（测试计量技术及仪器专业论文）钼丝线径测量仪的研制.pdf

摘要 论文题目：钼丝线径测量仪的研制 学科专业：测试计量技术及仪器 研究生：高向阳签名： 导师姓名李大成副教授签名： 摘要 本课题来源于金堆城钼业有限公司的技改项目。本文通过分析当前国内外线径测量 系统的工作原理，结合金堆城钼业有限公司提出的技术要求，制定了一种基于投影放大 法的钼丝线径测量总体方案，并设计出了一套符合工厂生产现状、满足工厂测量要求的 钼丝线径测量设备，实现了钼丝生产过程中的高速、高精度的在线检测。 本文介绍了c c d 传感器的工作原理以及其在非接触测量中的应用，阐明了线阵c c d 非接触测量系统的组成以及需要解决的问题。本课题选用线阵c c d 图像传感器t c d l 5 0 2 c 作为系统的传感器，实现了非接触式测量：以大功率l e d 为光源设计并制作了照明系统， 克服了传统线径仪光源寿命短、发光不稳定的缺点；采用e p r o m 方法完成了该传感器驱 动的设计与调试；完成了数据处理电路以及二值化电路的设计与调试；完成了系统测量 软件的设计与调试；完成了系统光路的设计与制作。 本论文中对仪器误差的来源进行了详细的分析，并提出了相应的改进方法；搭建起 了测量系统，并对系统进行了标定；设计了一系列的实验，通过实验和数据处理得知本 钼丝测量系统的稳定性良好，动态测量误差小于金堆城钼业有限公司提出的精度要求。 本测量系统的测量范围为0 5 m n 卜4 o m m ，动态测量的极限误差为士2 3 2 5 p r o ，测量速 度可达1 9 3 次秒，系统总体性能达到了金堆城钼业有限公司提出的技术要求。 关键词：线阵c c d ，在线测量，测径仪，驱动电路 西安理工大学硕士学位论文 t i t l e：d e v e l o p m e n to fad m e t e rm e a s u r e m e n t i n s t r u m e n tf o rm o i 朐d e n u mw i r e m a j o r ：t e c h n o l o g y i n s t r u m e n t a t i o no ft e s t i n ga n dm e a s u r i n g n a m e ：x i a n g y a n gg a o su p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f d a c h e n gu s i g n a t u r ex ；= j3 驾6 4 0 s i g n a t w 泣訇如 a b s t r a c t t h i sp r o j e c tc o m e sf r o mt e c h n i ci m p r o v e m e n tp r o j e c t so fj i n d u i c h e n gm o l y b d e n u m c o r p o r a t i o n o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gt h ep r i n c i p l eo ft h ew i r ed i a m e t e rm e a s u r e m e n ts y s t e m u s e di nd o m e s t i ca n df o r e i g n ，an e wm o l y b d e n u mw i r ed i a m e t e rm e a s u r e m e n ts c h e m eb a s e d o np r o j e c t i o ne n l a r g i n gm e t h o di sp r o p o s e di nt h i st h e s i sa c c o r d i n gt ot h et e c h n i c a l r e q u i r e m e n t so ft h ej i n d u i c h e n gm o l y b d e n u mc o r p o r a t i o n t h e nar e a lm o l y b d e n u mw i r e s d i a m e t e rm e a s u r i n gs y s t e mi sd e s i g n e d ，w h i c hm e e t s 谢lt h ec o r r e s p o n d i n gr e q u i r e m e n t s ， a n dr e a l i z e sh i g hs p e e da n dh i i g hp r e c i s i o no n l i n em e a s u r e m e n t so fm o l y b d e n u mw i r e d i a m e t e r t h ep r i n c i p l eo ft h ec c ds e n s o ra n di t sa p p l i c a t i o ni nt h en o n - c o n t a c tm e a s u r e m e