非接触玻璃测厚系统.doc

中北大学2013届毕业设计说明书 目 录1 引言11. 1 选题的背景和意义11. 2 国内外研究现状11.2.1 国外研究现状11.2.2 国内研究现状41.3 国内非接触测量技术对比41.4 本文主要内容51.5 工作流程52 各种非接触测厚系统简介62.1 非接触测厚系统分类62.2超声测厚系统62.3 穿透式射线测厚系统62.4 X射线测厚系统72.5 高频涡流测厚系统72.6 激光测厚系统82.7 各种测厚系统对比总结83 非接触玻璃测厚系统的工作原理及仿真分析93.1 系统组成93.1.1 激光发射器简介93.1.2 CCD 传感器器简介113.2 工作原理163.3 仿真分析173.3.1 仿真工具简介173.3.2 最佳入射角的确定203.3.3 玻璃厚度223.3.4 仿真数据分析234 实验数据234.1 游标卡尺测玻璃厚度234.2 测厚系统测玻璃厚度244.3 实验数据分析264.4 实验心得275 结论285.1 设计中出现的问题285.2 总结285.3 工作展望28附录：仿真程序代码30参 考 文 献31致 谢331 引言1. 1 选题的背景和意义 国内玻璃生产企业大部分采用浮法玻璃生产方法1,浮法玻璃生产就是让玻璃融液漂浮在锡液的上表面上,在锡槽内700900的温度区间内调整玻璃厚度，然后在玻璃冷却后再进行厚度检测的方法。这种落后的生产方法导致玻璃厚度测量反馈信号滞后于玻璃厚度控制系统2,很容易因玻璃厚度与国家标准不符合而造成损失。因此,对玻璃厚度在高温时进行非接触测量具有很高的实际意义。而且这种测量方法可广泛用于生产线上对各种透明材料的厚度、宽度、轮廓的实时测量3, 具有非接触测量、不损伤物体表面、无环境污染、抗干扰能力强、精度高等优点。非接触测厚系统是工业生产线产品质量控制的重要设备，相信在未来我国工业向高科技高精密模式转型中会得到更大的应用。1. 2 国内外研究现状1.2.1 国外研究现状 在厚度精确测量方面日本处于业内先进水品。日本基恩士公司的LK-G系列位移传感器可用来检测透明材料的厚度，具有高精度和高反应速度4。以LK-G5000为例，其再现性（检测固定目标物时，模拟输出电压也会因内部杂波而有轻微波动。波动的量就叫做再现性。波动越小再现性就越高。）为0.01m，测量范围为9-1000mm,传感器反应频率为392K赫兹。其重复性可以达到0.005m，测量精度为0.02%。可用于透明物体的厚度测量。由此可见无论是测量精度还是反应速度都同类产品中处于领先地位。除此之外，Lk-G5000的优点在于其采用CCD传感器，普通激光位移传感器一般用PSD作为光接收元件，而LK系列则使用CD作为光接收器件。目标物反射的光穿过接收透镜被聚焦到PSD或CCD上。PSD利用进入光接收元件的整个光点的光亮分布来测定光点中心并将这个中心确定为目标物位置。但是光亮的分布会受到目标物表面状况的影响，造成测量数值的偏差。CCD检测每个像素上光点的光亮分布峰值并将这个确定为目标位置。因此可以不考虑光点光亮分布状况如何。第 0 页 共 34 页 图1.1 光接收元件上的光亮分布与取值美国的 Filmetrics公司的F70系列是通用的厚度测量仪器3，能够测量厚度达13毫米的薄膜。常见的应用包括玻璃，塑料板材，镜头，容器，和半导体晶圆。其采用色差公焦测量的测量方式，最多可以同时测量两层。这种方式较不易受待测样品表面粗糙度、均匀性、曲率的影响。CMT厚度测量基本上是藉由探测待测薄膜层上下介面之距离进而获得厚度值。透过专业透镜聚焦不同波长的光，而聚焦在待测样品上下界面的光反射回侦测器后，就会在光谱图中看到二处讯号波峰，进而推算出波峰之间的距离，即为待测薄膜的厚度值。F70搭配不同的透镜可以测量不同厚度范围的玻璃。厚度测量范围为15nm-13mm，波长范围为380-1050nm。第 1 页 共 34 页 图1.2 F70 测量系统的波长与厚度F70的优势在于其有内置的自动波长校准，系统包括独立的软件能储存历史记录并复制，绘制测量结果。测量结果几秒钟就可显示出来。 图1.3 F70 测量结果显示 德国CHRocodile IT 系列光学传感器配合红外线灯光进行工作，完美适用于非接触式厚度测量，即便材料的一面不透明。不同的型号确保针对大量的应用提供最优解决方案。针对所有加工阶段中的晶片可以在 10 m - 3000 m 的厚度范围内进行精确的离线和在线测量。其它应用领域包括不透明材料的厚度测量，以及透明塑料产品的厚度测量。