量装置为线性系统，有由式(3)、(5)得：

步骤四、数据处理模块的将测得的待测细丝的直径d的数据送入与显示驱动模块，显示驱动模块(14)的驱动显示单元显示测量结果。

进一步的技术方案包括：

在于阈值产生电路的输出电压V_th为复合模拟电压信号峰值Vp的一半，即

本发明的有益效果如下：

与现有技术相比本发明基于模拟图像测量细丝直径，由于模拟图像像点无线稠密，无量化误差，真实反映图像尺寸，消除数字式测量量化误差，有效提高测量的精度。本发明所述的采集装置中密闭箱可以阻隔外部光源干扰，控制成像条件，保证细丝成像边界清晰，得到代表真实宽度信息的模拟图像电压信号，经处理后送入核心控制器FPGA微处理器处理并通过显示单元显示测量结果。基于FPGA微处理器硬件模块化理论，设计脉宽测量模块、数据处理模块、显示驱动模块等对信号进行测量并处理，最终实现检测精度可达2.5ns。与普通单片机不同，使用FPGA微处理器构成脉冲宽度计数器，利用其内部锁相环提高时钟频率，提高脉冲宽度计数值精度，减少设备误差，同时基于FPGA微处理器可编辑逻辑资源，将多个模块集成到一块FPGA微处理器芯片内部，可以降低成本，控制功耗，且可靠性高，本发明采用非接触式的测量方法，避免了形变引起的测量误差，提高测量精确性及稳定性。

附图说明：

图1为本发明基于模拟图像采集的非接触式细丝直径测量装置的系统结构框图；

图2为本发明所述的基于模拟图像采集的非接触式细丝直径测量装置的线路连接图；

图3为图1中所述的拍摄单元2所拍摄的图像；

图4为图3中拍摄图像后经分离比较得到的行信号与模拟图像电压信号；

图中：1.光学装置，2.拍摄单元，3.信号分离单元，4.波形处理单元，5.FPGA微处理器，6.显示单元，7.可选接收单元，8.驱动模块，9.CCD传感器，10.时序控制模块，11.信号处理模块，12.脉宽计数模块，13.数据处理模块，14.显示驱动模块，15.串口通信模块，16.密闭箱，17.过丝孔，18.待测细丝，19.LED线光源，20.黑色吸光底板，21镜头.22.镜头光学输入端，23镜头光学输出端

