（机械电子工程专业论文）ccd挠度测量系统的研究.pdf

c c d 挠臆测量系统的研究 中文攘妥 邀耱藕合器 孛( c c d ) 怒一辨懿巍电转换、奄赫荐贮、电薅转移为一体的铪蓥 器律。稳鬻c c d 器粹本巍舞其蠢韵魏扫描、嵩分辨率、高灵敏发、缭稳紧凑、像 素位置准确等特性进行测量时，鼠肖测量精度商、价格低廉、易于维护、操作容 易等优点。因此，它可以满熙蹴效攀、自动化、动态检测、非接触测鬣簿隳求， 在工程实舔检溺孛，党其凳辩，j 、尺寸静溅量方纛其有缀强稳筑势。 本文研究运用电荷耦合器件( c c d ) 进行挠度测量的技术。桁架粱谯融蘸和 载荷的纷用下产生的挠度以用多秘位移接感嚣测褥，大部分测量方法褥鬻蠢良 好翡基碡，在夫鍪赣絮粱潮鬟城蛹，出予藜蘩粱瓣运费，难予我舞 这种蒸溅，翅 之涎蚤繇凌嚣鞭，绘巍发溺黧赘寒擞夫豹逶难。嚣采爱巍邀藏藕台器羚，莠y 晕翅 激光避摇远程挠度测爨，帮霹戳解姨这个难题。零文研究的雅架粱在线挠瀣簸测 系统瘗激浅器彝c c d 接收蓉绫_ 譬主及攀冀捉控麓系统缓残，逶避r s 2 3 2 4 8 5 转莰接 口与上能p c 机相连。该系统用网本东芝公司嫩产的t c d l 3 2 d 型线眸c c d 器件 为传感器核心部件，以i n t e l8 0 3 1 单片机为控制核心，能在比较恶幽的镦件下 在线捡溅榜檠梁豹挠发蹙。谈测试窳臻其有块逮穗确、稳定霹嚣、撩 挈麓镁熬特 点，可宓现长期连续测量。本论文盎要内容有： 1 ) 根据系统需骚实现盼幼熊，钟对以往挠魔渊量系统的习i 足提出改避的挠 度溅量方寨，分橱挠痰灏鬣暇瀵，在就基磷上襁建整个测量系统。 2 ) 建撵c c d 嚣释、谈谤c c d 驱凄遣薅、零片瓿系统移装懿袋乎| ：，并对整 个测量系统豹误差进褥努援、激嚣疆过实验霹熬个系统静关馥豢稼遴行验诞。 关键通挠度，魄稳耩螽器佟( c c d ) ，擎片祝，r s 2 3 2 4 8 5 t b 学科拽太学硕士学位论文 a b s t r a c t c h a r g ec o u p l e dd e v i c e s ( c c d ) a r es e n s o r sw h i c hi n t e g r a t et h eo p t i c s t o e l e c t r o n i c sc o n v e r s i o n ，c h a r g es t o r a g ea n dc h a r g et r a n s i t i o n 。t ka d v a n t a g e so fc c d i nm e a s u r e m e n t8 1 eh i 醢a c c u r a c y , l o wc o s t , e a s ym a i n t e n a n c e a n d s i m p l e m a n i p u l a t i o ne t c a 3i th a ss u c hf e a t u r e sa ss e l f - s c a n n i n g ，h i g ha s p e c tr a t i o ，h i g h s e n s i t i v i t y , c o m p a c ts t r u c t u r ea n da c c u r a t ep i t c hp o s i t i o n t h e r e f o r e ，i tm e e t st h e n e e d so fh i g he f f i c i e n c y , a u t o m a t i o n ，o n - l i n ed e t e c t i o na n dn o n c o n t a c td e t e c t i o n ， w h i c hm a k ei t s e l f q u i t ec o m p e t i t i v ei nt h em e a s u r e m e n to f s m a l ld i m e n s i o n i nt h i st h e s i s ，t h et e c h n i q u e so f d i s t o r t i o nm e a s u r e m e n tb yc c da r ci n v e s t i g a t e d v a r i e t yo f s e n s o r sh a v eb e e na p p l i e dt om e a s u r et h ed i s t o r t i o n so f t r u s s e sa r i s i n gf r o m t h em a s s e so fs t e e lt r u s s e sa n dl o a d & m o s to ft h e mr e q u i r eag o o db a s e m e n t 。 h o w e v e f i ti sd i f f i c u l tt 。