具体性能参数如下：1、测量次数/秒：40002、干扰测试的测量范围： CHRocodile IT 500：37 m - 4700 m；CHRocodile IT 1000：64 m - 8200 m； CHRocodile IT 500 RW：45 m - 5600 m；CHRocodile IT 1000 RW：57 m 7300 m3、分辨率：10-7 x 最大测量范围 (23 Bit)4、可重复性：10-4 x 最大测量范围5、与外部设备同步：触发器输入端、同步输出端、3 个编码器输入端其优势在于有自动光亮控制和非常高的分辨率。可以测量透明的和不透明的物体。物体表面的粗糙程度对测量结果影响不大。1.2.2 国内研究现状 国内非接触玻璃测厚系统的典型代表是西安星悦激光红外技术有限公的HD5000型激光测厚仪。HD5000适用于玻璃管、玻璃板等透明管材及板材的厚度的在线测量。也适用于各种玻璃瓶、玻璃 杯、灯 泡、灯管的壁厚的在线或静态测量。其采用无污染激光测量法，连续对被测物进行非接触、无损伤厚度测量，采样速度快精度高，性能稳定，操作简单，可设定测值上下限，超出界限值时主机自动报警。可以实现在线实时测量监控、数字显示、自动报警、生产过程控制调节及计算机RS485串口通讯。其工作参数如下： 1、测量范围：0.120mm（或可按要求设定范围） 2、测量速度：每秒2000次 3、显示速度：每秒23次（或可按要求定制） 4、测量精度：0.01mm 5、输出信号：010V电压输出 6、RS485串口通讯：本仪器可与计算机通过RS485串口相联，两机之间传输距离可达数百米1.3 国内非接触测量技术对比 可以看出无论是在非接触测量的理论研究、测量精确度、系统复杂度上，国内都落后于国外同行。国内测量精度约为0.01mm,日本基恩士公司仪器能达到0.02%。从测量系统的智能性和功能性来说，德国的CHRocodile IT 系列仪器还能实现编程控制功能，而且测量扫描速度约为国内的2倍。究其原因还是因为国内在激光技术和传感器技术等基础领域的研究落后于国外。日本工业素以高精细度著称，德国人的风格是严谨细致，美国技术的先进程度自然不用多说。若想在若干年后在非接触测量方面追赶甚至超越他们需要我们这一代人更加努力研究相关基础科学，一步步迎头赶上。1.4 本文主要内容 本文首先介绍了非接触测量的背景、意义、发展现状和发展前景，然后具体介绍几种常用测厚系统的应用特点和性能指标，最后重点介绍激光CCD测厚系统的各部件及工作原理。分析影响测量结果的几种因素，进行了matlab仿真。本文的主要内容如下：第一章：概述非接触测厚系统的必要性和国内外研究现状，提出了论文选题的背景和意义。第二章：介绍了几种常用测厚系统的应用特点和性能指标。第三章：介绍激光CCD测厚系统的工作原理和仿真分析。第四章：给出搭建测厚系统测出玻璃厚度的过程。第五章：结论。包括设计中发现的问题，设计总结，工作展望。1.5 工作流程 原理分析实验测量数据仿真 数据对比 分析总结2 各种非接触测厚系统简介2.1 非接触测厚系统分类测厚系统按照形式共分为接触式、非接触式两大类。按照工作原理分为射线测厚系统、X射线测厚系统、涡流测厚系统、超声测厚系统、激光测厚系统、接触式测厚系统。我们在这里只讨论非接触厚度测量系统。非接触测厚仪有射线测厚系统、X射线测厚系统、涡流测厚系统、激光测厚系统等几种。2.2超声测厚系统超声波测厚系统是利用超声波在被测目标中的传播和反射的原理进行厚度测量超声波探头发出超声始波信号,通过耦合剂进入被测物体内部,传输过程中在被测目标上下表面各反射回一个声波信号界面波和底面回波,利用终端处理界面波和底面回波的相位差即可测量出被测目标的厚度,可以用下式来表达: H = vt /2 （式2.1） 其中: H被测目标厚度; v声波在被测目标的传播速度；t声波在被测目标中的传播时间。由于超声波在不同介质中传播的速度不同,必须修正材质不同引起的测量误差。目前超声波测厚仪达到的主要技术指标如下:1、测量厚度范围: 6500mm2、测量精度: 0. 1mm (最高) 3、被测物体温度: 802.3 穿透式射线测厚系统 射线是从原子核内部放出的不带电的光子流,穿透力极强。如果放射线源的半衰期足够长,在单位时间内放射出的射线量是一定的,即射线的发射强度I恒定。当射线穿透被测目标时,被测目标本身吸收了一定的射线能量(被吸收能量的多少取决于被测目标的厚度和材质等因素) 。如果我们能够测量被吸收后的射线强度,就可以知道被测目标的厚度。 穿透式射线测厚系统是最先出现的非接触式测厚系统,经过几十年的发展和应用比较完善。它的优点是稳定、寿命长、测量精度较高。由于射线测厚系统的计算公式中吸收系数是被测目标的厚度、温度、材质等的函数,因此在测量过程中必须向测量系统提供被测目标的温度、标准厚度、材质,否则测量结果将带来较大的误差。很重要的一点射线是一种对人体有害的射线,其穿透力极强。