具体实施方式：

参照图1，本发明所述的基于模拟图像采集的非接触式细丝直径测量装置，用于检测细丝直径，包括光学装置1、拍摄单元2、信号分离单元3、波形处理单元4、FPGA微处理器5、显示单元6，可选接收单元7，所述的光学装置1如图2所示，包括LED线光源19、黑色吸光底板20、含有过丝孔17的密闭箱16、镜头21，其中所述密闭箱16底部放置一块所述的黑色吸光底板20，密闭箱16左右两侧等高位置放置两个所述的LED线光源19，密闭箱16前后两侧中心轴向上与所述的LED线光源19等高位置开有两个过丝孔，待测细丝18从所述的两个过丝孔17中穿过，待测细丝18被所述的光学装置1中的LED线光源19打亮，所述的LED线光源19产生的光为非平行光，所述的两个LED线光源19分别从待测细丝18两侧打亮待测细丝18，所述的密闭箱16中底部的黑色吸光底板20将未打亮的部分的光线吸收，并作为待测细丝的黑色背景。镜头21的镜头光学输入端22从密闭箱16上部伸入密闭箱16中，并对准待被打亮的待测细丝18，镜头21的镜头光学输出端23不伸入密闭箱16中，所述的镜头21截面平行于所述的黑色吸光底板20,拍摄单元2由驱动模块8、CCD传感器9、信号处理模块11、时序控制模块10组成，其中光学装置1中镜头21的镜头光学输出端23与拍摄单元2中的CCD传感器9的光学输入端对接，所述的待测细丝18截面中心位于镜头21中心及所述的CCD传感器9中心的延长线上，所述的CCD传感器9光学输入端输入的光学图像为打亮的待测细丝及黑色背景，拍摄当前图像，如图3所示，中间一条白色的细丝，两侧为黑色背景，所述的CCD传感器9为电耦合元件，CCD传感器9内部元件对有光物体(打亮的细丝)产生电压信号，对无光物体(黑色吸光底板)不产生电压信号或产生可以忽略不计的暗电流信号，拍摄单元2中驱动模块8的输出端与CCD传感器9的电学输入端连接，驱动CCD传感器9，从而将光学图像转化为电压信号从CD传感器9的输出端输出。CCD传感器9的输出端与信号处理模块11的信号输入端连接，时序控制模块10与信号处理模块11的控制输入端连接，信号处理模块11的输出分别与信号分离单元3和波形处理单元4连接，FPGA微处理器5包括脉冲计数模块12、数据处理模块13、显示驱动模块14、串口通信模块15，FPGA微处理器5中的脉宽计数模块12的控制输入端与信号分离单元3输出相连，脉宽计数模块12的脉宽输入端与波形处理单元4输出相连，脉宽计数模块12的输出与数据处理模块13的输入相连，数据处理模块13的输出分别于串口通信模块15、显示驱动模块14的输入端相连，显示驱动模块14的输出端与显示单元6输入端相连，串口通信模块15的输出端与可选接收单元7的输入端相连，待测细丝18穿过光学装置1中的过丝孔17，待测细丝18被光学装置1中的LED线光源19打亮，拍摄单元2通过光学装置1中的镜头21将光学装置1中产生的光学影像输入所述拍摄单元2的CCD传感器9光学输入端，CCD传感器9通过自身光电转换的性质将待测细丝18在光学装置1中产生的光学影像转化为模拟图像电压信号，在拍摄单元2中驱动模块8的控制下CCD传感器9将模拟图像电压信号输出到信号处理模块11，信号处理模块11在时序控制模块10的控制下，将模拟图像电压信号放大并与信号处理模块11产生的行信号、场信号合成为复合模拟电压信号，信号分离单元3将复合模拟电压信号分离得到有效的行信号、场信号，并送入FPGA微处理器5中时序控制模块12的控制输入端，波形处理单元4提取所述的复合模拟电压信号中的模拟图像电压信号并进行波形处理转换为边沿整齐的脉冲信号送入FPGA微处理器5中的脉宽计数模块的脉宽输入端，时序控制模块12在行信号、场信号的控制下测量脉冲宽度，并将测量结果送至数据处理模块13，经数据处理模块13处理后，通过显示驱动模块驱动显示单元6显示待测细丝18的直径数值，通过所述的串口通信模块15将待测细丝的直径数值传送至可选接收单元7。

参考图2，，

所述的光学装置1中镜头选用的时应保证有较大放大倍数，且此放大在于提高测量精度，在本实施例中优选的镜头光学参数为：变倍比：15：1，接口口径:D＝Φ33mm，工作距离：55mm～130mm。CCD传感器9是一种光电耦合元件，可以将光学图像转化为模拟电压信号，本发明选用CCD传感器9时考虑测量范围和精度要求，待测细丝范围为0.5mm～5mm，测量精度达到5um的检测要求，因此在对CCD传感器9进行选型时，本发明优选了敏通MTV-23K80AHCm作为拍摄单元2，其内部CCD传感器9主要配置参数为，像元为8um，有效像素个数为N＝798(水平)X 584(垂直)＝466032。

在本实施例中，通过对所选用的CCD传感器9特性参数研究后，得到不同色温的光作用于待测单丝时，CCD传感器9的光电转化速率、饱和输出电压基本不发生变化，因此在设计光源时可以不必考虑色温要求，但不同光强在打亮待测单丝时，在密闭箱中成像结果略有不同，本实施例中优选对CCD传感器9成像结果较佳的LED线光源19为三个12V、光强45LM的白色LED线性组成的、外部盖有圆弧型灯罩的LED线光源。

所述的拍摄单元2中号处理模块输出的复合模拟电压信号为CCIR制式，CCIR制式为电压表示的黑白图像，电压值的幅值高低即可代表有无光线，待测细丝直径信息与电压脉冲宽度信息为线性关系，通过测量脉冲宽度即可得待测细丝直径，同时黑白图像信息仅为单一代表明暗的电压幅值，彩色图像则为三个代表三原色的电压信号，黑白图像信息具有分析简易，可靠高的优点，可提高测量精度。

在本实施例中，信号分离单元3需要将CCIR制式的复合模拟电压信号分离出行信号和场信号，本实施例优选的选用LM1881芯片，相较电阻三极管网络搭建的分离电路，集成芯片拥有体积小速度快的优点。