n ta r e i n t r o d u c e di nt h et h e s i s t h ec o n s t r u c t i o no fl i n e a rc c ds e r l s o rn o n - c o n t a c tm e a s u r es y s t e m a n di t sr e l a t e dp r o b l e m st ob es o l v e da r ei l l u m i n a t e d t h et c d 15 0 2 cl i n e a rc c di m a g e s e n s o ri sa d o p t e di nt h es y s t e ma n dn o n c o n t a c tm e a s u r e m e n ti sr e a l i z e d l i g h t i n gs y s t e mw a s d e s i g n e db yt h eh i g h p o w e rl e dl i g h ts o u r c e ，a n dt h es e n s o rd r i v i n gp r o g r a mi sd e s i g n e da n d d e b u g g e db yu s i n gt h ee p r o m m e t h o d t h ed a t ap r o c e s s i n gc i r c u i ta n db i n a r i z a t i o nc i r c u i t a r ec o m p l e t e d s y s t e mm e a s u r e m e n ts o r w a r ei sd e s i g n e da n dd e b u g g e d ，a n dt h el i g h t i n g s y s t e mi sd e s i g n e d t h ee r r o r ss o u r c e so ft h i si n s t r u m e n ta r ea n a l y z e dd e t a i l e d l yi nt h et h e s i sa n dt h e c o r r e s p o n d i n gs o l u t i o n sa r cs u g g e s t e d t h em e a s u r e m e n ts y s t e mi sb u i l ta n dc a l i b r a t e d a s e r i e so fe x p e r i m e n t sa r ed e v i s e d ，a n dt h er e s u l to ft h ee x p e r i m e n ta n dd a t a sp r o c e s s i n g i n d i c a t e st h a tt h em e a s u r e m e n ts y s t e mi ss t a b l ea n dt h ee x p e r i m e n t a ld y n a m i ce r r o r sa c c u r a c y c a nm e e tw i mt h er e q u i r e m e n t s 1 l 舱m e a s u r i n gr a n g eo ft h i ss y s t e mi sf r o m0 5 r a mt o4 0 r a m ，a n dt h el i m i t i n ge r r o ro f d y n a m i cm e a s u r e m e n ti s 士2 3 2 5 p m t h em e a s u r e m e n ts p e e dc a nr e a c ht o1 9 3t i m e sp e r s e c o n d t h eo v e r a l lp e r f o r m a n c eo ft h en e w l y d e s i g n e ds y s t e mr e a c h e st h er e q u i r e m e n t so f t h ej i n d u i c h e n gm o l y b d e n u mc o r p o r a t i o n k e y w o r d s ：l i n e a r c c d ，o n - l i n em e a s u r e m e n t d i a m e t e rm e a s u r e m e n td e v i c e ，d r i v e sc i r c u i t 2 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我 个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知。