一般测厚仪使用的辐射剂量根据测量物体厚度和材质的不同,使用单位应制定相应的防止射线危害人体的有关规定,设立专门人员管理,明确限制进入管理区内的停留时间。现场使用的射线测厚系统主要技术参数如下: 1、厚度测量范围: 2100mm 2、最大厚度: 200mm3、标定精度: 0. 25% 4、测量精度: 0. 2% ( 25ms响应时间) ; 0. 13%(100ms响应时间) 5、响应时间:阶跃为1ms 6、过滤时间常数: 25ms或100ms 7、头部响应时间: 300ms 8、被测物体温度: 13002.4 X射线测厚系统 X射线测厚系统的优缺点与射线测厚系统基本相同。但是天然射线源比人造射线管稳定,因此射线测厚系统一般比X射线测厚系统稳定。X射线可以在关电后停止产生射线,但是再次启动后需要20min左右的稳定时期,然后可以进入测量状态。现场使用的X射线测厚仪主要技术参数如下: 1、厚度测量范围: 0.219mm;最大厚度: 25mm 2、测量精度: 0. 1% 3、响应时间: 30ms 4、标定时间: 34 s 5、头部响应时间: 300ms 6、被测物体温度: 13002.5 高频涡流测厚系统高频涡流测厚仪主要应用于测量金属板带的厚度。传感器感受的是被测物表面到传感器间距离的变化。为克服被测物表面不平整或者上下振动对测量的影响,通常在被测目标的两侧分别对称安装两个特性相同的传感器L1和L2。预先通过厚度给定系统移动传感器的位置,使X1= X2 = X0。若板厚不变而板材上下移动,则恒有X1 + X2= 2X0 , 输出电压总和为2U0。若被测厚度变化了H,则输出电压变为2U0+U。通过适当转换即可有偏差指示表指示出厚度的变化量。高频涡流测厚仪主要应用于目标厚度变化不大、环境好、被测目标运行平稳等场合。缺点主要是测量环境要求高、测量精度受外界因素影响大、不能测量高温物体。2.6 激光测厚系统 激光测厚系统是20 世纪80 年代随着激光技术、CCD技术的发展而研制的新一代在线、测厚系统。激光测厚系统突出优点是所测得的被测物厚度值与被测物的材质、温度和标准值无关;采用上下对称测量可以自动消除由于被测物的跳动、弯曲和振动所引入的测量误差,从而大大提高了动态测量的准确度。与射线测厚系统相比具有无辐射危害、测量稳定、操作简单、全数字化信号处理等特点。现场使用的激光测厚系统主要技术参数如下: 1、厚度测量范围: 1500mm 2、测量精度: 0. 05% 3、响应时间: 2ms 4、被测物体温度: 13002.7 各种测厚系统对比总结 X射线和射线测厚仪主要应用于被测物体厚度较小、生产线自动化程度比较高的场合,发展方向是提高检测元器件的灵敏度、减小射线源的剂量、提高射线管的稳定性,从而减小环境危害和提高测量精度; 激光测厚仪主要应用于被测物体厚度较大(5mm以上)各种生产线,尤其是中厚板和板坯的厚度测量,可以充分发挥测量范围大、测量精度与材质和温度无关的特点,发展方向是提高测量精度和进一步延长激光器的寿命,减少系统的维修次数。 由上述可知，从安全性和精确度以及响应时间和可操作性等方面来看，激光测厚系统都有无可比拟的技术优势。所以测量一块普通玻璃的厚度，非接触玻璃测厚系统应首选激光测厚系统。3 非接触玻璃测厚系统的工作原理及仿真分析3.1 系统组成系统主要由激光发射器、CCD传感器和待测平台及支架组成。激光发射器选用点状激光发射器6。3.1.1 激光发射器简介 我们在讨论光源的时候，一定要注意，光的平行性要好，最好是单色光，最好采用激光。这也是所有的厚度检测设备中都要考虑到的。 激光的历史却已有100多年。确切地说，远在1893年，在波尔多一所中学任教的物理教师布卢什就已经指出，两面靠近和平行镜子之间反射的黄钠光线随着两面镜子之间距离的变化而变化。他虽然不能解释这一点，但为未来发明激光发现了一个极为重要的现象。 1917年爱因斯坦提出“受激辐射”的概念，奠定了激光的理论基础。1958年美国科学家肖洛和汤斯发现了一种奇怪的现象：当他们将闪光灯泡所发射的光照在一种稀土晶体上时，晶体的分子会发出鲜艳的、始终会聚在一起的强光。由此他们提出了“激光原理”，受激辐射可以得到一种单色性、亮度又很高的新型光源。1958年，贝尔实验室的汤斯和肖洛发表了关于激光器的经典论文，奠定了激光发展的基础。1960年，美国人梅曼(T. H. Maiman)发明了世界上第一台红宝石激光器。梅曼利用红宝石晶体做发光材料，用发光度很高的脉冲氙灯做激发光源，获得了人类有史以来的第一束激光。1965年，第一台可产生大功率激光的器件-二氧化碳激光器诞生。1967年，第一台射线激光器研制成功。1997年，美国麻省理工学院的研究人员研制出第一台原子激光器。 激光器的种类很多，可分为固体、气体、液体、半导体和染料等五种类型。固体激光器一般小而坚固，脉冲辐射功率较高，应用范围较广泛。