在本实施例中波形处理单元4为电压比较器、阈值产生电路组成，阈值产生电路由可调电位器、电压源组成，可调电位器的两个固定端与电源顺次连接成环路，可调电位器的可调端为阈值产生电路的输出端，信号处理模块11输出与电压比较器的同相输入端相连，阈值产生电路的输出端与电压比较器反向端相连，电压比较器输出端即为所述的波形处理单元4输出端，波形处理单4通过比较信号处理模块11输出与阈值产生电路产生的阈值电压并放大完成波形处理，由于模拟图像电压信号脉宽较窄，需要选用高速比较器，本实施例中优选的选用MAX903，复合模拟电压信号输入后，经过波形处理单元4可以将模拟图像电压信号提取并放大整形，经过实验可以达到对模拟图像电压信号整形的目的。

所述的可选接收单元7可通过串口通信模块15接收待测细丝的测量结果，可选接收单元7可以为计算机或其他需要直径数值的设备等，可以实现待测细丝测量结果的远端实时监控与控制，便于设备之间数据互通。

所述显示单元6为串口触摸屏幕，所有按键和显示通过串口触摸屏幕完成，可以提供良好的人机交互界面，提高人机交互水平。

本发明基于模拟图像采集的非接触式细丝直径测量方法及过程如下：

以敏通MTV-23K80AHCm的CCD传感器为例，说明拍摄单元2采集图像的工作原理，根据敏通MTV-23K80AHCm手册提供的技术资料，较佳的设置功能开关改变CCD传感器9的驱动参数如下：开启放大功能，设置电子快门为1/10000秒。

步骤一、标定设备：

(a)取一根已知直径的细丝作为标定细丝,此标定细丝的直径记为D，从所述的两个过丝孔17中穿过，通过任意固定的支架将其固定并保持自然伸直状态，所述的镜头21的镜头光学输入端22从密闭箱16上部伸入密闭箱16中并对准所述的标定细丝，所述的镜头21的截面平行于所述的黑色吸光底板20且标定细丝的截面中心位于镜头21中心及所述的CCD传感器9中心的延长线上，打开LED线光源19及拍摄单元2、信号分离单元3、波形处理单元4、FPGA微处理器5、显示单元6的电源,调整波形处理单元4由阈值产生电路，使阈值产生电路的输出电压为V_th(由光学成像理论可知，模拟图象电压信号中边沿处即为待测细丝边界，为提高测量精度，便于后续FPGA微处理器5对此脉宽进行计数，需要对边界整形，选择阈值电压为复合模拟电压信号峰峰值V_P-P的一半，记为这样可以较好的减少干扰)；

(b)光学装置1中两个LED线光源19分别从标定细丝两侧打亮标定细丝，CCD传感器9内部元件对有光物体(打亮的标定细丝)产生电压信号，对无光物体(黑色吸光底板20)不产生电压信号或产生可以忽略不计的暗电流信号，从而将光学图像转化为模拟图象电压信号，经敏通MTV-23K80AHCm内部驱动模块8驱动，在时序控制模块10驱动下经过信号处理模块11将微弱的电压信号峰值放大至V_P＝1V的模拟图像电压信号并与行信号、场信号等输出CCIR制式的复合模拟电压信号,信号分离单元3将复合模拟电压信号分离得到有效的行信号、场信号，并送入FPGA微处理器5中脉宽计数模块12的控制输入端，波形处理单元4提取所述的复合模拟电压信号中的模拟图像电压信号进行波形处理转换为边沿整齐的脉冲信号送入FPGA微处理器5中的脉宽计数模块12的脉宽输入端，在信号分离单元3分离出的行信号、场信号触发下测量上述的经过波形处理单元4处理转换的标定细丝的脉冲信号的脉冲宽度，当脉冲上升沿到来时，开始对上述标定细丝的脉冲信号的脉冲宽度计数，下降沿到来时结束计数；计数单位为FPGA微处理器5的周期时间T，单位为秒，即T为FPGA微处理器主频f的倒数，即f的单位为赫兹，经过脉宽计数模块12得到上述标定细丝的脉冲信号的脉冲宽度计数个数记为N_D，则上述标定细丝的脉冲信号的脉冲宽度为

T_D＝N_D*T (1)

(c)为消除随机误差，需重复本步骤过程(b)求取N_D平均值；重复本步骤过程(b)进行测量，为提高测量精度建议至少测量100次,得到计数个数的算数平均值记为则根据式(1)计算得到上述标定细丝的脉冲信号的脉冲宽度的算数平均值记为

d)由于测量装置为线性系统，令比例系数由式(2)得：

本步骤在本方法中确定了需要使用的标定细丝和FPGA微处理器5后仅需标定一次即可以测量多根不同的待测细丝18，如更换了标定细丝和FPGA微处理器5则需要再次操作本步骤进行标定；

