光电检测与显示实验五 线阵CCD应用实验

1、.实验5 线阵 C CD 应用实验电荷耦合器件（Charge coupled devices）是 70 年代初期发现的新型集成光电传感器件。它有线阵列与面阵列两种基本类型，各有不同的工作原理与特性。它们的应用为机器视觉领域的改革创新立下了汗马功劳，使机器有了获取 70%以上信息的能力，加之它易于与计算机配合，使机器安装“眼睛”与“大脑”成为可能，使机器走向自动化、智能化的趋势进入现实阶段。 线阵 CCD 的工作原理简单，易于掌握，而它在机器视觉领域的地位举足轻重。线阵 CCD 通常用于工业领域的非接触自动检测设备上，尤其是自动化生产过程或生产线上，用作在线非接触光电检测设备或俗称为“电眼”。非

2、接触检测物体的尺寸、运动速度、加速度、运动规律、位置、面形、粗糙度、变形量、光学特性变化、条码信息和其他应用。本实验共有 9 项实验内容，前 2 项实验属于原理性或认识性实验，实验 39 属于典型应用的实验，学生通过这些代表性的应用实验能够充分认识与理解线阵CCD 在工业领域非接触测量工作中的重要地位。（一） 线阵 CCD 原理与驱动特性一、实验目的 1、 掌握彩色线阵 CCD 开发应用实验仪的基本操作和功能。 2、 掌握用双踪迹示波器观测二相线阵 CCD 驱动脉冲的频率、幅度、周期和各路驱动脉冲之间的相位关系等测量方法。 3、 通过对典型线阵 CCD 驱动脉冲的时序和相位关系的观测，掌握二相

3、线阵 CCD的基本工作原理，尤其要掌握 RS 复位脉冲与 CR1、CR2 驱动脉冲间的相位关系，分析它对 CCD 输出信号的影响。SH 转移脉冲与 CR1、CR2 驱动脉冲间的相位关系，掌握电荷转移的几个过程。 二、实验仪器1. LCCDAD-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 计算机一台； 3. 双踪迹同步示波器（推荐使用数字示波器，带宽应在 50MHz 以上）一台； 三、实验内容及步骤 图 1-1 线阵 CCD 的参数设置界面 1实验预备 （1） 首先将示波器的地线与实验仪上的接地线连接好，并确认示波器和实验仪的电源插头均已插入交流 220

4、V 电源插座上； （2） 取出双踪迹同步示波器的测试探头待用； （3） 打开示波器的电源开关，选择自动测试方式（按下示波器右上角“自动设置”按钮），旋转“垂直设置”旋钮，调整显示屏上出现的扫描线处于便于观察的位置； （4） 通过 USB 总线将实验仪与计算机或 GDS-实验平台的 USB 输入端口相连；（5） 将 LCCDAD-A 型线阵 CCD 应用开发实验仪的电源开关打开，红色指示灯亮；（6）启动计算机， 打开桌面上的快捷方式“线阵CCD”，点击“1-LV”，弹出如图 1-1 所示的执行界面，点击需要设置的参数，该参数会以较大数字显示在下方，用鼠标点击“设置”，完成设置工作。 2观察驱动脉

5、冲相位（1） 开机后，先按图 1-1 的界面设置好线阵 CCD 的积分时间和驱动频率等参数，将其全部设置为“0”档； （2） 示波器测试笔 CH1 和 CH2 分别接到实验仪面板上标注的各个脉冲（例如 CH1 扫描线在上，CH2在下），然后用 CH1 为同步输入，对照“附录一”所给出的 TCD2252D 的驱动波形进行下面的测试实验。 （3） 测试笔 CH1 接到仪器面板上的转移脉冲SH 输出端上，按下示波器右上角“自动设置”按钮，调节示波器的触发脉冲电平旋钮使示波器显示波形稳定，出现三个稳定的尖峰脉冲，即表示示波器以被 SH 同步。再调节示波器的“水平设置”旋钮下方的“秒/格”旋钮，使 SH