除特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所研究的工 作和成果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：童亟星璺一 】。碍年。；月，j 日 学位论文使用授权声明 本人堂! 望!在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩， 并已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意 授权西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定 提交印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生 上交的学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；2 ) 为 教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、 资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：一蠡生2 超。导师签名：继坦x z 。唁年0 3 月j 日 绪论 l 绪论 在现代工业生产中，线材往往都是在自动化生产线上加工的，加工速度快，生产效 率高，其加工水平的提高往往是与测量技术的不断提高密切相连的，可以说产品质量在 很大程度上是由检测仪器的精度所决定的。应用传统的接触测量，由于接触力的作用， 测量精度较低，而且无法实现动态测量；应用普通光学方法测量，测量时间较长，在线 测量难以实现i l l 。 随着现代工业的发展，要求对线材直径进行高精度、非接触、快速的在线测量，并 给出反馈信号来控制生产，以实现生产过程的自动化。例如在钼丝的生产过程中，钼丝 的直径是必须及时检测的一项重要指标，它直接影响产品的质量。由于加工速度快，因 此必须快速地、精确地在线检测钼丝的直径，并给出报警信号和控制信号。鉴于以上原 因，对直径测量提出如下几点要求：( 1 ) 高精度；( 2 ) 高速度：( 3 ) 非接触；( 4 ) 实时反馈 控制。 显而易见，传统的直径测量方法已远不能满足现代工业生产的要求。c c d 图像传感 器具有灵敏度高、结构紧凑、像素位置准确、自扫描等特点，因此，许多采用光学方法 测量线材外径的仪器，把c c d 器件作为光电接收器。 1 1 国内外测径的主要方法 在现代工业生产过程中，生产现场对线材、棒料外径需要在线实时检测，并提出了 愈来愈高的要求，在国内外均有光电测径仪问世，在这些测径仪中，主要有以下几种测 量方法：扫描阴影法、投影放大法、衍射法、双光路成像法等。它们的测量原理如下所 述1 2 1 。 1 1 1 扫描阴影法 扫描阴影法测量原理如图1 1 所示。由白炽灯发出的光束，经反射镜反射到扫描镜 2 上，扫描镜由同步电机带动做匀速旋转，于是反射光束以恒定的角速度扫过前透镜3 ， 前透镜使光束成为平行扫描光束，并扫过待测的工件4 ，后透镜5 使平行光束会聚在光 电管6 上，经光电管变为电信号输出。透镜3 、4 之间的平行光束随着扫描镜的旋转而作 平行移动，当它被待测工件4 挡住时，光电管输出暗电平信号，这个暗电平信号的宽度 就反映了待测工件的直径大小。处理器8 根据扫描速度和暗电平信号的宽度计算出待测 件的直径大小，即完成了一次测量。扫描阴影法一般可测量直径大于o 5 m m 的工件，测 量精度可达到士3 p m ，对于直径小于0 5 r a m 的工件，可用音叉作转镜驱动装置，音叉扫 描可测量6 0 p m 一50 0 p m 的直径，测量精度可达5 p m 。 扫描阴影法达到了很高的测量精度，测量速度也较快，可达每秒1 0 0 0 次，但是这种 方法需要高精度的转镜扫描系统，需要高精度的微型电机，因此成本高，装置复杂，不 易于仪器的小型化。 西安理工大学硕士学位论文 23 4567 1 激光器2 扫描反射镜3 前透镜4 待测件5 后透镜6 光电管7 信号处理机8 处理机9 同步电机 图卜1 扫描阴影法测量原理图 f i g 1 1m e 跏e m e mp r i n c i p l eo f h a t c h i n gs c a n n i n gm e t h o d 1 1 2 投影放大法 投影放大法的测量原理如图1 2 所示。光源1 发出的光经透镜2 和3 准直、扩束后， 扩展成平行光照射到待测件上，形成阴影，由透镜5 和光阑6 成像在光电接收器7 上， 测出阴影像的宽度d ，就可算出工件的直径。 投影放大法的测量精度主要取决于平行光的准直程度、成像的放大倍率和光电接收 器的分辨率。平行光源要做的十分理想是有一定困难的，且随准直程度的提高会使仪器 的成本提高，因此，在实际应用中常常通过软件处理的方法，对测量值进行修正，以使 测量结果更接近实际值，这在一定程度上降低了对光源的苛刻要求。这种测量方法比较 适合测直径中等粗细的工件，测量范围在0 5 m m 3 0 m m ，测量精度可达3 0 m ，避免了 复杂的机械扫描装置，其结构比较简单，成本也比较低。 1 234s6 7 f 一成像透镜的焦距 l 一成像透镜像方焦点到光电接收器的距离。 