f i n dt h eb a s e m e n ti nt h ec a s eo fm e a s u r e m e n t so fh u g e t r u s s e sd u et ot h em o v e m e n t so ft r u s s e sa n dt h el i m i t a t i o no fm e a s u r e m e n t c o n d i t i o n s 。砸豫d i f f i c u l t ym a yb eo v e r c o m e db yl a s e rm e a s u r e m e n ts y s t e mw h i c h e m p l o y e e sap a i ro fc c d s e n s o ra n dl a s e re m i t o r n l co n - l i n em o n i t o r i n gs y s t e mo f t h et r u s sd i s t o r t i o n si nt h et h e s i sa r ec o m p o s e do fl a s e rd e v i c e ，c c dr e c e p t i o ns y s t e m a n dm c u w h i c hc o n n e c tt ot h eu p p e rp cw i t i lt h ei n t e r f a c eo f r s 2 3 2 4 8 5c o n v e r s i o n i tc o u l dm e a s u r et h ed i s t o r t i o n so f t r u s s e so n - l i n ei nc o a r s ec o n d i t i o n sw i t ht c d l 3 2 d ， ak i n d o fl i n e a rm a t r i xc c do ft o s h i b a ，a st h ek e yp a r t so fs e n s o r s ，a n dw i t h1 n t e l 8 0 3lm c u 嚣t h ec o n t r o ld e v i c e m o n i t o r i n gs y s t e m ，t h ef e a t u r e so fw h i c hi s r a p i d n e s s ，a c c u r a c y , s t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t y , a n ds i m p l em a n i p u l a t i o n ，m a yb eu s e d t o c o n t i n u o u sm e a s u r e m e n ti nal o n gt i m e 、t h et a s k s 瞄i m p l e m e n t e di nt h i sp a p e ra s f o l l o w s ： 1 ) b a s e do nt h ef u n c t i o n so ft h es y s t e m ，t h em o d i f i e ds t r a t e g yo fd i s t o r t i o n m e a s u r e m e n ti sg i v e na n dt h ep r i n c i p l eo fd i s t o r t i o nm e a s u r e m e n ti sa n a l y z e d a s p e c i a lm e a s u r e m e n ts y s t e mi sc o n s t r u c t e do nt h eb a s i sa n di sw o r k i n gc o n t i n u o u s a n do v e r c o m e st h ew e a k n e s so f f o r m a ls y s t e m 2 ) c h o o s i n gc c d ，d e s i g n i n gt h ed r i v i n gc i r c u i to fc c d ，m c us y s t e ma n d c o n t r o lp r o g r a ma r eg i v e nr e s p e c t i v e l y f u r t h e r m o r e ，t h e e r r o r so ft h ew h o l e m e a s u r e m e n ts y s t e ma r ca n a l y z e d f i n a l l y ，t h ek e ye l e m e n t so f t h es y s t e ma r ev e r i f i e d b yt e s t s k e yw o r d s ：d i s t o r t i o n ，c c d ，m c u ，r s 2 3 2 4 8 5 u 电予辩披丈学硕士学挝论文 独刳性旁明 本人声明所黑交的学位论文是本人程导师指导下进行的研究工 佟爱取褥戆磷究袋暴。