6、 脉冲的宽度适合观测，以能够观察到一个或二个周期为最佳。然后，用测试笔 CH2 分别接到仪器表面板上标有“CR1”与“CR2”字样的测试端口，观测 SH 与 CR1、CR2 的相位关系，为更清楚地观测，可以将示波器的扫描频率加快，使 SH 的正脉冲展宽，能清楚地观测到 SH 与 CR1、CR2 的相位关系，注意观测 SH 脉冲的下降沿发生在 CR1 脉冲的“高”还是“低”电平的位置上； （4） 测试笔 CH1 移至 CR1 信号输出端，用示波器探头 CH2 分别测量 CR2、RS、CP、SP 信号，观测 CR1 与 CR2、RS、CP、SP 信号之间的相位关系，注意 RS 脉冲与 CR1、CR

7、2 的边沿位置关系。 （5） 测试笔 CH1 探头接 CP 信号输出端，用 CH2 探头分别测量 RS、SP，观测 CP与 RS、SP 信号之间的相位关系。 （6） 以上测得的波形与相位关系与“附录一”所示 TCD2252D 的驱动波形对照，分析实验仪的真正驱动脉冲与手册上所给脉冲之差异。 3驱动频率和积分时间测量 （1） 用示波器依次测量线阵 CCD 驱动器的 4 个档位驱动脉冲 CR1、CR2 和复位脉冲RS 的周期、频率与幅度等参数，并分别填入表 1-1； 表1-1 驱动频率与周期（2） 观察它们之间的相位关系，尤其注意复位脉冲 RS 与 CR1 之间的相位关系，分析为什么复位脉冲 RS

8、 产生于 CR1 由高变低之后的一段时间；（3） 观测调整积分时间设置时驱动频率 f 是否跟随变化？调整驱动频率 f 时积分时间ting 是否跟随变化？ （4） 将 CCD 的驱动频率设置为“0”档，积分时间也设置为“0”档。用测试笔CH1 测 FC（以它为同步信号），用测试笔 CH2 测量 SH，观察两者的周期是否相同，记录FC 信号的周期。通过实验仪面板上的积分时间和驱动频率的调整按钮进行调节，并将不同驱动频率档和积分时间档次下的 FC 周期填入下表 1-2 中。 表 1-2 积分时间的测量驱动频率0驱动频率1驱动频率2驱动频率3积分时间(档)周期(ms)频率(Hz)积分时间(档)周期(m

9、s)频率(Hz)积分时间(档)周期(ms)频率(Hz)积分时间(档)周期(ms)频率(Hz)012345678910154CCD 输出信号的测量 （1） 将实验仪积分时间设置为“0”档，驱动频率设置在“0”档； （2） 用示波器 CH1 探头测量 FC 信号，调节示波器扫描频率，使屏上至少显示 2 个FC 的周期波形；用 CH2 探头测量实验仪的彩色线阵 CCD 的绿色信号 UG 输出端子，将实验仪器顶部的上盖拿掉，用遮挡部分光路的方式改变入射到 CCD 像面上的光强度。观察UG 的输出信号应该有所变化； （3） 若将成像物镜遮挡大部或干脆全部盖住，UG 的输出信号波形将变为最低的直线； （4

10、） 保持 CH1 探头的测量内容不变，调出改变积分时间的软件，进行积分时间的调整，先逐渐增加积分时间，同时，用 CH2 探头分别测量 UG、UR 和 UB 信号，观测这三个信号在积分时间改变过程中的变化情况； （5） 分别将 CH1 探头接至 SH 与 FC，调节示波器使之同步，观测 SH 波形和 CCD输出信号波形之间的相位关系。重复上述步骤观测 FC 波形和 CCD 输出波形之间的相位关系，比较上述两种相位关系的差异。 （6） 将实验仪的上盖打开，将成像物镜恢复到初始状态（取下镜头盖），再将扫描装置拆掉，（将扫描装置上的 4 个螺丝旋下便可将滚筒拿下），将被测圆柱物体安放到台上的圆孔处，调

11、整好成像物镜的焦距，使示波器能够观测到比较陡直的输出信号波形，然后，再观察积分时间或驱动频率的变化对输出信号幅度的影响。 （7） 分析为什么积分时间的变化会影响线阵 CCD 输出信号的幅度。 思考题： 1、 说明RS 脉冲、SP 脉冲和 CP 脉冲的作用，输出信号与 CR1、CR2 周期的关系。 2、 解释为何在同样参数设置的情况下，彩色线阵 CCD 输出信号 UR、UG、UB 的幅度会出现较大的差异，差异产生的原因有那些？（二） 线阵CCD输出特性的测量一、实验目的1. 测量典型彩色线阵CCD器件在不同驱动频率和积分时间下输出的信号波形，进一步掌握彩色线阵CCD的基本特性，加深积分时间对CC