步骤二、测量直径未知的待测细丝18，本步骤包含3个小步骤：。

(a)放入直径未知的待测细丝18，待测细丝18直径记为d，放置位置与标定细丝相同，打开LED线光源19及各个单元的电源，

(b)光学装置1中两个LED线光源19分别从待测细丝18两侧打亮待测细丝18，CCD传感器9通过自身光电转换的性质将待测细丝18的光学影像转化为模拟图像电压信号，在拍摄单元2中驱动模块8的控制下CCD传感器9将模拟图像电压信号输出到信号处理模块11，信号处理模块11在时序控制模块10的控制下，将模拟图像电压信号放大并与信号处理模块11产生的行信号、场信号合成为复合模拟电压信号，信号分离单元3将复合模拟电压信号分离得到有效的行信号、场信号，并送入FPGA微处理器5中脉宽计数模块12的控制输入端，波形处理单元4提取所述的复合模拟电压信号中的模拟图像电压信号进行波形处理转换为边沿整齐的脉冲信号送入FPGA微处理器5中的脉宽计数模块12的脉宽输入端，在信号分离单元3分离出的行信号、场信号触发下测量上述的波形处理单元4转换的待测细丝18的脉冲信号的脉冲宽度，当脉冲上升沿到来时，开始对上述的波形处理单元4转换的待测细丝18的脉冲信号的脉冲宽度计，下降沿到来时结束计数，计数单位为FPGA微处理器5的周期时间T，单位为秒，即T为FPGA微处理器主频f的倒数，即f的单位为赫兹，将待测细丝18的直径记为d，经过脉宽计数模块12得到上述待测细丝18的脉冲信号的脉冲宽度计数个数记为N_d，则上述待测细丝18的脉冲信号的脉冲宽度为：

T_d＝N_d*T (4)

(c)为消除随机误差，需重复步骤二中(b)过程所述步骤求取N_d平均值，重复本步骤过程(b)进行测量，为提高测量精度建议至少测量100次得到计数个数N_d的算数平均值记为则根据式(4)计算得到的上述待测细丝18的脉冲信号的脉冲宽度算数平均值记为

步骤三、数据处理模块13计算待测细丝18的测量结果，由于本测量装置为线性系统，有由式(3)、(5)得：

步骤四、数据处理模块13将测得的待测细丝18的直径d的数据送入与显示驱动模块14，显示驱动模块14驱动显示单元6显示测量结果。

其在本实施例中，优选的标定细丝的直径D为1.000mm，待测细丝18的直径d为0.630mm，(本数值通过千分尺测得)。

表1

经过本发明测量得到结果如表1所示，达到精度要求。

Claims (10)

1.一种基于模拟图像采集的非接触式细丝直径测量装置，其特征在于包括光学装置(1)、拍摄单元(2)、信号分离单元(3)、波形处理单元(4)、FPGA微处理器(5)、显示单元(6)，所述的光学装置(1)包括LED线光源(19)、黑色吸光底板(20)、含有过丝孔(17)的密闭箱(16)、镜头(21)，其中密闭箱(16)底部放置一块所述的黑色吸光底板(20)，密闭箱(16)左右两侧等高位置放置两个所述的LED线光源(19)，密闭箱(16)前后两侧中心轴向上与所述的LED线光源(19)等高的位置开有两个过丝孔(17)，待测细丝(18)从所述的两个过丝孔(17)中穿过，所述的镜头(21)的镜头光学输入端(22)从密闭箱(16)上部伸入密闭箱(16)中并对准所述的待测细丝(18)，拍摄单元(2)由驱动模块(8)、CCD传感器(9)、信号处理模块(11)、时序控制模块(10)组成，其中光学装置(1)中镜头(21)的镜头光学输出端(23)与拍摄单元(2)的CCD传感器(9)的光学输入端对接，拍摄单元(2)中的驱动模块(8)的输出端与CCD传感器(9)的电学输入端连接，CCD传感器(9)的输出端与信号处理模块(11)的信号输入端连接，时序控制模块(10)与信号处理模块(11)的控制输入端连接，信号处理模块(11)的输出分别与信号分离单元(3)和波形处理单元(4)连接，所述的FPGA微处理器(5)包括脉宽计数模块(12)、数据处理模块(13)、显示驱动模块(14)，串口通信模块(15)，FPGA微处理器(5)中脉宽计数模块(12)的控制输入端与信号分离单元(3)的输出端相连、脉宽计数模块(12)的脉宽输入端与波形处理单元(4)的输出端相连，脉宽计数模块(12)的输出端与数据处理模块(13)的输入相连，数据处理模块(13)的输出端与显示驱动模块(14)的输入端相连，显示驱动模块(14)的输出端与显示单元(6)的输入端相连。