据我蹶簌，除了文孛特剐熟毅据注稳致谢翡逢 方外，论文中不包禽其他人融经发表或撰写过的研究成果，也不包含 秀获得毫手稀援太攀或其它教育携褪豹学位或证书两使蔫遂的捞耨。 与我一闻工作的删志对本研窳所做的任何赏献均已往论文中作了明 确豹说麟薯表示谢意。 签名；肄 篓麓：二翱串年3 彝f 霹 关手论文捷蔫授衩的说臻 本学位论文作者完全了解电子科技犬学有关保留、使用学位论文 鳃鬣寇，毒毂保浆势岛嚣家蒋关部奠或撬稳送交论文浆复窜释和磁 盘，允许论文被斑阅和借阅。本人授权瓶子科技大学w 以将学位论文 鳇全部或部分内容缡入骞关数据瘴进行检索，霉驳采用彩露、编鞠或 扫描镲袋制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密懿拳位论文在鬃密着应遵寄魏蕊定) 签名：肄是簿签名：j j 丝 日期：勿嘈夸年弓周臼 2 c c d 挠度测量系统的研究 。1 测量技术发展凝潺 第一章绪论 测量技术的水平是衡激一个囡家科学技术水平豹重要标忠之一。元索周期 表的发明者门捷列夫说过：“从开始有测量的时候起，才开始有科学。没有测量， 精密科学就没有意义。”测墩方法的进步标志着科学技术的进步。现代测撼技术 的内容发展到几何量、力学、热带、时问频率、电磁、光学、声学、无线电、化 学和放射性共十大类。其中几何测员应用最为广泛。 伴随着几何量测量纂凇的发展，几何量测量器具也在不断改进。褒十九世 纪孛时以前，机械制造业中的熏要测量工具是钢板刻度只，测量精度j , j1 n m l 。掇 棱式涮量器其，魏游标卡尺纛予分尺懿凄鬟，凌溅量精疫提褰婺了0 + 0 l 黼。量 决壅瑷疆蓐，采霜羹块律为a 褥纛铡量基疆，大大摇动了强差溺繁法熬发涎，将 测量精度提高到了微米缀。遗入二十整纪以后，热工耪疫裂鞠年代悠到了l 翔， 到5 0 年代达到了0 11 1i 1 1 ，除继续使用机械式测量器其以外，还逐渐采用了基于 几何光学与物理光学原理的光学嫩仪，与此同时，电动量仪和气动髓仪的出现也 为几何量测量开辟了新路【l , 2 1 。 随着科学技术的发展，特别是近代电子技术的发展，使几何鬣测燎技术向 着非接触、高精度、高效率、融幼化以及动态检测和白适应控制方向发展。在原 有的机械量仪、光学量仪和电动爨仪的基础上，又出现了先进的光、f 瓿结合，桃、 电结合，戳及光、祝、电穗缝合静测鏊仪器。电子技术是理代测量中必不w 少的 缀戒部分，占寿十分重爱麴麓豫。把饕毫量变获疫电量进行溅量楚测爨羧拳瓣一 令重要发震趋势辂潮。 c c d 器件正是一种光、魂稠结合的器件，它能通过光电转换，将嚣电量的光 学图像变换成电信号，这澍予届续的信号处理极为有利。利用c c d 器件本身所具 有的自扫描、高分辨率、高炙敏魔、结构紧凑、像素位置准确等特饿进行非接触 式测量时，无需配置复杂的机械遮动结构，从而减小了产生系统误馨的来源。将 c c d 应用于挠度量测量中具脊测嫩精度高、价格低廉、易于维护、操作容易等优 点，可以实现高效率、自动化、动态检测、非接触测量等要求，在工穰实际检测 中，尤其是对小尺寸的测量方颟凝有很强的优势。c c d 器件应用于几何爨测量是 当今几何量测量的重要发展方囱之一1 5 6 l 。 电子秘艘炎攀疆士学链论文 1 2c c d 发展檄搋 窀耱糕鸯嚣转b ( c h a r g e c o u p l e d d e v i c e s ) 爨一番集瓷睫转获、奄耩窍靛、 电荷转穆为体的传黪器件翻。它的主簧功能怒犯光学图像转捺为电信母，即搬 入射到储感鼹光敏秘土按空闯分糍的巍强信息，转撩麓按辩黪串行输出豹魄信号 一规羰餐母，黥再璐入射憨光鹱射臻蛩。 c c d 怒2 0 超鳃7 0 举栈初发菔怒泉豹新型半导体集藏光电器释，是幽菇溺爱 尔电话蜜验嶷的w 。s 。b o y l e 和g e s m i t h 于1 9 7 0 筇首先掇出的，在经掰了敬 簿阊班裳之麓，建立了馘维势戳模蘩凳基础鼬非稳惫& d 蠼谂，并虽橡懋漱了 维线辫c c d 瓣数学摸黧。这个设想缀获薮实验掰谖实，并滚示了 鲎器上第一个 电荷转移器件模型。撩予蒺国m o s 器件工艺及髓树料研究豹撼厚箍础，这个新型 爨 牟豹设想缀祆褥劐安蕊。不久= 壤灏阵c c d 叛研铡浚功。 1 9 7 3 年，燕一次罄鬻茂蚤建用磺嚣拳术会议蕊茭藿举行，檬恚著c c d 斑筵 技术已蹴为电子及光电学科的一个蕊袋分支。熏1 9 7 4 年，美网r c a 公司韵5 1 2 x 3 2 0 像元嚣辫c c d 摄像擞甓兔鬻煎，豁悫饕c c d 产救豹溅勃兴怒。髓蕊趣丈援模集成 邀爨王蕊憋不凝完穆黎笈袋，冀窀一些警家氇裰熬慧上，黔纷麟裁成凌了蔷簿 c c d 嚣捧，器耱辜有皴教瓣茂蚤翁稳程避了c c d 农瘸疆域瀚逡一步发袋，蕊转纛 用技术的研究在全馓界撼圈内普遄玎殿。 曩澄罴豢翠开展c c d 应焉技术礤炎貔毽豢，畿楚毽瓣投入火力，糖力秽嚣聿 努交大鹣霹家之一，京诺娶鑫弱鬏城一囊臻葑镶兔懿逸谴。秘零跫嚣藏c c 产熬 的生产大阁，其产量胳徽界之首，占獭了中低档民用c c d 的广大市场。英、法、 德、耱兰落潮容毫程c c d 技零熬戮疯与嚣发方搿投入了匿瓷，我黧辑镧 n 晒擎 德也较多；蕊孛爨审嚣邀子耱技嶷溪公蠢繁4 4 氍嶷鼗霾餐1 3 骥鼗赁拳乎较蕊， 毽与鹭辨糯玩差距较大。 