12、D输出信号影响的认识，掌握驱动频率和积分时间设置的意义。2. 正确理解彩色线阵CCD器件的光照灵敏度参数、饱和曝光量与饱和“溢出”的等特性。3. 通过对典型线阵CCD的输出信号和驱动脉冲相位关系的测量，掌握线阵CCD的基本特性。特别注意对积分时间、驱动频率、输出信号幅度等测量结果的分析。找出积分时间、驱动频率与输出信号幅度间的关系，观察FC脉冲与输出信号的相位关系，说明FC脉冲的意义。二、实验仪器1、 LCCDAD-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计算机一台；3、 双踪迹同步示波器（带宽50MHz以上）一台；三、实验内容及步骤1实验预备（1） 将示波器

13、的地线与实验仪的地线连接好，并确认实验仪、示波器和PC计算机的电源插头均已插入交流220V的插座上；（2） 通过USB总线将实验仪与计算机或GDS-光电综合实验平台的USB输入端口相连；（3） 打开计算机的电源或光电综合实验平台的计算机电源，并进入线阵CCD基本特性的测量实验软件；（4） 打开示波器电源开关，调整好示波器。（5） 打开实验仪的电源开关，用示波器测量CR1、CR2、FC、RS、SP、CP各路驱动脉冲信号的波形，并与“附录一”中所示波形对比。应该与附图3所示的波形基本相符，表明仪器工作正常，继续进行下面实验；否则，应请指导教师检查。2驱动频率变化对CCD输出波形影响的测量（1） 将

14、示波器CH1和CH2的扫描线调整至适当位置，设置CH1所测信号为同步信号。（2） 在如图1-1所示的软件界面菜单提示下将线阵CCD的驱动频率设置为适当的档位，例如“0”档，再设置积分时间的档位，例如设置积分时间为“0”挡。（3） 用示波器CH1探头测量FC脉冲，仔细调节使之同步稳定，调节示波器使示波器显示至少2个稳定的FC周期，用测试笔CH2测量Uo(泛指UR、UG、UB)信号。（4） 调整CCD成像物镜镜头的光圈，观测Uo信号幅度的变化，将光圈调整至UG信号接近“0V”位置处停止调整光圈，将任意测量物体插入支撑架上，盖上遮光盖，然后进行下面的实验。（5） 保持示波器探头的接法不变，示波器使始

15、终能够显示2个FC脉冲的周期，改变驱动频率，先设置为“1”档，观测FC与CCD输出信号UG的幅度。（6） 再调节CCD的驱动频率至“2”档和“3”档，观测输出信号UG幅度的变化，进行记录，添入表2-1。3积分时间与输出信号测量（1） 保持实验仪的其他设置不变，将实验仪驱动频率设置恢复为“0”档，并确认积分时间的设置也处于“0”档。（2） 用示波器CH1探头测量FC脉冲，调节示波器使之同步稳定，并至少显示两个周期。用CH2探头测量Uo信号。（3） 在如图1-1所示的软件界面菜单的提示下，调节积分时间的设置，逐步增加积分时间，测出输出信号Uo的幅度(VH是高电平，VL是低电平)值，添入表2-1。表

16、2-1添满后，以积分时间为横坐标，以输出信号Uo的幅度为纵坐标，画输出特性曲线，观察CCD输出信号与积分时间的关系，当CCD出现饱和后，积分时间与输出的信号又如何？（4） 改变驱动频率（即调节驱动频率设置，从“0”至“3”），重复上述实验，观测波形变化情况并做相应记录。（5） 写出实验报告，说明CCD输出信号与积分时间的关系，并用势阱理论对输出信号幅度随积分时间的变化而变化的现象进行解释。表2-1 输出信号幅度与积分时间的关系驱动频率0档输出信号Uo驱动频率1档输出信号Uo积分时间（档）FC周期（ms）输出幅度（VH）输出幅度（VL）积分时间（档）FC周期（ms）输出幅度（VH）输出幅度（VL