2.根据权利要求1所述的一种基于模拟图像采集的非接触式细丝直径测量装置，其特征在于，所述的镜头(21)的截面平行于所述的黑色吸光底板(20)。

3.根据权利要求1所述的一种基于模拟图像采集的非接触式细丝直径测量装置，其特征在于，所述的待测细丝(18)的截面中心位于镜头(21)中心及所述的CCD传感器(9)中心的延长线上。

4.根据权利要求1所述的一种基于模拟图像采集的非接触式细丝直径测量装置，其特征在于，所述的CCD传感器(9)为电荷耦合元件。

5.根据权利要求1所述的一种基于模拟图像采集的非接触式细丝直径测量装置，其特征在于，所述的信号处理模块(11)输出的模拟电压信号为CCIR制式。

6.根据权利要求1所述的一种基于模拟图像采集的非接触式细丝直径测量装置，其特征在于，所述的波形处理单元(4)由电压比较器、阈值产生电路组成，所述的阈值产生电路由可调电位器、电压源组成，可调电位器的两个固定端与电压源顺次连接成环路，可调电位器的可调端为阈值产生电路的输出端，所述的信号处理模块(11)的输出端与电压比较器的同相输入端相连，阈值产生电路的输出端与电压比较器反向端相连，电压比较器的输出端即为所述的波形处理单元(4)的输出端，所述的波形处理单元(4)通过比较信号处理模块(11)输出与阈值产生电路产生的阈值电压并放大完成波形处理，输出至FPGA微处理器(5)中的脉宽计数模块(12)的脉宽输入端。

7.根据权利要求1所述的一种基于模拟图像采集的非接触式细丝直径测量装置，其特征在于，所述的FPGA微处理器(5)还包括一个串口通信模块(15)，串口通信模块(15)的输入端与数据处理模块(13)的输出端连接，串口通信模块(15)的输出端可以与一个可选接收单元(7)连接。

8.根据权利要求6所述的一种基于模拟图像采集的非接触式细丝直径测量装置，其特征在于，所述的阈值产生电路输出的电压值为与图像电压信号峰值的1/2。

9.一种基于模拟图像采集的非接触式细丝直径测量方法，使用权利要求1至8中任意一项所述的一种基于模拟图像采集的非接触式细丝直径测量装置，其特征在于，具体步骤如下：

步骤一、标定设备

(a)取一根已知直径的细丝作为标定细丝,此标定细丝的直径记为D，将该标定细丝从所述的两个过丝孔(17)中穿过，通过任意固定的支架将其固定并保持自然伸直状态，所述的镜头(21)的镜头光学输入端(22)从密闭箱(16)上部伸入密闭箱(16)中并对准所述的标定细丝，所述的镜头(21)的截面平行于所述的黑色吸光底板(20)且标定细丝的截面中心位于镜头(21)中心及所述的CCD传感器(9)中心的延长线上，打开LED线光源(19)，给拍摄单元(2)、信号分离单元(3)、波形处理单元(4)、FPGA微处理器(5)、显示单元(6)通电,调整波形处理单元(4)由阈值产生电路，使阈值产生电路的输出电压为V_th；