半导体激光器体积小、重量轻、寿命长、结构简单，特别适于在飞机、军舰、车辆和宇宙飞船上使用。半导体激光器可以通过外加的电场、磁场、温度、压力等改变激光的波长，能将电能直接转换为激光能，所以发展迅速。气体激光器以气体为工作物质，单色性和相干性较好，激光波长可达数千种，应用广泛。气体激光器结构简单、造价低廉、操作方便。在工农业、医学、精密测量、全息技术等方面应用广泛。气体激光器有电能、热能、化学能、光能、核能等多种激励方式。以液体染料为工作物质的染料激光器于1966年问世，广泛应用于各种科学研究领域。现在已发现的能产生激光的染料，大约在500种左右。这些染料可以溶于酒精、苯、丙酮、水或其他溶液。它们还可以包含在有机塑料中以固态出现，或升华为蒸汽，以气态形式出现。所以染料激光器也称为“液体激光器”。染料激光器的突出特点是波长连续可调。燃料激光器种类繁多，价格低廉，效率高，输出功率可与气体和固体激光器相媲美，应用于分光光谱、光化学、医疗和农业。红外激光器已有多种类型，应用范围广泛，它是一种新型的红外辐射源，特点是辐射强度高、单色性好、相干性好、方向性强。X射线激光器在科研和军事上有重要价值，应用于激光反导弹武器中具有优势；生物学家用X射线激光能够研究活组织中的分子结构或详细了解细胞机能;用X射线激光拍摄分子结构的照片,所得到的生物分子像的对比度很高。化学激光器有些化学反应产生足够多的高能原子，就可以释放出大能量，可用来产生激光作用。自由电子激光器这类激光器比其他类型更适于产生很大功率的辐射。它的工作机制与众不同，它从加速器中获得几千万伏高能调整电子束，经周期磁场，形成不同能态的能级，产生受激辐射。 激光发射器用光、电及其他办法对物质进行激励，使得其中一部分粒子激发到能量较高的状态，当这种状态的粒子数大于能量较低状态的粒子数时，由于受激辐射，物质就能对某一波长的光辐射产生放大作用，也就是这种波长的光辐射通过物质时，会发射强度放大并与入射光波位、频率和方向一致的光辐射，这种称为激光放大器。除自由电子激光器外，各种激光器的基本工作原理均相同，产生激光的必不可少的条件是粒子数反转和增益大过损耗，所以装置中必不可少的组成部分有激励（或抽运）源、具有亚稳态能级的工作介质两个部分。激励是工作介质吸收外来能量后激发到激发态，为实现并维持粒子数反转创造条件。激励方式有光学激励、电激励、化学激励和核能激励等。工作介质具有亚稳能级是使受激辐射占主导地位，从而实现光放大。激光器中常见的组成部分还有谐振腔，但谐振腔（ 见光学谐振腔）并非必不可少的组成部分，谐振腔可使腔内的光子有一致的频率、相位和运行方向，从而使激光具有良好的方向性和相干性。而且，它可以很好地缩短工作物质的长度，还能通过改变谐振腔长度来调节所产生激光的模式（即选模），所以一般激光器都具有谐振根据工作物质物态的不同可把所有的激光器分为以下几大类：固体激光器（晶体和玻璃），这类激光器所采用的工作物质，是通过把能够产生受激辐射作用的金属离子掺入晶体或玻璃基质中构成发光中心而制成的气体激光器，它们所采用的工作物质是气体，并且根据气体中真正产生受激发射作用之工作粒子性质的不同，而进一步区分为原子气体激光器、离子气体激光器、分子气体激光器、准分子气体激光器等液体激光器，这类激光器所采用的工作物质主要包括两类，一类是有机荧光染料溶液，另一类是含有稀土金属离子的无机化合物溶液,其中金属离子（如Nd）起工作粒子作用，而无机化合物液体（如SeOCl2）则起基质的作用半导体激光器，这类激光器是以一定的半导体材料作工作物质而产生受激发射作用，其原理是通过一定的激励方式(电注入、光泵或高能电子束注入)，在半导体物质的能带之间或能带与杂质能级之间，通过激发非平衡载流子而实现粒子数反转，从而产生光的受激发射作用自由电子激光器，这是一种特殊类型的新型激光器，工作物质为在空间周期变化磁场中高速运动的定向自由电子束，只要改变自由电子束的速度就可产生可调谐的相干电磁辐射，原则上其相干辐射谱可从X射线波段过渡到微波区域，因此具有很诱人的前景。3.1.2 CCD传感器器简介 电荷藕合器件图像传感器CCD（Charge Coupled Device），它是由一种高感光度的半导体材料制成，能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号，数字信号经过压缩以后由相机内部的闪速存储器或内置硬盘卡保存，因而可以轻而易举地把数据传输给计算机，并借助于计算机的处理手段，根据需要和想像来修改图像。电荷耦合器件7是70年代初由美国贝尔实验室的W.S.Boyle和G.E.Smith等人研制成功的一种新型半导体器件，这种器件的突出特点是以电荷作为信号，而不同于其他大多数器件（以电流或电压作为信号）。