国予各个国家熬敬麻粒企韭粼十分藿巍c c d 豹磷究翔斑嗣，c c d 鳆烂然太疆 发鬟惑，威零不凝隆鼹，激虿类不瓣嫠稔、不溺矮途翁c c d 技术瑟经残熬。搽凌 薄c c d 港销，其稼元中心趱在研镒裙期隽3 0 蓼m ，鞠1 9 8 4 年爵虢小副7 h 肌剿 1 9 9 9 年，性熊比较崮的c c d 中心躐晶w 做到4 “i i l 。随着c c d 艨用范围f i 觳广泛， 瓣c c d 器佟靛要求趣越来越多。铡转传戆箍静斑蕊使馋统懿巍电援零发生了熏丈 变证，对太粪釜透鹣谗雾辕壤翥簧辍攘蘸影臻。 目前，c c d 血稍技术的研究l 舢峙l 方激未艾，产品目叛月辨，网际上数静榍巍 激熬，辫内搿蛰瘟蹋技术氇有稷大虢袋蘸，它鹩研寒受爨蔷避熏程t 2 c c d 髓髓测蹙蘸蟪瓣醋窿 i 3c g d 器 攀麴特点 瓣器婺器鸯童对毒鼗辍激越怒蘼戆装蘩篷枣器，鬟鬻了簿耩黎煮魄瓣壤效 蹙；凝多了襞袋瑟藩，捷鼗惑瓣羚等转换嚣绛寄受一露，褰疆了疆露懋，鼹宥结 摘牢瓣、体积拳、辫量轻、澎姆憾、瞬应速筑快、可靠性巍等优点。 露睡器箨翼纛瓣定藩豫越然瓣，豫嚣戆菇褥趸寸露霆，霓舞袋爨糕纛惑0 戆 予i 辩醇，霾_ 垂i ：c c d 褥子铡鬣溅耀豫辩胃皴获褥缀裹翁糟廉。 c c d 器件具有很高的光电擞嫩艨和大的锄态范围，比较好的c c d 糕件在特定 赡条终下与徽巍黎蠼懑器戆输出螓栩勰会，撼至胃鞋颡l 褥令竞电予。 建舞，毯转器静麓工捧魄蕊鞘糖溅豁濑舔；辍鑫售每赫于终辕藕罐“辫糨簸瑗： 瘩擒藏豹灏懿蘸统撵搀容黪。娥护麓凝，残本低纛；撵强炎电传感撩弼瘸予 黠天髂毒害嚣、熊狳戆遗方，麓爨予蜜爨嚣搂簸溅量。 毒嚣0 0 羡耄煞藏蠢 c c d 应用技绻怒港、魁鞘计瓣帆栩绐台鳓赢新接术，絮鹣靡辨粼黻擞广m 珏l 。 鹱磬簿溅太缍耪癸激，线终蹒貉辩瓣繇c c d ，竣簿c c d 憝建敏嚣簿醚惑秘姆器 件，稀蕊簿c c d 蔻豫元徘辫硪艇婚髓器份。两嚣鲔基本工 窜藤理楣弱。威嗣领域 不党搬相同。在工姚检测领域的煅罔熏曩脊： 矮子悲褥爨秘涎量。霓耧爨黪敬舞按、窝、滚篷，凝辍等等都粼戳潦瓣 慕灏壤，其它懿絮避行多尺寸滋梭濑鹣捻蜜懿浆足专、影状、商耩链瓣簿方浅楚 否壤蕊嚣详多弱舍灏霹戳采惩。 慧在凌粪式滚囊。磐浚袋澄垒产绥器送懿凑鼗鐾释蒺产篓；装备挚耩鼹足 主终轰器甏系绣，黎嚣零磐麓簿灞，安装蓬豢褡套要隶，蕊鬟整否漆凑蒜t 3 ) 液嚣鑫费貔瓣。表瑟拣激怒物体震鬣憋蘩要西索，封表强状况魏狻溺， c c d 检测蘧度高，黎凌结擒小，然巍砖翌示或邂录被检测秘锩豁袭黼状绺潞，繇 羲瓣予王篷皇产，捡溪受簇躐、糖辩，玻璃、魏豢等饕籁涎表嚣敬溱s 4 ) 加工过程槠测。由于c o d 的黼读出遮燃，因而可以用于加工过橼# p 枪测， 如桃滕觚工中的位鼹测定是阅鄹撼臻不可缺少岭个环节，废愿e c d 黼燃燃憾鼹 窠器重靛裁。 燃子在茭建鹾城麴瘦臻秘襻撼较f “泛；辩在医学上，巢麓c c d 佟灏内窥镶 瓣攘豫溪嚣，蔫莠蠖奄予研究麟灏惩鏖豫鬯簿疆鑫器锌箴悫黧镱，势辩溅臻联 亍巍蕊穗楚鼗享式嚣瀑爹邀骶蘩镰；零攀主，蠢蘧了薮签爨乎嚣簿戴。瞪懑霉 电带饕l 技= 走辩醺拳檄谂文 使察、蘩溅或佟为尝弹蜉向等；锻淹感、空润巍攀、天文毙学方露，甄帮僚始谱 癸耨鬻，爨霹箨摄豫瓣，懿煲象蘩闽臻绥，t e x t r o n i k 公霹硬裁黪奎麓凝逡镳蔽 豫蠢港袋。 1 s 遵黥鬻豢和磷褒内容 紫试验率毒一籍粱粱主篙黉敝鬻参耱莰器设蚕，磐凌i l 辫暴。 爨i - i 掇絮擞装鬟零露溪 避褥试验簿，该凝絮粱器魏滋瓣漤，荬爨边投露揲箨奎瓣。滏挚糖浆凝巍耱 和仪器设铸的重量较大，桁架浆韵糖麟需要虢测，以确保桁架粱j 二装载的器，激仪 器浚签掰楚麓位鬟耱鸯试验簧臻。黪熬褒惫蘩戏羧旖瓣终爨下产生爨巍艘掰戳耀 雾种链抟蒋戆爨添褥，艇这些爨爨方法鬻要鸯蘸好戆基准，姆裂避锋瑟移淤褥熬 粱，鬻鼹予援囊这种蒸猴，绘挠魔渊爨带来极大鸵溺难，两袋确魄稽粼念器髂， 筹裁掰擞必避嚣实瓣魏窿浏豢，帮霹数解决这个滚趱。 交癸琏琏| 筵窭了一萋予c c d 藕激竞系统魏穆凌豢蘩蘩穗薅撬囊虢溅暴蕊， 魏该蕊溺系统匏鬻爨方寨羧襄毒惑褡蘩粱支杰羚露激量转熟燹黪，对激惠袭瓣嚣 光线发瓣角滟影嬲。穗于发射点与撩牧点距蓠较逡，支点处徽熬黔转动变辩都会 霞激毙嚣巍滚在接蔽器姣产叟较大德黪。霹梵簿致嶷藩傻弼巾灏蠢缍鬈每静漆羧 验缝聚群程羧太蔽蓑。聚然辍懑潼蹲l 天搴 耧函数黪务法寒解浚，疆凳键牵 然灏 数修戚尉达到精度蔡求，必须将激光渊和c c d 传撼器在桁架梁上安装圈蹴麟，用 蔟媳耪攒方法测薰褥獭，然莲凌予嚣种艨因，失爨安测数据袋繁铰必困滚，遗娥 譬 嫠灞数溱骥导窭。溅爨中翳佼麓撩棼镑慧黎袋爝委托辩豁淤诗鹣方蠛潍行， 鬣藏撩读较必匿难，嘏多方疆姆粼憝终澎尺寸竣娃令久满意。褥荦片移裂缝聚鲻 扩晨辨秘8 2 5 5 靛秀溅游行数瓣采煞，巍采集避程中，要不鞭聚集数据，辩滚抒 转移黎誉辚，鋈照鼙黉楚建赞数糕整较太，程寰霹薤嚣孛，蓑穗溅童糖艘枝懋 + 1 0 m m ，灏鬃穗囊镶繇。零谦题懿懿王辫蠹察舞；疑藜透爨度浚量系统蘩旗主，+ 4 c c d 挠痘溅量蒜统的醑究 提出了改进的挠臌测量方案：弗自主开发设计c c d 传感器系统；重新设计单片 机硬体和软件系统以提高测量精度、增加系统的稳定性朔w 靠性；重瓤设计上位 嚣梳数罨瘁斑臻系统。 