图1 - 2 投影放大法光路原理图 f i g 1 - 2o p t i c a ls y s t e mo fp r o j e c t i o nm a g n i f ym e t h o d 1 1 3 衍射法 2 绪论 根据巴比涅互补定理，激光束照射到细丝时，其衍射效应和狭缝的衍射效应相同， 在接收屏上得到同样的明暗相间的衍射条纹，故通过测量衍射条纹之间的间距就可得到 细丝的直径。衍射法测径的原理如图1 3 所示： 图卜3 衍射法测量原理图 f i g 1 - 3m e a s u r e m e n tp r i n c i p l eo fd i f f r a c t i o nm e t h o d 测量时已知结构尺寸l 及激光波长，只要再测得条纹间距s ，即可求得线径d 。激 光衍射测量是一种高精度的非接触测量，其测量精度高达0 0 5 1 a m 以下。另外，由夫朗 和费近似条件可知：光路中l 必须适当的大，这样测量系统比较庞大。此外，衍射法测 量直径对测量环境要求很严，尤其是对振动干扰极其敏感，这也是衍射法测径的一个不 足之处。 1 1 4 双光路成像法 对于材料的长度、宽度或直径大于3 0 m m 的尺寸测量，由于单光路成像系统的视场 和分辨率的限制，难以保证测量精度的要求，因此多采用双光路成像法测量。图1 4 给 出了一个双光路成像测量系统框图。被测物体如钢管置于双光路视场中，照明方式采用 单光源扩束分光照明或是采用双光源分别照明。由于被遮挡部分无信号输出，分别检测 两个c c d 的边缘信号，再对两个边缘之间的脉冲计数，根据像元尺寸与光学系统的放 大倍数即可求得最终的被测物体的尺寸。两个c c d 分别用来测量待测物的一个边界值， 两个c c d 之间的距离用机械方法或是光学方法测量出预先存入计算机。工作过程中， 两个c c d 采样要求同步，最后送入计算机处理。如果测量范围需要很大，可在c c d 前 加透镜提高可测范围，同时系统测量的尺寸需要标定。 图1 - 4 双光路成像法原理图 f i g 1 - 4d o u b l eo p t i c a ls y s t e mo fi m a g i n em e t h o d 3 西安理工大学硕士学位论文 1 2 国内外光电测径系统的发展现状 直径是金属丝类产品的一项重要参数，长期以来人们对直径测量的方法进行了大量 的研究，希望获得一种方便、快捷、精确的测量技术。c c d 应用技术是一项具有广泛应 用前景的新技术。三十多年来，c c d 技术取得的惊人进展足以说明这一点。c c d 已经 在三大领域得到广泛应用：摄像、信号处理和存储，它之所以能在图像测量领域中得到 广泛的应用是因为它具有精度高、转换效率高、功耗低、尺寸小、寿命长、性能稳定等 优点。 美国o g p 公司研制的几何尺寸测量系统，具有精密的x y z 工作台，采用变焦镜头， 实现对工件的自动调焦。由于该系统把标准件安放在了镜头里，可随时对系统进行标定， 因此使用非常方便。该系统单轴测量精度为2 p r o 。为了保证图像视场能得到均匀的照明， 该系统采用了环形灯照明。工作台采用步进电机进行驱动，保证了快速搜索待测要素。 该系统的软件采用可视化编程，具有良好的人机界面，同时配有各种各样的电子测量准 星，以适应测量不同类型工件的测量需要。 目前国内利用c c d 进行工业实时在线检测的系统有以线阵c c d 传感器为核心在线 检测电线电缆直径，被测对象直径小于1 0 m m ，精度小于0 0 5 m m 。表1 1 为国内外直径 测量装置的各项性能指标。 表卜1 国内外直径测量装置的各项性能指标2 1 t a b 1 - lp e r f o r m a n c ec r i t e r i o nu n d e rd i f f e r e n td i a m e t e rm e a s u r e m e n te q u i p m e n t 型号生产厂家测量范围测量精度测量速度测量速度 g c y - 2 型激长春光0 5 m 卜2 7 m m1 4 帅 光测径仪机所 m 5 5 1 a( 日)5 0 脚卜1 咖0 5 脚 1 0 0 0 次秒音叉扫描 a n r i t s u l 肋一2 型激电子科 0 0 5 m m - 3 0 m 1 0 衄1 0 岫 l s m 3 0 1 ( 日)0 3 眦卜3 0 m3 岫3 5 0 次秒扫描法 m it u t o y o l s m 6 0 2( 日)l m - - 一5 0 m4 岫 3 5 0 次秒 扫描法 m it u t o y o v s 一6 1 0 1 a ( 日) i m m - 2 5 m ml m m l o m m 3 p m 投影法 n a ti o n a l l o m - - 2 5 m 5 啪 1 3 钼丝生产和检测现状的介绍 金属钼主要是用来制造真空管的阴极、阳极，电灯泡里的钨丝托架等。1 9 2 7 年，人 们制造出超纯金属钼，纯度高达9 9 9 9 9 ，拉成细丝，用作集成电路的导线。另外，金 属钼丝还用于机床的电火花加工。近年来我国制成的数控线切割机床，就是用金属钼丝 导电，进行切割和电火花加工的。在惰性气体的保护气氛中，钼丝和钨丝可配制成高温 热电偶，用以测量1 2 0 0 - - 2 0 0 0 的高温。