CCD有两种基本类型：一种是电荷包存贮在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面传输，这类器件称为表面沟道电荷耦合器件（简称SCCD）；另一种是电荷包存贮在离半导体表面一定深度的体内，并在半导体内沿一定方向传输，这类称为体内沟道或埋沟道电荷耦合器件（简称BCCD）。电荷耦合器件是在MOS晶体管的基础上发展起来的，虽为MOS结构，但与MOS晶体管的工作原理不同，MOS晶体管是利用在电极下的半导体表面形成的反型层进行工作的，而CCD是利用在电极下SiO2 半导体界面形成的深耗尽层（势阱）进行工作的，属非稳态器件。CCD，英文全称：Charge-coupled Device，中文全称：电荷耦合元件。可以称为CCD图像传感器。CCD是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。 CCD上植入的微小光敏物质称作像素（Pixel）。一块CCD上包含的像素数越多，其提供的画面分辨率也就越高。CCD的作用就像胶片一样，但它是把图像像素转换成数字信号。CCD上有许多排列整齐的电容，能感应光线，并将影像转变成数字信号。经由外部电路的控制，每个小电容能将其所带的电荷转给它相邻的电容。机械量测量中有关形状和尺寸的信息以图像方式表达最为方便。目前较为实用的图像传感器为电荷耦合器件（Charge Couple Device简称CCD）。它分为线阵CCD和面阵CCD两种。前者用于尺寸和位移的测量，后者用于平面图形、文字的传递等。目前面阵CCD已作为固态摄像器用于可视电话和闭路电视等，在生产过程的监视和楼宇安保系统等领域的应用也日趋广泛。以市面上常见的IL 型 CCD 为例，曝光之后所有产生的电荷都会被转移到邻近的移位暂存器中，并且逐次逐行的转换成信号流从矩阵中读取出来。这些强弱不一的讯号，会被送入一个 DSP 也就是数位影像处理单元。在这个单元之中有一个A/D 类比数位讯号转换器。这个转换器能将信号的连续范围配合色块码赛克的分布，转换成一个2D的平面表示系列，它让每个画素都有一个色调值，应用这个方法，再由点组成网格，每一个点（画素）现在都有用以表示它所接受的光量的二进位数据，可以显示强弱大小，最终再整合影像输出性能（以三种常见CCD为例）。（1）Interline 型 CCD 的优点在于曝光后即可将电荷储存于暂存器中，元件可以继续拍摄下一张照片，因此速度较快，目前的反应速度以已经可达每秒 15张以上。但 IL 的缺点则是暂存区占据了感光点的面积，因此动态范围（Dynamic Range - 系统最亮与最暗之间差距所能表现的程度）较小。不过由于其速度快、成本较低，因此市面上超过 86以上的数位相机都以 IL 型 CCD 为感光元件；（2）Full-Frame 全像 CCD是一种架构更简单的感光设计。有鉴于 IL 的缺点，FF改良可以利用整个感光区域（没有暂存区的设计），有效增大感光范围，同时也适用长时间曝光。其曝光过程和 Interline 相同，不过感光和电荷输出过程是分开。因此，使用 FF CCD的数位相机在传送电荷资讯时必须完全关闭快门，以隔离镜头入射的光线，防止干扰。这也意味着 FF 必须使用机械快门（无法使用 IL 的电子 CLOCK 快门），同时也限制了FF CCD的连续拍摄能力。Full-Frame CCD 大多被用在顶级的数位机背上。（3）Frame-Transfer 全传 CCD的架构则是介于 IL 和 FF 之间的产品，它分成两个部分上半部分是感光区，下半部则是暂时存储区。整体来说 Frame-Transfer CCD 非常的类似 Full-Frame CCD，它的特点在于直接规划了一个大型暂存区。一旦FT CCD 运作，它可以迅速将电荷转移到下方的暂存区中，本身则可以继续曝光拍照。这个设计，让FT 同IL 一样可以使用电子快门，但同时也可增加感光面积和速度。FT CCD 主要是由 荷兰 Philips 公司开发，后来技术移转给 SANYO 公司发展成 VPMIX 技术。三洋对 VPMIX 的改良相当成功，使它的数位相机能兼具静态和动画的拍摄能力。CCD图像传感器可直接将光学信号转换为数字电信号，实现图像的获取、存储、传输、处理和复现。其显著特点是：1.体积小重量轻；2.功耗小，工作电压低，抗冲击与震动，性能稳定，寿命长；3.灵敏度高，噪声低，动态范围大；4.响应速度快，有自扫描功能，图像畸变小，无残像；5.应用超大规模集成电路工艺技术生产，像素集成度高，尺寸精确，商品化生产成本低。因此，许多采用光学方法测量外径的仪器，把CCD器件作为光电接收器。 CCD从功能上可分为线阵CCD和面阵CCD两大类。