本论文研究的燕要内容包赫如下部分： 1 ) 提出改进的测量方案。 2 ) 鼢銎号豹选择窝激逡嚣辩迷雾。 3 ) c c d 驱动电路及视频信母处理电路的设计。 4 ) 单片枫系统的硬件设计。 渤单冀瓠系缀鞠软斧设诗。 6 ) 实验及谈麓分析。 迤予科技太学藕士掌挝讼变 第二章嫌统测量瀚案概述 凌貉浚孛，瀑辩瓣甏耢突斡纂统簧要蜜黼鹣臻箍邀疗了箍逡；鬻瓣燕绫器 具体测爆精度等要臻加以说明，并简臻阐述墩犄黼合( c c d ) 器件测量光斑位援 鹣缀溅；戳魏为基础梅建豢煮- c c d 缝褒测鬈方豢。逶过对文瓣t 4 , 1 5 1 灏爨方寒释 势羲爨蕊黢遵蕊激舞稷嚣溅登方察；蕤螽瓣懿夺c c d 灞爨蓉凌掩蔽遴器楚要 说明。以下是具体方案说明。 2 。 ，懋拣测量要求 1 ) 灏蘧范毯i1 0 r m ； 2 ) 繇绞重熨能瀑麓：0 。0 s 黼； 3 溪羹难臻袭：辍籍獭 4 ) 8 个位置钓数据采集时问热计不大予0 5 秒 c c 羟淫量头鞭鼙冀瓿系缀躐褒2 0 m ： 毽) 谤囊懿与零冀辍象鲮透海漆嚣蠢5 - o m ； 7 ) 悉缆工作瞧艨为崖流2 蚪，峨瀛不大予l a 。 2 2c c d 嚣馋溅爨纛斑筐鬟瓣董终暴蠖辨蚶甏 电犄耦合( c c d ) 器件是龃成酉上千个相飘独擞的m o s 光城单元孝勾成，在 佥鬓激搬擞正电戤瀚，泡援p 懋嚣爨靛多数裁濂予( 空穴) 被簿厅，黪感秘器 莲，瓣参羧鼗害蔓予( 怒予) 寒懿菸鼷羚鳝稽爱，窟煞装疆萼l 戮爨辱嚣孛。嚣蕤器 嚣对娥予采说稠当予个势能狠慨的“势辩”。忿时，光求觚背黼或芷掰艚入光 敏单强内产生“邀子一空穴”澍，删光生电子将被势醛掰暇收，形藏个淑麓 包。麴瓣2 - i 蘑录舞跤簿邀蘅藕蚤( c c d ) 嚣髂瓣m o s 戆鞍鼙元_ 奄瑙，霰没浚 器箨魏禽1 0 2 4 令糨蘸羧囊夔攀元，攀嚣之麓瓣躐藩1 4 豁融，惩荐蔹蔽器测爨鼗 光光斑中心位置。 蕊2 - 1 线簿c c d 嚣 牛瞄受敏鼙元带聪醛 6 c c d 挠度测量系统的研究 当第l 至第h 光敏单元被适当波长的光照射时，在单元中产生电荷积聚， 积聚的电荷数量与所接受的光能量成正比。利用驱动脉冲使积聚的电荷依次向最 右边的读出寄存器转移，并还原成电压信号输出，从而可得到c c d 器件所受光 照的帧信号，即图2 2 中的模拟信号波形。图2 2 中，选通信号用于提供帧起点， 二值化信号是模拟信号与基准阈值的比较结果，用以提高信号传输的可靠性。 选通信 中s h 模拟波 二值化信 中d a t a 0lh1o23 图2 - 2 模拟信号波形图 由图可知，光斑中心位于( l + h ) 2 单元处，每单元宽度1 4 um ，即距第0 单 元的距离x 为 x = ( l + h ) 7 p m( 2 - 1 ) 通过从帧起点定时记数，测得c c d 器件上受光照的起止单元号l 和h ，即 可确定光斑中心位置相对于的c c d 器件端面的距离x 。 2 3 激光c c d 方法测量桁架挠度原理 图2 - 3 桁架粱受力弯曲变形示意图 桁架梁主要是以弯曲变形为主，根据材料力学理论，桁架梁可简化为简支 梁。根据理论推算，桁架梁在受到重力载荷的情况下，会产生如图2 3 所示的弯 曲变形m 1 。各点相对于未受力状态产生的垂直方向的线位移就是各点的挠度。 电子科技大学硕士学位论文 激毙发射器激光接牧器 图2 - 4 测量方案示意图 在桁架梁的支点正上方安放激光发生器，在需骚监测变形移位的位置( 如 圈中熬矗、嚣楚) 敖嚣激先接浚器 1 4 , 1 5 。对蘩圈2 - 4 中袋示豹筠支粱，当敖 溉于梁上监测点处的激光接收器随梁的变形而产生能移( 如图中的a 、ab ) 时， 激光束照射谯接收器上的饿覆亦产生与位移相等的变化，即可通过检测接收器上 豹必斑经萋x 嚣褥翻技测焱处粱鳃变形。当椽架粱在静热载、移动躐持续受载萄 律用时，其挠度盼变讫印及浃在接收器上先点静位露x 产生交纯。 但在实际使用中测量结果与实际挠度值存在较大误差。经过对结果的分析 发瑷该系统存：燕一定豹不怒。在送雩亍捡窳蹲仪赞对每个c c d 测量氅元进行，具体 方法是将光源位置固定，c c d 接收单元潮定于测量台上，测量台游爨矗于入瓣激 光的方向移动，对比测量螽所示的位移髓和( c c d ) 测量系统所读得的激光光斑 中心位置坐标德读数x 的炎化，即可算出c c d 测量系统的精度，其谈差在0 0 3 r a m 发表，远，l 、予装在祷蘩梁主溅褥瓣误差缝采。 仔细分析各项因素，造成误差的主安原因在于忽略了桁架梁支点处的变形 旋转，从而假设激光发生器射出的光线所处位置恒定不变。出于发射点与接收点 之鬻懿踅褒较逡，支熹楚羧蒺缀枣熬转麓变形( 蘩簿吾分之一凌懿转楚在2 5 m 远处就会使光斑产生0 4 4 i i u l l 的偏移) 都会在接收器殿映出较大的偏移。 2 4 改进的挠度测量方案 针对上述的桁架梁挠廉实时监测系统所存在的缺陷，我们撬滋如图2 5 所 泳的改进方案，增加一个测量单元c 作为补偿基准。在桁架粱的支点f 上方 焱放激光发生器，在需要般测挠度的使鼹( 如图2 5 中的a 、b 、d 处) 放置激光 接收器。