实验十二ccd物体尺寸测量实验指导.doc

实验 利用线阵 CCD 进行物体外形尺寸的测量 一、实验目的 通过本实验掌握利用线阵 CCD 进行非接触测量物体尺寸的基本原理和方法，用实例 探讨影响测量范围、测量精度的主要因素，为今后设计提供重要依据。 二、实验准备内容 1. 利用线阵 CCD 进行非接触测量物体尺寸的基本原理 线阵 CCD 的输出信号包含了 CCD 各个像元所接收光强度的分布和像元位置的信息， 使它在物体尺寸和位置检测中显示出十分重要的应用价值。 CCD 输出信号的二值化处理常用于物体外形尺寸、物体位置、物体震动（振动）等 的测量。如图 3-1 所示为测量物体外形尺寸（例如棒材的直径 D）的原理图。将被测物体 A 置于成像物镜的物方视场中，将线阵 CCD 像敏面恰好安装在成像物镜的最佳像面位置 上。 当被均匀照明的被测物体 A 通过成像物镜成像到 CCD 的像敏面上时，被测物体像黑 白分明的光强分布使得相应像敏单元上存储载荷了被测物尺寸信息的电荷包，通过 CCD 及其驱动器将载有尺寸信息的电荷包转换为如图 3-1 右侧所示的时序电压信号（输出波 形）。根据输出波形，可以测得物体 A 在像方的尺寸 D??，再根据成像物镜的物像关系， 找出光学成像系统的放大倍率 β，便可以用下面公式计算出物体 A 的实际尺寸 D D ??D??/ ? 显然，只要求出 D??，就不难测出物体 A 的实际尺寸 D。 （3-1） 线阵 CCD 的输出信号 UO 随光强的变化关系为线形的，因此，可用 UO 模拟光强分布。 采用二值化处理方法将物体边界信息（图 3-1 中的 N1 与 N2）检测出来是简单快捷的方法。 有了物体边界信息便可以进行上述测量工作。 2. 二值化处理方法 图 3-2 所示为典型 CCD 输出信号与二值化处理的时序 图。图中 FC 信号为行同步脉冲，FC 的上升沿对应于 CCD 的第一个有效像元输出信号，其下降沿为整个输出周期的 结束。UG 为绿色组分光的输出信号，它为经过反相放大后 的输出电压信号。为了提取图 3-2 所示 UG 的信号所表征的 边缘信息，采用如图 3-3 所示的固定阈值二值化处理电路。 该电路中，电压比较器 LM393 的正输入端接 CCD 的输出信号 UG，而反相输入端接到由 电位器 R2 的动端，产生的可调的阈值电平，可以通过调节电位器对阈值电平进行设置， 构成固定阈值二值化电路。经固定阈值二值化电路输出的信号波形被定义为 TH，它为方 波脉冲。 再进行逻辑处理，便可以提取出物体边缘 的位置信息 N1 和 N2。N1 与 N2 的差值即为被测 物体在 CCD 像面上所成图像占据的像元数目。 物体 A 在像方的尺寸 D??为 D?????N N ?L （3-2） 2 1 0 式中，N1 与 N2 为边界位置的像元序号，L0 为 CCD 像敏单元的尺寸。 因此，物体的外径 D 应为  图 3-3 二值化电 3. 二值化处理电路原理方框图 D ??(N2 ??N1 )L0 ? （3-3）  二值化处理原理图如图 3-4 所示，若与门的输入脉冲 CRt 为 CCD 驱动器输出的采 样脉冲 SP，则计数器所计的数为（N2－N1），锁存器锁存的数为（N2－N1），将其差值送 入（N2－N1）LED 数码显示器，则显示出（N2 －N1）值。 同样，该系统适用于检测物体的位置和它的 运动参数，设图 3-1 中物体 A 在物面沿着光轴做 垂直方向运动，根据光强分布的变化，同样可以 计算出物体 A 的中心位置和它的运动速度、震 动（振动）等。 三、实验所需仪器设备 1、 LCCDAD-Ⅱ-A 型线阵 CCD 应用开发实验仪一台； 2、 装有 VC++软件及相关实验软件的 PC 计算机或 GDS-Ⅲ型光电综合实验平台一 台； 四、实验内容及步骤 1．实验内容 （1） 建立非接触测量物体外形尺寸的基本结构； （2） 观测二值化处理过程中 CCD 的输出信号； （3） 在进行二值化阈值电平调整的过程中，观察阈值电平的调整对测量值的影响； （4） 进行光学系统放大倍率的标定； （5） 进行非接触测量被物体外形尺寸的测量； （6） 通过改变有关参数，观察对测量值的影响，分析影响物体尺寸测量的主要因 素。 2．实验步骤 （一） 实验准备 (1) 将示波器地线与实验仪上的地线连接良好，并确认示波器的电源和多功能实验 仪的电源插头均插入交流 220V 插座上； (2) 打开仪器上盖，旋下旋转滚筒轴上的禁锢螺钉，将旋转滚筒拿下来，使实验仪 的测试台像如图 3-5 所示的尺寸测量系统，然后将被测干件插入如图 3-5 所示的安装位置 上； 图 3-5 线阵 CCD 应用开发实验仪 (3) 打开实验仪电源开关，启动计算机，并进入物体尺寸测量软件，将在屏幕