纯钼丝用于高温电炉；钼片用来制造无线电 绪论 器材和x 射线器材；合金钢中添加钼可以提高弹性极限、抗腐蚀性能以及保持永久磁性 6 扛 号手0 钼丝( m o l y b d e n u mw i r e s ) 是由钼坯条经过旋锻及拉伸的方法加工而成的，具有抗高 温、热膨胀系数小等特点。在高温条件下，钼丝具有很好的导电导热性能，对熔化玻璃、 强碱和化学制品具有很好的抗腐蚀性，机械加工性能较好，目前已广泛应用于照明、电 子及机械加工等行业中。 我国钼金属资源含量居世界第二，储量达3 4 3 万吨，位于美国之后，钼业产品年产 量3 0 5 0 0 吨- 3 1 5 0 0 吨。国内关于钼产品加工的企业有2 0 0 多家。 1 3 1 钼丝生产的一般流程： 钼丝是由钼坯经锻压和拉伸加工而成，钼丝生产的一般流程为：钼胚锻压一高温 处理一金刚石模具拉拔一石墨涂层处理一成捆。钼丝的直径主要取决于金刚石模 具。车间工人根据每次拉拔出的钼丝的质量来判断金刚石模具当前的状况。由于模具的 不断磨损，生产出的钼丝产品会出现直径过大、椭圆度超出公差范围或者表面缺损等状 况，这时就要更换新的模具。生产流程如图1 1 所示： 图1 - 5 钼丝的生产流程 f i g 1 5f l o wc h a r to fm o l y b d e n u mw i r e s 1 3 2 工厂对钼丝的检测指标 工厂对钼丝的检测包含以下几个指标：直径、椭圆度、机械强度等。对于最主要的 指标钼丝直径。检测方法有两种：( 1 ) 用千分尺对一捆钼丝产品进行抽点检测，要求 一道工序不少于2 0 个点；( 2 ) 对一捆钼丝称重，然后根据单位长度的标准重量来计算直 径( 这种方法适合0 5 m m 以下的细丝直径测量) 。 1 4 本课题的任务 本课题的任务是完成对钼丝直径测量装置的设计。主要包括以下几个部分： ( 1 ) 照明系统的设计：光源的选择、准直、扩束镜的设计； ( 2 ) 成像系统的设计：成像镜头的设计； 西安理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 图像传感器的选型及驱动电路的设计； ( 4 ) c c d 信号处理电路的设计： ( 5 ) 基于单片机的直径测量软件的设计。 1 4 1 钼丝线径测量仪的各项指标与主要功能： ( 1 ) 测量范围：0 5 m m - - - 4 m m ； ( 2 ) 测量精度：士2 5 t i m ： ( 3 ) 测量速度：每秒大于1 0 0 次； ( 4 ) 测量方法：投影放大法； ( 5 ) 实时测量直径参数并显示； ( 6 ) 检测到线径不合格时发出警报； ( 7 ) 每秒测量次数、监测对象直径以及偏差按键可设。 1 4 2 本课题在实际生产中的作用： 本课题采用投影放大法设计测量系统，综合考虑了成本和检测指标的要求，非接触 测量方案保证了直径测量的精度；实现在线测量，使生产和检测工作在同一时间完成， 从而大大提高了工业检测的效率；节省了劳动力资源，实现了钼丝生产的自动化。 6 钼丝线径测量仪方案设计与系统分析 2 钼丝线径测量仪方案设计与系统分析 2 1 课题的方案设计 应用传统的接触测量来完成钼丝线径的测量，这显然是不现实的。由于接触力的作 用，要求的测量精度将无法保证；应用普通光学测量，测量时间较长，所以无法实现在 线测量。然而本课题要求完成高精度的在线测量。因此，传统的方法不能完成本课题的 要求。c c d 图像传感器具有灵敏度高、结构紧凑、像素位置准确、自扫描等特点，因此， 许多采用光学方法测量外径的仪器，把c c d 器件作为光电接收器。鉴于c c d 的高精度 和高灵敏度，本系统将采用c c d 作为信息接收元件。 第一章讲到，现代光电测径仪最常用的主要有三种方案：扫描投影法，衍射法，投 影放大法。扫描投影法有很高的测量精度，对线径0 5 m m 以上的测量对象精度可达3 um ，测量速度也较快，可达每秒1 0 0 0 次，但是由于要有高精度的机械扫描装置，使用 这种测量法的测径仪装置复杂，体积大，成本高，不易于仪器的小型化；衍射法精度虽 然特别高，对线径0 5 r a m 以上的测量对象精度可达0 0 51 1m 以下，但是它也有体积大 的缺点，除此之外，它还容易受外界的干扰，尤其是对震动非常敏感。投影放大法不需 要复杂的扫描装置，可使装置简单，体积小，成本降低。因此，本钼丝线径测量系统将 采用投影放大法原理。系统的工作原理框图如图2 1 所示： 一钼丝卜- 一c c d 器件b 信 号 智 照 j l 成 j l 处 能上 明像 理 单位 系系 电 统 防抖装置 统 驱动电路路 兀机 图2 一i 系统工作原理框图 f i g 2 - ip r i n c i p l ep i c t u r eo f s y s t e m ss o l u t i o n s 该钼丝线径测量系统对精度要求较高，所以照明系统的光线必须均匀、稳定。因此， 光源的电源要采用稳压电源，且光线要通过透镜系统变成平行光。为了减小被测件垂直 摆动所引起的误差，我们得采用一定精度的固定装置。被测物钼丝的投影经过成像系统 放大落到c c d 器件上，最后，c c d 器件的输出经过一系列的处理得到测量值。 