(b)光学装置(1)中两个LED线光源(19)分别从标定细丝两侧打亮标定细丝，CCD传感器(9)通过自身光电转换的性质将标定细丝的光学影像转化为模拟图像电压信号，在拍摄单元(2)中驱动模块(8)的控制下CCD传感器(9)将模拟图像电压信号输出到信号处理模块(11)，信号处理模块(11)在时序控制模块(10)的控制下，将模拟图像电压信号放大并与信号处理模块(11)产生的行信号和场信号合成为复合模拟电压信号，信号分离单元(3)将复合模拟电压信号分离得到有效的行信号和场信号并送入FPGA微处理器(5)中脉宽计数模块(12)的控制输入端，波形处理单元(4)提取所述的复合模拟电压信号中的模拟图像电压信号进行波形处理转换为边沿整齐的脉冲信号送入FPGA微处理器(5)中的脉宽计数模块(12)的脉宽输入端，在信号分离单元(3)分离出的行信号和场信号的触发下，测量上述的经过波形处理单元(4)处理转换的标定细丝的脉冲信号的脉冲宽度，当脉冲上升沿到来时，开始对上述标定细丝的脉冲信号的脉冲宽度计数，下降沿到来时结束计数；计数单位为FPGA微处理器(5)的周期时间T，单位为秒，即T为FPGA微处理器主频f的倒数，即f的单位为赫兹，经过脉宽计数模块(12)得到上述标定细丝的脉冲信号的脉冲宽度计数个数记为N_D，则上述标定细丝的脉冲信号的脉冲宽度为

T_D＝N_D*T (1)

(c)为消除随机误差，需重复本步骤过程(b)求取N_D平均值；重复本步骤过程(b)进行测量，为提高测量精度建议至少测量100次,得到计数个数N_D的算数平均值记为则根据式(1)计算得到上述标定细丝的脉冲信号的脉冲宽度的算数平均值记为

(d)由于测量装置为线性系统，令比例系数由式(2)得：

本步骤在本方法中确定了需要使用的标定细丝和FPGA微处理器(5)后仅需标定一次即可以测量多根不同的待测细丝(18)，如更换了标定细丝和FPGA微处理器(5)则需要再次操作本步骤进行标定；

步骤二、测量直径未知的待测细丝(18)，本步骤包含3个小过程：

(a)放入直径未知的待测细丝(18)，待测细丝(18)的直径记为d，放置位置与步骤一过程(a)中标定细丝的放置位置相同，打开LED线光源(19)，给拍摄单元(2)、信号分离单元(3)、波形处理单元(4)、FPGA微处理器(5)、显示单元(6)通电；

(b)光学装置(1)中两个LED线光源(19)分别从待测细丝(18)两侧打亮待测细丝(18)，CCD传感器(9)通过自身光电转换的性质将待测细丝(18)的光学影像转化为模拟图像电压信号，在拍摄单元(2)中驱动模块(8)的控制下CCD传感器(9)将模拟图像电压信号输出到信号处理模块(11)，信号处理模块(11)在时序控制模块(10)的控制下，将模拟图像电压信号放大并与信号处理模块(11)产生的行信号、场信号合成为复合模拟电压信号，信号分离单元(3)将复合模拟电压信号分离得到有效的行信号和场信号，并送入FPGA微处理器(5)中脉宽计数模块(12)的控制输入端，波形处理单元(4)提取所述的复合模拟电压信号中的模拟图像电压信号进行波形处理转换为边沿整齐的脉冲信号送入FPGA微处理器(5)中的脉宽计数模块(12)的脉宽输入端，在信号分离单元(3)分离出的行信号、场信号触发下测量上述的经过波形处理单元(4)处理转换的待测细丝(18)的脉冲信号的脉冲宽度，当脉冲上升沿到来时，开始对上述待测细丝(18)的脉冲信号的脉冲宽度计数，下降沿到来时结束计数，计数单位为FPGA微处理器(5)的周期时间T，单位为秒，即T为FPGA微处理器主频f的倒数，即f的单位为赫兹，将待测细丝(18)的直径记为d，经过脉宽计数模块(12)得到上述待测细丝(18)的脉冲信号的脉冲宽度计数个数记为N_d，则上述待测细丝(18)的脉冲信号的脉冲宽度为

T_d＝N_d*T (4)

(c)为消除随机误差，需重复步骤二中(b)过程所述步骤求取N_d平均值，重复本步骤过程(b)进行测量，为提高测量精度建议至少测量100次,得到计数个数N_d的算数平均值记为则根据式(4)计算得到上述待测细丝(18)的脉冲信号的脉冲宽度的算数平均值记为且有

步骤三、数据处理模块(13)计算测量结果，由于本测量装置为线性系统，有由式(3)、(5)得：

步骤四、数据处理模块(13)的将测得的待测细丝18的直径d的数据送入与显示驱动模块(14)，显示驱动模块(14)驱动显示单元(6)显示测量结果。

10.根据权利要求9所述的一种基于模拟图像采集的非接触式细丝直径测量方法，其特征在于阈值产生电路的输出电压V_th为复合模拟电压信号峰值Vp的一半，即