线阵CCD通常将CCD内部电极分成数组，每组称为一相，并施加同样的时钟脉冲。所需相数由CCD芯片内部结构决定，结构相异的CCD可满足不同场合的使用要求。线阵CCD有单沟道和双沟道之分，其光敏区是MOS电容或光敏二极管结构，生产工艺相对较简单。它由光敏区阵列与移位寄存器扫描电路组成，特点是处理信息速度快，外围电路简单，易实现实时控制，但获取信息量小，不能处理复杂的图像。面阵CCD的结构要复杂得多，它由很多光敏区排列成一个方阵，并以一定的形式连接成一个器件，获取信息量大，能处理复杂的图像。CCD广泛应用在数码摄影、天文学，尤其是光学遥测技术、光学与频谱望远镜，和高速摄影技术如Lucky imaging。CCD在摄像机、数码相机和扫描仪中应用广泛，只不过摄像机中使用的是点阵CCD，即包括x、y两个方向用于摄取平面图像，而扫描仪中使用的是线性CCD，它只有x一个方向，y方向扫描由扫描仪的机械装置来完成四十年来，CCD器件及其应用技术的研究取得了惊人的进展，特别是在图像传感和非接触测量领域的发展更为迅速。随着CCD技术和理论的不断发展，CCD技术应用的广度与深度必将越来越大。CCD是使用一种高感光度的半导体材料集成，它能够根据照射在其面上的光线产生相应的电荷信号，在通过模数转换器芯片转换成“0”或“1”的数字信号，这种数字信号经过压缩和程序排列后，可由闪速存储器或硬盘卡保存即收光信号转换成计算机能识别的电子图像信号，可对被侧物体进行准确的测量、分析。 含格状排列像素的CCD应用于数码相机、光学扫瞄仪与摄影机的感光元件。其光效率可达70%(能捕捉到70%的入射光)，优于传统菲林（底片）的2%，因此CCD迅速获得天文学家的大量采用。 传真机所用的线性CCD影像经透镜成像于电容阵列表面后，依其亮度的强弱在每个电容单位上形成强弱不等的电荷。传真机或扫瞄仪用的线性CCD每次捕捉一细长条的光影，而数码相机或摄影机所用的平面式CCD则一次捕捉一整张影像，或从中撷取一块方形的区域。一旦完成曝光的动作，控制电路会使电容单元上的电荷传到相邻的下一个单元，到达边缘最后一个单元时，电荷讯号传入放大器，转变成电位。如此周著复始，直到整个影像都转成电位，取样并数位化之后存入内存。储存的影像可以传送到打印机、储存设备或显示器。 在数码相机领域，CCD的应用更是异彩纷呈。一般的彩色数码相机是将拜尔滤镜（Bayer filter）加装在CCD上。每四个像素形成一个单元，一个负责过滤红色、一个过滤蓝色，两个过滤绿色(因为人眼对绿色比较敏感)。结果每个像素都接收到感光讯号，但色彩分辨率不如感光分辨率。 用三片CCD和分光棱镜组成的3CCD系统能将颜色分得更好，分光棱镜能把入射光分析成红、蓝、绿三种色光，由三片CCD各自负责其中一种色光的呈像。所有的专业级数位摄影机，和一部份的半专业级数位摄影机采用3CCD技术。目前，超高分辨率的CCD芯片仍相当昂贵，配备3CCD的高解析静态照相机，其价位往往超出许多专业摄摄影者的预算。因此有些高档相机使用旋转式色彩滤镜，兼顾高分辨率与忠实的色彩呈现。这类多次成像的照相机只能用于拍摄静态物品。 经冷冻的CCD同时在90年代初亦广泛应用于天文摄影与各种夜视装置，而各大型天文台亦不断研发高像数CCD以拍摄极高解像之天体照片。 CCD在天文学方面有一种奇妙的应用方式，能使固定式的望远镜发挥有如带追踪望远镜的功能。方法是让CCD上电荷读取和移动的方向与天体运行方向一致，速度也同步，以CCD导星不仅能使望远镜有效纠正追踪误差，还能使望远镜记录到比原来更大的视场。 一般的CCD大多能感应红外线，所以衍生出红外线影像、夜视装置、零照度(或趋近零照度)摄影机/照相机等。为了减低红外线干扰，天文用CCD常以液态氮或半导体冷却，因室温下的物体会有红外线的黑体辐射效应。CCD对红外线的敏感度造成另一种效应，各种配备CCD的数码相机或录影机若没加装红外线滤镜，很容易拍到遥控器发出的红外线。降低温度可减少电容阵列上的暗电流，增进CCD在低照度的敏感度，甚至对紫外线和可见光的敏感度也随之提升（信噪比提高）。 温度噪声、暗电流（dark current）和宇宙辐射都会影响CCD表面的像素。天文学家利用快门的开阖，让CCD多次曝光，取其平均值以缓解干扰效应。为去除背景噪声，要先在快门关闭时取影像讯号的平均值，即为暗框(dark frame)。然后打开快门，取得影像后减去暗框的值，再滤除系统噪声(暗点和亮点等等)，得到更清晰的细节。 天文摄影所用的冷却CCD照相机必须以接环固定在成像位置，防止外来光线或震动影响；同时亦因为大多数影像平台生来笨重，要拍摄星系、星云等暗弱天体的影像，天文学家利用“自动导星”技术。大多数的自动导星系统使用额外的不同轴CCD监测任何影像的偏移，然而也有一些系统将主镜接驳在拍摄用之CCD相机上。