2 2 钼丝线径测量仪的工作原理 测径仪的装置原理框图如图2 1 所示：照明系统为整个系统提供具有一定强度的平 行光。钼丝被平行光照射后经成像物镜成像在c c d 上，由于被测对象是动态的，所成 的像可能因为抖动而使边沿变模糊，给测量带来不便，所以要加上一定的防抖机构减小 抖动。光电耦合器件( c c d ) 在驱动电路发出的时序的配合下把光学信号转换为电信号。 7 西安理工大学硕士学位论文 然后对测量信号进行一系列的处理，用计脉冲数的方法对阴影的宽度进行测量就可以得 到脉冲数。最后，根据透镜的放大倍率就可得到待测体尺寸d 。 钼丝直径的具体计算公式为：d = - a x 邶 ( 2 1 ) a 为c c d 光敏元尺寸； “ 为光学成像系统放大率； 为被测件经光学系统成像后在c c d 光敏区所遮挡的光敏元数。 2 3 照明系统分析与设计 在c c d 应用中，照明系统是一个重要的部分。在照明系统中要选择合适光源，并 且与c c d 接收面上所能接收到的照度相匹配。下面分别介绍照度匹配概念、照明方法、 照明系统的设计原则和光源选取。 2 3 1 照度匹配 c c d 器件是光积分型器件，输出的电流信号和c c d 光敏面上的照度有关，也和光 积分时间有关，若以，代表输出电流，e 代表光敏面的照度，代表两次取样的时间间隔， 在正常工作范围内有 仁咒酚= 鲤 ( 2 2 ) 式中： k 为比例常数； q = e t ，称为曝光量，单位为i x s ，国际通用表达式为q = f 点：d t 。但式( 2 2 ) 中的e 是一个恒定值，可以简化为q = 厨。 对于既定元件，曝光量应限定在一定范围内，其上限为饱和曝光量珐砒。对于摄像和以 光度测量为基础的c c d 应用系统，光敏面上任何光敏单元上的曝光量q 均应低于g 砒， 否则将产生画面亮度失真，或产生大量的测量误差。因为q = 毋，所以可通过适当选择 c c d 器件光敏面上照度e ，和两次采样时间间隔f 来保证q q s 缸。但是，采样间隔时 间t 一般由驱动器的转移脉冲周期t s h 确定，常为一个确定值。所以，调节曝光量通常 是调节c c d 光敏面上的照度。要求光敏面上任何点的照度应满足1 3 1 ： e u t h 时，半 导体与绝缘体界面上的电势( 常称表面势，用o s 表示) 变的如此之高，以致于将半导 体内的电子( 少数载流子) 吸引到表面，形成一层极薄的( 约l u um ) 但电荷浓度很 西安理工大学硕士学位论文 高的反型层， - 电* 氧tl 如图3 1 ( c ) 所示。反型层电荷的存在表明了m o s 结构存储电荷的功能。 p 签字导体 l _ 曩tl 叠l 量亿i 图3 - 1 单个c c d 栅极电压变化对耗尽区的影响 f i g 3 - 1e x h a u s t e df i e l du n d e rd i f f e r e n tv o l t a g eo fs i n g l ec c dg r i d 然而，当栅极电压由零突变到高于阀值电压时，轻掺杂半导体中的少数载流子很少，不 能立即建立反型层。在不存在反型层的情况下，耗尽区将进一步向体内延伸，而且，栅 极和衬底之间的绝大部分电压降落在耗尽区上。如果随后可以获得少数载流子，那么耗 尽区将收缩，表面势下降，氧化层上的电压增加。当提供足够多的少数载流子时，表面 势可降低到半导体材料费密能级o f 的两倍。 b 电荷耦合 为了理解c c d 中及电荷如何从一个位置移到另一个位置，可以观察图3 2c c d 中 四个彼此靠的很近电极。假定开始时有一些电荷存储在偏压为1 0 v 的第一个电极下面的 深势阱里，其他电极上均加有大于阈值电压的较低电压( 例如2 v ) 。设图3 2 ( a ) 为零 时刻( 初始时刻) 。经过t 1 时间后，各电极上的电压变化如图3 2 ( b ) 所示，第一个电 极仍保持为1 0 v 第二个电极上的电压由2 v 变成了1 0 v ，因为两个电极靠的很紧( 间隔 只有几微米) ，它们各自的势阱将合并在一起，原来在第一电极下的电荷变为这两个电极 下势阱所共有，如图3 2 ( b ) 和3 - 2 ( e ) 。若此后电极上的电压变为如图3 2 ( d ) 所示， 第一个电极电压由1 0 v 变为2 v ，第二个电极电压仍为1 0 v ，则共有的电荷转移到第二 个电极下面的势阱中，如图3 2 ( e ) 所示。由此可见，深势阱向右移动了一个位置。 通过将一定规则变化的电压加到c c d 各个电极上，电极下的电荷包就沿着半导体 表面按一定方向移动。通常把c c d 分为几组，每一组称为一相，并施加同样的时钟脉 冲。c c d 的内部结构决定了使其正常工作所需要的相数。图3 2 所示结构需要三相时钟 脉冲，其波形如图3 2 ( f ) 所示，这样的c c d 称为三相c c d 。三相c c d 的电荷耦合( 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的移动。同时c c d 电极间隙必须很小，电荷才能不受阻碍的从一个电极下转移到相邻电极下。如果电极间 隙比较大，两相邻电极间的势阱将被势垒隔开，不能合并，电荷也不能从一个电极向另 一个电极完全转移，c c d 便不能在外部脉冲作用下正常工作。 