17、）00000202040406060808101012121414驱动频率2档输出信号Uo驱动频率3档输出信号Uo000002020404060608081010121214144结束与关机上述实验完成，并达到实验目的，便可结束实验。（1） 先将软件程序退出，再关闭计算机系统；（2） 关闭实验仪的电源；（3） 关闭示波器的电源；（4） 将总电源关闭；（5） 将实验仪器及其用具收拾好，工具放到指定位置；（6） 将所做实验数据交于实验指导老师审查，合格后方可离开实验室。五、实验总结1、 解释为什么驱动频率对积分时间会有影响？2、 解释为什么在入射光不变的情况下积分时间的变化会对输出信号有影响？这对

18、CCD的应用有何指导意义？3、 进一步增加积分时间以后，输出信号的宽度会变宽吗？为什么？如果产生“变宽了”的现象说明线阵CCD进入了什么工作状态？4、 如果输入到线阵CCD光敏面上的光太强或积分时间太长，使线阵CCD器件工作到饱和状态，此时线阵CCD输出信号的幅度会怎样变化？5、 观察线阵CCD进入饱和工作状态前与后输出信号的变化情况，分析线阵CCD进入饱和工作状态后的溢出情况，尤其是发生溢出后信号电荷益处的方向，讨论这个问题对应用线阵CCD有何指导与借鉴的意义？（三） 利用线阵CCD进行物体外形尺寸的测量一、实验目的掌握利用线阵CCD进行非接触测量物体尺寸的基本原理和方法。二、实验原理1.

19、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

20、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，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，便可以用下面公式计算出物体A的实际尺寸D （3-1）显然，只要求出，就不难测出物体A的实际尺寸D。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。图3-1 物体尺寸测量系统的光学系统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C

21、CD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。图3-3二值化电路再进行逻辑处理，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

22、。物体A 在像方的尺寸为 （3-2）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 （3-3）3. 二值化处理电路原理方框图 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（N2N1），锁存器锁存的数为（N2N1），将其差值送入（N2N1）LED数码显示器，则显示出（N2N1）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、实验仪器1、 LCCDAD-A型

23、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-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1) 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

24、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，将在屏幕上弹出如图3-6所示的物体外形尺寸测量实验软件界面；图3-6所示界面中尽管标写“LCCDAD-”字样，照样适用于“LCCDAD-A型”实验仪。其中“打开”菜单是为打开原来曾保存过的数据文件进行察看而设，“保存” 菜单为将所测量的数据保存到指定文件夹而设定。实验时点击“连续”菜单，仪器便执行连续采集线阵CCD的输出信号；其中“单

25、次”是只采集线阵CCD输出一行的信号，并将其显示在计算机界面上；“数据”与“曲线”菜单分别用来以数据方式还是以曲线波形方式显示所采得的数据信号；“0ms”为曲线波形在计算机界面上停留显示的最短时间，以便实验者能够快速地观测到信号波形的变化，但是它不可能为“零”，它与计算机的性能有关。它右边的“三角箭头”是显示时间的选择下拉菜单，点击菜单上的下拉箭头可以选择更长的显示时间便于观察；“积分时间”和“驱动频率”等也都可以通过相应的下拉箭头进行选择，积分时间为16档，驱动频率为4档可调。2）光学成像系统放大倍率的标定（1） 将直径为5mm的“试件”插入安装装置，执行“物体尺寸测量实验” 软件，弹出如图

26、3-6所示的测量尺寸软件界面；同时远心照明光源被点亮；（2） 在尺寸软件界面上选中“连续扫描”菜单，计算机显示器出现含有被测“试件”外径尺寸信息的波形如图3-7所示；（3） 在测量界面上设置驱动频率或积分时间，使输出信号的幅度在适宜观测的程度，但是，一定不要使CCD工作到饱和状态；图3-7 尺寸测量软件界面（4） 调整物镜的焦距使如图3-7所示输出信号曲线的斜率尽量陡；图3-8 光学放大倍率测量与设置软件界面（5） 停止采集后，界面进入到如图3-8所示的光学放大倍率的测量与设定软件界面，并在界面的底部用文字方式提示实验者应该执行的步骤，如图3-8中提示的“请将标准棒插入测试槽中，观察数据曲线。

27、”，实验者应该按着提示将5的测试棒插入测试槽中。然后根据曲线波形调节驱动频率与积分时间使信号波形输出幅度适合测量需要（注意绝对不能使CCD输出信号波形出现“饱和现象”，否则严重影响测量精度）。如图3-8中设定积分时间为“6”档，驱动频率为“0”档时输出信号波形较为理想；（6） 选择适当的阈值，二值化阈值电平的选择原则是能够检测出物体的真正外形尺寸值。例如，在如图3-8所示输出波形图上可以看出，波形幅度的一半处能够反映物体的外形尺寸信息，此处曲线的变化率也最大，为此可以选定阈值为“127”，再执行“下一步”，界面弹出下一步操作的提示；（7） 调整光学成像系统的焦距与光圈，注意观察输出信号波形，使