以光学装置把主镜内部份星光加进相机内另一颗CCD导星装置，能迅速侦测追踪天体时的微小误差，并自动调整驱动马达以矫正误差而不需另外装置导星。 实验中测厚系统使用维视图像25mm面阵CCD传感器21。3.2 工作原理测量系统利用几何光学中光的反射和折射原理89。如图4所示为系统测量原理示意图。半导体激光器发出的激光为光线P0,当光线P0以一定的角度射向玻璃板时,其中一大部分会在玻璃板上表面直接反射出光线P1到CCD传感器19前的光屏上,其反射角和入射角T1相等,小部分光线经过空气和玻璃界面折射出光线P2。 图3.1 非接触测量系统原理图 容易光学理论得出光线P1、光线P2平行,光线P1和光线P2之间的距离L和玻璃厚度d存在着某种联系，如果能确定他们之间的关系式就可以通过线阵CCD检测计算两条光线的垂直距离来推算玻璃板的实际厚度尺寸10。设空气与玻璃的折射率分别为1、n, 光线的入射角为T0 , 玻璃内部的折射角为T1 , 则可以得到: （式3.1）在CCD 上检测到的光线P1 和光线P2之间的距离L 在入射角固定的情况下与玻璃板的实际厚度d 是线性的比例关系11。 （式3.2） 即： （式3.3） 其中K为线性系数测量时通过处理CCD 数据 L得到d 的值,从而可得出玻璃厚度d 可以简化为: （式3.4）当激光入射角度为一定值时，线性系数K也自然为一定值，只要读出L值就可解得玻璃厚度值d。3.3 仿真分析3.3.1 仿真工具简介 本论文所用到的仿真工具为MATLAB12,MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。MATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。 MATLAB和Mathematica、Maple、MathCAD并称为四大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连 接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等软件的优点，使MATLAB成为一个强大的数学软件。MATLAB的优势如下： （1）友好的工作平台和编程环境MATLAB由一系列工具组成。这些工具方便用户使用MATLAB的函数和文件，其中许多工具采用的是图形用户界面。包括MATLAB桌面和命令窗口、历史命令窗口、编辑器和调试器、路径搜索和用于用户浏览帮助、工作空间、文件的浏览器。随着MATLAB的商业化以及软件本身的不断升级，MATLAB的用户界面也越来越精致，更加接近Windows的标准界面，人机交互性更强，操作更简单。而且新版本的MATLAB提供了完整的联机查询、帮助系统，极大的方便了用户的使用。简单的编程环境提供了比较完备的调试系统，程序不必经过编译就可以直接运行，而且能够及时地报告出现的错误及进行出错原因分析。（2）简单易用的程序语言Matlab一个高级的矩阵/阵列语言，它包含控制语句、函数、数据结构、输入和输出和面向对象编程特点。用户可以在命令窗口中将输入语句与执行命令同步，也可以先编写好一个较大的复杂的应用程序（M文件）后再一起运行。新版本的MATLAB语言是基于最为流行的C语言基础上的，因此语法特征与C语言极为相似，而且更加简单，更加符合科技人员对数学表达式的书写格式。使之更利于非计算机专业的科技人员使用。而且这种语言可移植性好、可拓展性极强，这也是MATLAB能够深入到科学研究及工程计算各个领域的重要原因。（3）强大的科学计算机数据处理能力MATLAB是一个包含大量计算算法的集合。其拥有600多个工程中要用到的数学运算函数，可以方便的实现用户所需的各种计算功能。函数中所使用的算法都是科研和工程计算中的最新研究成果，而前经过了各种优化和容错处理。在通常情况下，可以用它来代替底层编程语言，如C和C+ 。在计算要求相同的情况下，使用MATLAB的编程工作量会大大减少。MATLAB的这些函数集包括从最简单最基本的函数到诸如矩阵，特征向量、快速傅立叶变换的复杂函数。函数所能解决的问题其大致包括矩阵运算和线性方程组的求解、微分方程及偏微分方程的组的求解、符号运算、傅立叶变换和数据的统计分析、工程中的优化问题、稀疏矩阵运算、复数的各种运算、三角函数和其他初等数学运算、多维数组操作以及建模动态仿真等。（4）出色的图形处理功能 MATLAB自产生之日起就具有方便的数据可视化功能，以将向量和矩阵用图形表现出来，并且可以对图形进行标注和打印。高层次的作图包括二维和三维的可视化、图象处理、动画和表达式作图。可用于科学计算和工程绘图。