能够产生完全耦合条件的最大间隙一般由具体电极结构，表面态密度等因素决定。 1 6 c c d 的工作原理与选型 理论计算和实验证实，为了不使电极间隙下方界面处出现阻碍电荷转移的势垒，间隙的 长度应小于3um ，这大致是同样条件下半导体深耗尽区宽度的尺寸。当然，如果氧化 层厚度、表面态密度不同，结果也会不同。但对绝大多数c c d ，1i lm 的长度是足够小 的。 o oo o 2 vi 田2 v2 v 嚣l d v 2 一i 谢嚣 翁1 噼i o v2 v 男群 c 司 o 2 v 1 0 2 v1 0 v2 v 电饼悖劫 ( 由 9 兽0 1 0 v 2 v 卓1i 匹三：二：i 对d v珂押1 ，1 ul w 尝靴i 、厂r t r 中3 窆l l i - n 厂 ( ) 图3 - 2 三相c c d 中电荷的转移过程 f i g 3 - 2c h a r g et r a n s f e rp r o c e s so ft r i p l ep i nc c d + 以电子为信号的c c d 称n 型沟道c c d ，简称n 型c c d 。而以空穴为信号电荷的 c c d 称为p 型沟道c c d ，简称p 型c c d 。由于电子的迁移率( 单位场强下的运动速度) 远大于空穴的迁移率，因此，1 1 型c c d 工作频率比p 型c c d 高的多。 c 电荷的检测 在c c d 中，有效收集和检测电荷是一个重要问题。c c d 的重要特征之一是信号电 荷在转移过程中与时钟脉冲没有任何电容耦合，而输出端则不可避免。因此，选择适当 的输出电路可以尽可能的减小时钟脉冲容性的溃入输出电路的程度。目前c c d 的输出 方式主要有电流输出、浮置扩散放大器输出和浮置栅放大器输出。 ( 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电极( 图中咖 2 电极) 下的势阱中后，吼电极上的电压由高变低时，由于势阱提高，信号电荷将通过 输出栅( 加有恒定的电压) 下的势阱进入反向偏置二极管( 图中n + 区) 。由、电阻r 、 衬底p 和n + 区构成的反向偏置二极管相当于无限深的势阱。进入到反向偏置二极管中的 电荷将产生输出电流而，且如的大小与注入n - 极管中的电荷量成正比，而与电阻冗成 反比。电阻r 是制作在c c d 内的电阻，阻值是常数。所以，输出电流而与注入到二极 管中的电荷量成线性关系，且q s = i d ( i t 。 由于如的存在，使得a 点的电位发生变化，如增大，a 点电位降低。所以可以用a 点电位来检测二极管的输出电流如，用隔直电容将a 点电位变化取出，再通过放大器输 1 7 西安理工大学硕士学位论文 i l ( a ) 电流输出方式 吩吼蹙码a l 龟码 ( b ) 浮置扩散放大器输出方式( c ) 浮置栅放大器输出方式 图3 3 电荷输出电路 f i g 3 - 3o u t p u tc i r c u i to fc h a r g e s 图中的场效应管碾为复位管。它的主要作用是将一个读出周期内输出二极管没来得 及输出的信号电荷通过复位场效应管输出。因为在复位场效应管复位栅为正脉冲时复位 场效应管导通，它的动态电阻远远小于偏置电阻灭，使二极管中剩余电荷被迅速抽走， 使a 点的电位恢复到起始的高电平。 ( 2 ) 浮置扩散放大器输出 由图3 3 ( b ) 所示，前置放大器与c c d 同做在一个硅片上，乃为复位管，乃为放 大管。复位管在如下的势阱未形成之前，在r g 端加复位脉冲驴r ，使复位管导通，把 浮置扩散区剩余电荷抽走，复位到u i x ) 。而当电荷到来时，复位管截止，由浮置扩散区 收集的信号电荷来控制乃管栅极电位变化。 设电位变化量为u ，则有： u = q s c m ( 3 1 ) 式中gc f d 是与浮置扩散区有关的总电容。 ( 3 ) 浮置栅放大器输出 图3 3 ( c ) 为浮置栅放大器输出。死的栅极不是直接与信号电荷的转移沟道相连接， 而是与沟道上面的沟道浮置栅连接。当信号电荷转移到浮置栅下面的沟道时，在浮置栅 上感应出镜像电荷，以此来控制死的栅极电位，达到信号检测与放大的目的。显然，这 种如图3 - 3 ( e ) 所示的机构可以实现电荷在转移过程中进行非破坏性检测。 3 3c c d 的特性参数 3 3 1 转移效率r l 和转移损失率毛 电荷转移效率是表征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。如在t - = 0 时，注入到某电极下的电荷为驮0 ) ； 在时间t 时，大多数电荷在电场作用下向下一个电极转移，但总有一小部分电荷由于某 种原因留在电极下。若被留下来的电荷0 ( 芒) ，则转移效率为： 1 8 c c d 的工作原理与选型 刀：q ( o ) - q ( t ) ：卜垡垒 ( 3 2 ) q ( 0 )q ( 0 ) 如果转移损失率定义为f = p ( ，芒夕p ( o ) ( 3 3 ) 则转移效率与损失率的关系为i = 1 - f 。 ( 3 4 ) 理想情况下r 应等于1 ，但实际上电荷在转移中有损失，所以r l 总是小于l 的( 常为0 9 9 9 9 以上) 。