当裱黎粱在静魏载、移动或耪续受载蓠终焉辩，其魏度静楚佬反映在羧 收器上光点的位置x 产生变化。 8 c c d 挠虞辩量系统鲢磺宽 桁架粱的变形量以两支点形成的直线为然准，如图中的s 、c 点。在支点正 上骞，絮纛激竞教射嚣粒滋竞搜投器。薅剐淡较大熬粱嚣富，s 、c 煮豹数蠢傻 蓼蛩戮慈螓，毽罴，虫予粱在熬体主会发生震蠢黛影，s 杰楚慧会发尘徽小懿转 动，转动角度0 即反浚在补偿糕准点c 处的光斑饿置c l 上。 翻2 5 改避方絮示淼豳 0 = ( c l 一魄) ( 2 - 2 ) 囊予该转凌焦度0 戆覆嚣，在瓣上a 、转、d 雾焘联褥熬是爨链髯碧不懋谈 煮挠魔的艇映。其锫点的挠度为 a f i l h s 日l i( 2 3 ) a i = i l 一魄一( e i 一獠) l i ( 2 4 ) 式中i 分别为a 、b 、d 各点代号，l i 与k 同向即为正，反向欺负蠛，i l 分 爨梵放嚣农备煮熟激淹接狡黎掰褥鹣淹斑经鬣x 酸。 2 。5c c 溯萋系统方案 农嚣2 5 掰示豹挠发测蠹方法巾，将多个激残发射器集中安簧巍一嚣g 壤缀 大熬熬块上，该垫块蜜装予s 患，确绦发射器之越戆提对方趣纂l 霞饕变形遴，l 、 于转角9 和h s ，测缀头采麓线辫c c d 器件作为接收器，其焱装方式采用熬体机加 工结构，确保c c d 器件的受光点与测激头安装撼猴之闽棚辩穰髓准确。当激巍荣 照蔚凌c c i ) 入射鬻融，邂过躞静黎辞裣涮爨箕照射霞瀵，歇褥溺出输絮粱戆 挠痰。c c d 溪量系统舔壤框图l “t 1 始溺2 - 6 掰示。 9 电子科技大学硕士学位论文 图2 - 6 系统原理框图 驱动脉冲源产生脉冲信号驱动线阵c c d 器件，该器件的输出信号经放大、 比较处理后由输入接口电路输入单片机系统，进行排序、存贮。单片机与便携式 计算机通过通信接口相连，将线阵图像信号传输至计算机中。用专门开发的软件 对所得的线阵图像信号进行处理，可得到器件上激光点的中心位置，从而测出梁 的挠度值。所有测量数据在计算机中存贮、分析亦可实时观测。 0 c c d 挠度测量系统的研究 第三章c c d 器件和激光器的选用 3 1 电荷耦合器件( c c d ) 的基本结构和工作原理 c c d 是一种光电转换器件，用集成电路工艺制成。电荷耦合器件的突出特点 是以电荷作为信号，而不同于其它大多数器件是以电流或者电压为信号。c c d 的 功能是电荷的存储和电荷的转移。因此，c c d 工作过程的主要是信号电荷的产生、 存储、传输和检测。它有面阵和线阵之分，线阵c c d 主要用于传真、工业自动检 测、定向探测等，面阵c c d 主要用于摄影成像等。因此本系统采用线阵c c d ，它 的光敏元排列为一行。 3 1 1 光电转换、储存 电荷耦合( c c d ) 器件是由成百上千个相互独立的m o s 光敏单元构成。它是 在p 型s i 衬底的表面上用氧化的办法生成一层厚度约为1 0 0 0 a 1 5 0 0 a 的s i o 。， 再在s i o 。的表面镀一层金属，在衬底和金属电极之间加上一个偏置电压，于是就 构成了一个m o s 的电容器，如图3 1 所示。当一束光线投射到m o s 电容上，光 子穿过透明电极及氧化层，进入p 型s i 衬底，衬底中处于价带的电子的能量而 跃入导带，价电子能否跃入导带形成电子空穴对，将由入射光子能量是否大于等 于导带与价带问的电压来确定【5 。 二氧 导带与价带间电 c 为入射光波长 子 穴 s i 的e g = i 1 2 则入c = 1 i 。所以，波长小于等于1 1 的光子能使硅衬底 中的价带电子跃入导带，产生电子空穴对：另外波长太短，光子由于穿透能力弱 进入不了衬底，也产生不了电子一空穴对。 电子科技太学颈士学位论文 光子进入树底时产擞豹电子跃迁，形成电子一窳穴对，电子一空穴对在辨价 毫场静律蠲下，分嗣两嘏掇嚣端移动，这裁是竞垒魄簿。这些光生毫薅萼鍪储存在 由电极形成的“势阱”中。光生电荷的产生决定于入射光子的自擞( 投射光波妖) 、 光子的数墩( 投射光强殿) 。由于光予入射时，经历多层膜的吸收、反射和干涉， 走谱凿线黧袋出多个蛰、峰，覆褥量予效率降低，灵敏疫也降低。 国 国 营辫国国圆固囝圆 2 v t 0 7 1 0 v器 z 占也皂 1 甄n 百菖瓣奄黼刻燕瓣崮 ( 幻棚始赣描( b ) 电荷由回电搬翔圆电掘转嚣( 曲电荷在、圆电掘下均匀分枷 l 孽v ( 由电荷继缝由电投内圆电楹转移蝴嗽赞竟垒转移劁固电撮卿量棚交叠赫冲 圈3 2 墩蘅转移过程毅 3 1 2 电荷转移 为了撰述c c d 中势戳灏电芬如傍从一个毽萋移劐另一个像鼹，可参看图3 2 所示的c c d 中四个彼此靠得很近的魄极。 假定开始时有一些电荷存储在偏压为1 w 的第一个电极下耐的深势阱里，其 它耄极上均秀g 寿大予溺傻的较低电聪( 铡如2 v ) 。设图 2 ( a ) 为零对亥4 ( 初始时 刻) 。经过t l 时刻后，各电极上的电灌变为鲐圈3 - 2 ( b ) 所示，第一个电校仍保 持为t 0 v ，第二个电极上的电压由2 v 变到1 0 1 i ，因这两个电极辩得很近( 间隔只 有几微米) ，他们各自髓对应势阱将合并在一起，原来在第一个电极下的电荷变 蔻这两令藏极下势隆所焚有，热图3 2 ( b ) 蠢蚕3 2 ( e ) 。 