新版本的MATLAB对整个图形处理功能作了很大的改进和完善，使它不仅在一般数据可视化软件都具有的功能（例如二维曲线和三维曲面的绘制和处理等）方面更加完善，而且对于一些其他软件所没有的功能（例如图形的光照处理、色度处理以及四维数据的表现等），MATLAB同样表现了出色的处理能力。同时对一些特殊的可视化要求，例如图形对话等，MATLAB也有相应的功能函数，保证了用户不同层次的要求。另外新版本的MATLAB还着重在图形用户界面（GUI）的制作上作了很大的改善，对这方面有特殊要求的用户也可以得到满足。（5）应用广泛的模块集合工具箱MATLAB对许多专门的领域都开发了功能强大的模块集和工具箱。一般来说，它们都是由特定领域的专家开发的，用户可以直接使用工具箱学习、应用和评估不同的方法而不需要自己编写代码。目前，MATLAB已经把工具箱延伸到了科学研究和工程应用的诸多领域，诸如数据采集、数据库接口、概率统计、样条拟合、优化算法、偏微分方程求解、神经网络、小波分析、信号处理、图像处理、系统辨识、控制系统设计、LMI控制、鲁棒控制、模型预测、模糊逻辑、金融分析、地图工具、非线性控制设计、实时快速原型及半物理仿真、嵌入式系统开发、定点仿真、DSP与通讯、电力系统仿真等，都在工具箱（Toolbox）家族中有了自己的一席之地。（6）实用的程序接口和发布平台新版本的MATLAB可以利用MATLAB编译器和C/C+数学库和图形库，将自己的MATLAB程序自动转换为独立于MATLAB运行的C和C+代码。允许用户编写可以和MATLAB进行交互的C或C+语言程序。另外，MATLAB网页服务程序还容许在Web应用中使用自己的MATLAB数学和图形程序。MATLAB的一个重要特色就是具有一套程序扩展系统和一组称之为工具箱的特殊应用子程序。工具箱是MATLAB函数的子程序库，每一个工具箱都是为某一类学科专业和应用而定制的，主要包括信号处理、控制系统、神经网络、模糊逻辑、小波分析和系统仿真等方面的应用。（7）应用软件开发在开发环境中，使用户更方便地控制多个文件和图形窗口；在编程方面支持了函数嵌套，有条件中断等；在图形化方面，有了更强大的图形标注和处理功能，包括对性对起连接注释等；在输入输出方面，可以直接向EXCEL和HDF5进行连接。 本设计仿真过程中主要应用了matlab 的绘图和矩阵功能。3.3.2 最佳入射角的确定由上述可知，当玻璃厚度和玻璃折射率为一定值时，随着入射角T0的改变反射光线和折射光线之间的间距L也会随之改变。为了避免在CCD传感器前部的光屏上出现光斑重叠现象，就应使得L尽可能大。这时就要求激光束入射角为最佳入射角1314并且调整激光束光斑为最小值。查资料可知，普通玻璃折射率n 一般在1.50001.7000，在仿真实验中可取n 值为1.5000，默认空气折射率为1.0000。待测玻璃厚度为35mm，先取其中最小值，即玻璃厚度d=0.003m。此时 （式3.5）按照此映射关系在matlab中编写正确程序T0为输入向量，步长设置为0.5，L为输出向量，可得到T0和L的数据如下： 图3.2 T0和L对应数据 图3.3 入射角T0和间距L关系图 分析数据和两者关系曲线图可知如果激光束入射角向量设置为步长0.5就会在matlab中生成181个数据。随着入射角T0的增大，光斑间距L先增大然后到达最高点后随着T0的增大而变小。当T0为0和90时，L都为零。当T0为输入向量第89至110个数据时L都有最大值，取中间值第100个数据即49时L有最大值0.0023m。整个T0L 曲线图呈典型二次函数形。 再取最大值，即玻璃厚度d=0.005m。此时也有 （式3.6）同理在matlab中编写正确程序可得到T0和L的数据 图3.4 T0和L对应数据 图3.5 入射角T0和间距L关系图 分析数据和两者关系曲线图可知当T0为输入向量第89至110个数据时L都有最大值，取中间值第100个数据即49时L有最大值0.0038m。此曲线图和d为3mm时仿真曲线图大致形状相同，纵坐标光斑距离L在数值上稍大于前者。 综上所述当玻璃厚度在35mm范围内变化时，激光束的最佳入射角度可以确定为49。此时可以在CCD传感器15 前部的光屏上呈现最大光斑间距L。3.3.3 玻璃厚度当玻璃折射率和激光入射角都为定值时，光线间距L和玻璃厚度d呈线性关系1617。在matlab中输入正确程序得到距离向量d和光线间距L的数据如下图所示： 图3.6 光线间距L和玻璃厚度d 对应数据绘制两者关系图得到： 图3.7 玻璃厚度d 和光线间距L关系图观察并分析上图可知，光斑间距L与玻璃厚度呈完全线性关系，随着玻璃厚度的增加光斑距离L也增加，直线斜率约为0.78.仿真时输入向量步长设置为0.00002m在matlab中生成了101组数据。导出matlab中数据到excel表格，当激光间距L已知便可快速查找出对应的玻璃厚度d。 图3.8 玻璃厚度和光