一个电荷p ( o ) 的电荷包，经过n 次转移后，所剩下的电荷为： p ( 刀) = p ( 0 ) 刀“ ( 3 5 ) 这样，n 次转移前后电荷量之间的关系为： p ( 刀) 0 ( 0 ) = e ” ( 3 6 ) 如果r = o 9 9 ，经2 4 次转移后，p ( 刀) o ( o ) = 7 8 ， ( 3 7 ) 而经过1 9 2 次转移后p ( 力) 0 ( o ) = 1 4 ( 3 8 ) 由此可见，提高转移效率7 是电荷耦合器件能否实用的关键。 影响电荷转移效率的主要因素是界面态对电荷的俘获。为此，常用“胖零 工作模 式，即让“零 信号也有一定的电荷。 3 3 2 工作频率 a 决定工作频率下限因素 为了避免热产生的少数载流子对注入信号的干扰，注入电荷从一个电极转移到另一 个电极所用的时间t 必须小于少数载流子的平均寿命；，即 t f( 3 9 ) 在正常工作条件下，对三相c c d t = t 3 = l 3 f ( 3 1 0 ) d 1 3 ； ( 3 1 1 ) 可见，工作频率的下限与少数载流子的寿命有关。 b 工作频率的上限 当工作频率升高时，若电荷本身从一个电极转移到另一个电极所需的时间t 大于驱 动脉冲使其转移的时间3 ，那么，信号电荷跟不上驱动脉冲的变化，将会使转移效率 大大下降。为此，要求芒3 ，即： f 1 3 t ( 3 1 2 ) 这就是电荷自身的转移时间对驱动脉冲频率上限的限制。由于电荷转移的快慢与载流子 迁移率，电极长度，衬底杂质浓度和温度等因素有关，因此，对于相同的结构设计，n 沟道c c d 比p 沟道c c d 工作频率高。图3 4 绘出了p 沟c c d 在不同衬底电荷情况下工作 频率与转移损失率的关系曲线。 1 9 西安理工大学硕士学位论文 图3 - 4 转移损失率与驱动脉冲频率间的关系 f i g 3 - 4r e l a t i o n s h i pb e t w e e nl o s sf a c t o ro ft r a n s f e r r i n ga n dd r i v e np u l s ef r e q u e n c y 图3 5 为三相多晶硅n 沟道s c c d 实测驱动脉冲频率，与损失率；之间的关系曲线。 由曲线可以看出，表面沟道c c d 的驱动脉冲上限为i o m h z ，高于l o m h z 后，c c d 的转移损 失率将急剧增加。 i1 0 f ( m h z ) 图3 - 5 驱动脉冲频率f 与转移损失率之间的关系曲线 f i g 3 5r e l a t i o n s h i pc u r v eb e t w e e nd r i v e np u l s ef r e q u e n c yf a n dl o s sf a c t o ro f t r a n s f e r r i n g 3 4t c d l 5 0 2 c 介绍阳1 t c d l 5 0 2 c 是日本东芝公司生产的一种高灵敏度、低暗电流的线阵c c d 图像传感器。 该器件可用于传真、图像扫描和o c r ，它包含一列5 0 0 0 像元的光敏二极管，像敏单元大 小为7 um x 7 um 7 l im ( 相邻像元中心距) 。当扫描一张a 3 的图纸时，可达到1 6 线毫 米( 4 0 0 d p i ) 的精度。该器件为两相工作的c c d ，时钟电压一般取5 v ，可由1 2 v 电源供 电。 3 4 1t c d l 5 0 2 c 的基本结构 a 管脚定义 t c d l 5 0 2 c 是2 2 管脚的d i p 封状，其封装如图3 6 所示： 其中：i e 、1 0 为第一相时钟。 0 2 e 、q ) 2 0 为第二相时钟。 c c d 的工作原理与选型 1 b 、0 2 b 分别为信号输出时钟一与信号输出时钟二。 s h 为行转移同步信号。 r s 为复位脉冲信号。 c p 为钳位脉冲信号。 o s i 、0 s 2 分别为输出信号一和输出信号二。 o d 、s s 分别为电源信号和地信号。 n c 为空管脚。 菪 委 z 吾 差 馨臻窿嚣篁i ) - | g ￥掳鼍鼍￥ 善 ； 妻 墓锛8 憾慧i 若鳘笙暴蓉鬟 图3 - 6t c d l 5 0 2 c 封装图 f i g 3 - 6p a c k e tp i c t u r eo ft c d 15 0 2 c b t c d l 5 0 2 c 的内部结构 其内部结构图如图3 - 7 所示，它由光电二极管，存储栅，移位栅，数据输出缓冲器 等部分组成。 0 0 图3 7t c d l 5 0 2 c 内部结构图 f i g 3 - 7i n t e r n a ls t r u c t u r eo ft c d 15 0 2 c 2 1 西安理工大学硕士学位论文 3 4 2t c d l 5 0 2 c 的参数 a 极限工作值 线阵c c d 图像传感器t c d l 5 0 2 c 的极限工作值如表3 1 所示：其中所有电压都以s s 终端( 地端) 为参考的。 表3 - 1t c d l 5 0 2 c 极限工作值 t a b 3 1l i m i t e dw o r kv a l u e so f t c d l5 0