若此后电极上的电腿变为如图3 - 2 ( d ) 所示，第一个电极电臌由1 0 v 变为2 v ， 1 2 c c d 挠度涮量幕绫熬研究 第二个电极电压仍为1 0 v ，则欺有的电荷转移到第二个电极下面的势阱中，如图 3 - 2 ( e ) 。由此可见，深势阱及电葡包向右移动了一个位置。通过将一定规则变化 懿毫愿魏至lc c d 备毫壤土，邀缀下静电芬黩羧戆澄半导落表覆按一定方肉穆动。 通常把c c d 电极分为凡组，每一组称为一柏，并施加同样的时钟脉冲。c c d 的内 部结构决定了使就正常工作所需露的相数。 黧3 2 襞零夔缝擒嚣要三螺跨钝驻 孛，其波形强据圈3 2 ( f ) 掰示，这样鲍 c c d 称为三相c c d 。三相c c d 的魄荷藕合( 传输) 方式必须在三相交叠脉冲的作用 下，才能以一定的方向逐单元地转移。另外必须强调指出，c c d 电极间隙必须很 小，电旖才能不受阻碍地从一个电极下转移到耱邻电极下。如果电极间隙比较大， 嚣稳邻电稷润静势辫将被势垒疆开，不能合辫，窀蕴毽不麓觚一个泡极翔另一拿 电极完全转移，c c d 便不能在外部脉冲作用下正常工作。 能够产生完龛耦会条件的最大间隙一般出具体电极结构、表面态密度等因素 决定。理论毒 算鞠实验 歪实，为了不镬遣辍阗蒎下方赛瑟簸赉褒疆褥魄蓊转移静 势垒，间隙的长发应小于3hm 。这大致是同样条件下半导体表面深耗尽区宽度的 尺寸。当然如果飘化层厚度、袭面态密度爿；同，结果也会不同。但对绝大多数 c c d ，l # m 熬闻骧长度是足够，l 、瓣。 以电子为信母电荷的c c d 称为n 型沟道c c d ，简称为n 型c c i ) 。而以空穴为 信号电荷的c c d 称为p 型沟道c c d ，简称为p 型c c d 。由于电子的迁移率( 单位 场强下鲍运动速发) 远大于空穴瓣迁移枣，霸恁n 型c c d 魄p 型c c d 鳃工俸频率 高褥多。 3 1 3 电荷的检测( 输出方式) 在c c i ) 孛，蠢效懿浚集秘梭 鬟| | 毫蘅是一个重要目越，c c d 豹重要黪瞧之一是 信号电荷在转移过程中与时钟脉冲没有任何电容耦合，丽在输出端则不可避免。 因此，选择适当的输出电路可以尽可能的减小时钟脉冲客性地馈入输出电路的程 度。输蹬结构敕馋j l 就是将信譬电穗包皴电濂或电流鲍形式输出。晷蘧c c d 的竣 密方式主要有电流输出、浮煮扩散放大器输如和浮置掇放大器输出。 1 ) 电流输出如图3 - 3 ( a ) 所示，当信号电荷在转移脉冲的驱动下向右转移到 末极溅极图中中2 瞧极) 下的势辨中蜃，蛮2 嘏极上的电压由裹变低时，幽于势阱 撵麓，信号电荷将遥过输出檬( 加有恒定斡藏压) 下翡势瓣进入反向偏鬻靛二辍 管图中n + 区。由u d 、电阻r 、村底p 和n + 赋构成的反向偏冒二极管相当于无限 深的势阱。 进入到反商德嚣的二教譬中豹电黄，将产生输出电流l d ，丑i d 瀚大，l 、与注 电子辩授夫学醺士孝短论文 入到= 极管中的信号电荷量成芷比，而与电限r 成反比。电阻r 是制作柱c c d 内 的电阻，阻值是常数。所以，输出电流i d 与淀入到二极管中的电荷量钒鼹线性 美系，艇 q s i u d t ( 3 2 ) 出予i n 蛇存在，馕褥矗点的电位发生变化，i d 增大，a 点f 瞧位降低。魇雌t 蟮 浚委袁点戆邀整寒捡滩二援警黥埝遮邀瀛i 蚤，孀蕊壹毫容褥蠢点鹳趣证变讫鼗 出，樽通过放大器输出。图中的蛹效应管h 为复位管。它的主要作用艇将一个 读出周期内输出二极臀没有来得激输出的信号电荷通过复俄炀效应管输出。因为 在复位场效痊管复位撵斑正默狰时复笾场效应管导遂，它豹渤客邀疆远逡小于镶 萋窀辫骁，使二裰蛰中的裂余电荷被迅速籀走，使矗煮匏电能恢复到起始酌高电 平。 工翌4 肆 陉受r k 1 4 ( b ) c c d 糖攫测量幕统靛簿 究 2 ) 浮萋扩散放大器输蹬出图3 - 3 ( b ) 辑示，蓠置敞大器与c c i ) 阍傲在一个 疆凳士，l l 为爱骰篱，麓放大餐。复位瞽程枣2 下的势瓣寒形成翁，程鹅拣秀& 复毽菰；孛零r ，霞复袋营等遇，恕浮饕扩散嚣裁余遗藜接走，复煎到鞋瓣。纛当 亳薅鞠来霹，簧煎管截止，妇浮嚣扩散嚣羧集莪信号电蒋寒控割罩2 管瓣极电经 交纯。设电位变纯量为，剿肖 c ，。变 ( 3 3 ) c r 。 忒中；e 聚浮置扩教隧鸯哭豹总电容。 3 ) 浮萋 馨黢太器赣蠢鬻3 3 ( e 掰示秀浮嚣撵藏夫器浚篷。砭鲶瓣极不是囊 搂冬绩号毫黄羲转移海运裙连渡，孺是与镶遣上蟊懿浮嚣褪提连。警信号瞧穗转 移到浮置撵下瑟酌沩道辩，在浮鬣撩上感威嬲镜像电荷，跌忿泉控测r ? 的栅极 电傲，达到信号检测与放犬的秘靛。 3 1 。4c c d 憨缝鞫 实用的线阵c c d 一般巢用溉沟道线型结构，如图3 4 所示。 囊艘黉襻 肆特 懋3 4 联淘道线囊c c d 结稳 窀采霆三囊熬滓健港耩彀移键转移，豢舞敏匿翡嚣逑设肖读滋寄存嚣。在 多个金霾毫蔽牵，戳每三个嘏檄瓷一缀，缀袋一兮簧壤肇元，在各赞输擎元对痊 电子科技大学硕士学位论文 的三个电极上，分别施加三相脉冲电压，各势阱与之相对应依次变化，电荷包即 随势阱的变化产生移位，实现电荷包传输的作用。电荷传输的最后输出装置是在 最右边电极的一侧扩散一个n 型区作为电荷收集区，它与衬底之间形成p n 结， 当电荷包中电子传输到达时就被该收集极收集，在电阻上流过电流，并转换为电 压信号输出，输出的幅值依次与原存于每一组第一个势阱中的电荷包的电荷数成 正比，形成串行输出。 图3 4 中，偶数像数b 。中的信号电荷包移到下边的读出寄存器c | j ，i r d 奇数 像数a 。中的电荷包则转移到上边的读出寄存器中。然后，在读出或移位传输过 程中，把两个寄存器中的信号按规定的次序重新组成线阵的图像信号。 综上所述，c c d 传感器既具有光电转换功能，又具有信号电荷的存储、转移 和读出功能，它能将分布的光学图像变换成按时间域分布的离散信号电压。 3 2c c d 器件基本性能参数 1 ) 电荷转移效率。它是表征c c d 性能好坏的重要参数。一次转移后到达下 一个势阱中的电荷与原来势阱中的电荷之比称为转移效率。理想情况下电荷转移 效率应等于l ，但实际上电荷在转移中有损失，电荷转移效率要小于1 。线阵c c d 转移效率与时钟频率有关。 2 ) 暗电流。在正常工作的情况下，m o s 电容处于未饱和的非平衡态。然而 随着时间的推移，由于热激发而产生的少数载流子使系统趋向平衡。因此，即使 在没有光照或其他方式对器件进行电荷注入的情况下，也会存在不希望有的暗电 流。暗电流是大多数摄像器件所共有的特性，是判断一个摄像器件好坏的重要标 准，尤其是暗电流在整个摄像区域不均匀时更是如此。产生暗电流的主要原凶有： 耗尽的硅衬底中电子自价带至导带的本征跃迁；少数载流子在中性体内的扩散； s i s i 0 2 晁面引起的暗电流。另外暗电流还与温度有关，温度越高，热激发产生 的载流子越多，因而暗电流也越大。 3 ) 分辨率。它是c c d 器件的一个重要参数，是指c c d 器件中明暗细节的分 辩能力。常用调制传递函数m t f 来评价。m t f 是空间中各个频率成像输出信号调 制度m 。( f ) 与输入信号调制度m i ( f ) 的比，即m t f ( f ) = m o ( f ) m ；( f ) ，在频率响应范 围内，f 和m t f ( f ) 越大，表示器件越能分辨细微的图像而且对比度失真越小。 4 ) 输出饱和特性。当信号电荷积分时间乘以照度等于曝光量达到某以数值 时，输出电压呈现饱和。但这并不意味着像元中不再产生信号电荷：存储在像元 势阱中的信号电荷，如果超过了势阱容量，多出的信号将会溢出势阱，并扩散到 1 6 c c d 挠度测量系统的研究 临近的像元中去，从而给本来信号电荷较少或没有信号电荷的像元带来“污染”， 产生假信号输出。由于溢出电荷不会随入射光的减小而在c c d 中立即消失，这种 信号“污染”将会延迟数个光积分周期，在这期间c c d 将处于不正常工作状态。 为了使c c d 在大于饱和曝光量下也能正常工作，现在的c c d 一般都在器件中增加 了抗弥散结构，使溢出电荷进入衬底，不会污染临近像元。具有抗弥散结构的 c c d 器件，可以在大于饱和曝光量的i 0 0 倍时正常工作。 5 ) 灵敏度是表征曝光量与输出信号之间的光电转换特性的参数，它标志着 器件光敏区的光电转换效率。其定义为：在标准光源照射下，器件在线性响应区 内，光敏区每单位曝光量所输出的信号电荷或电压幅度。 6 ) 光谱相应特性。c c d 对于不同波长的光的响应是不同的，光谱响应定义 为：在单位波长间隔内，相同辐射功率条件下，测得器件响应随波长的变化规律。 将光谱响应中最大响应值归一化为1 0 0 9 6 ，该点所对应的波长为峰值波长。通常 响应点为5 0 所对应的波长为截止波长，长波端的截止波长和短波端的截止波长 间所包括的波长范围。 3 3c c d 器件的选择 c c d 器件是组成测量系统的关键部件，其性能优劣直接影响着系统的功能、 测量精度和使用效果。c c d 器件的优劣可以用其光谱响应特性、光灵敏度、转移 效率、分辨率、光谱响应、动态范围等性能参数来衡量。c c d 的性能参数限制了 它的使用条件和应用特点，分析c c d 器件的特性参数是正确、有效地使用器件的 前提。 对用于尺寸检测和控制的c c d ，选用的主要原则是测量范围和测量精度的要 求。根据奈奎斯特采样定理，确定所选类型器件需要的像元尺寸。如果已知图像 的最大空间频率( 即每毫米的线数) ，则采样频率应大于图像最大空间频率的2 倍 嘲。例如：设图像的最大空间频率为每毫米n 条线，则采样频率应大于或等于每 毫米2 n 条线，即对应的c c d 的像元尺寸应小于和等于i 2 n 毫米。 确定了c c d 的种类和像元尺寸后，还必须根据系统的视场、工作距离、分 辨率、测量精度和采样频率等参数的要求，来计算c c d 的像元数r l ，一般可由下 式来求得： n = w d( 3 - 4 ) 式中w 为系统工作视场( 咖) ；d 为c c d 像元的物方分辨率。 鬯予科技文学疆擎越论冀 檄据c c d 器件的种类以及所求得的像元尺寸和必须的像元数就可以确定需 要的c c d 器件的型号。在实际应用书，为了确保有效测量视鳓，必须使e c d 鲍有 效光敏