28、信号波形中反映尺寸信息的变化边缘越陡成像光学系统调整得越佳，测量系统的精度越高。调整好光学系统后执行下一步；（8） 在软件界面的提示下进行操作，将用卡尺或千分尺测量的标准被测物尺寸值输入到如图3-9所示的 “已知值”输入框中，再执行“下一步”，软件自动计算出光学系统的放大倍率并显示在新弹出如图3-10所示的界面上；再点击“下一步”，出现点击“完成”，便将测得的放大倍率存入计算机内存，为本实验的测量工作使用；实验3-9 尺寸测量实验光学系统放大比率的标定 标定好光学系统放大倍率后测量系统就可以对如何安装在指定位置上的任何物体的外形尺寸进行测量实验，例如对仪器提供的3mm、8mm棒材的外径尺寸进行

29、测量实验。实际的物体外形尺寸的测量仪器都需要上述的标定过程，只有经过上述标定才能够应用于实际工程中。（9）也可以用最原始的数据测量光学系统放大倍率，当调整好光学成像系统的焦距后，停止采集，选择“数据结果”菜单，察看线阵CCD所有单元的数据，观察相邻两个像元数据的变化率，将发生由大变小变化率最大处的像元序列值（位置值）记为“N1”，将由小变大过程中变化率最大处的像元序列值记为“N2”，将所观察到的N1与N2值填入表3-1，重复上述过程，进行多次测量后，再将测量值代入公式（3-1），便可以获得光学系统的横向放大倍率。 （3-1）式中D为校正所用物体的直径，测量次数根据统计理论应该是奇数次，这里取7

30、次。图3-10 尺寸测量系统光学放大倍率标定值表3-1 光学放大倍率的测量二值化测量值（N2N1）（阈值2V）物方尺寸（mm）像方计算尺寸（mm）光学放大倍率3）非接触测量物体的外形尺寸（1）保持上述设置不变，取下测量光学系统放大倍率标准件，装上其他尺寸的被测件，盖上盖。连续记下10组数据，填入表3-2，计算出被测件的实际尺寸。改变二值化阈值电平继续测量物体尺寸，观察、分析测量条件对测量结果的影响，为此先调出二值化实验软件。（2） 将阈值电平的二进制数值设为98，测量出物体直径的一组相关数据，填入表3-2，计算出被测杆件的直径D。（3） 再调整阈值至127，测量一组数据，填入表3-2，计算出被

31、测杆件的直径，观察阈值电平改变前、后被测杆件直径值的变化。（4） 若调整阈值调至150，再测量一组数据，计算出被测杆件的直径，观察阈值电平改变前、后被测杆件直径值的变化。（5） 改变积分时间后，再重复上述实验，观察CCD输出信号波形的变化，同时纪录测量值的变化。（6） 当线阵CCD开始出现饱和状态后，再观测被测物尺寸的变化情况，进入深度饱和后测量结果有何变化？表3-2 被测件外径的测量二值化测量值（N2N1）（阈值98）物方尺寸（mm）二值化测量值（N2N1）（阈值127）物方尺寸（mm）3结束与关机上述实验完成，并达到实验目的，便可结束实验。（1） 将软件程序退出，再关闭计算机系统；（2）

32、关闭实验仪的电源；（3） 将总电源关闭；（4） 将实验仪器及其用具收拾好，工具放到指定位置；（5） 将所做实验数据交于实验指导老师审查，合格后方可离开实验室。（四） 线阵CCD的A/D数据采集一、实验目的1、 掌握线阵CCD的A/D数据采集的基本原理。2、 进一步掌握线阵CCD积分时间与光照灵敏度的关系。3、 掌握本实验仪配套软件的基本操作，熟悉各项设置和调整功能。4、 学习基本数据采集软件的编写方法和应用技巧（选做）。二、实验准备内容1、 学习或复习C语言与VC+语言内容，特别是用计算机内存数据绘制波形图的基本功能。2、 进一步学习和掌握有关线阵CCD输出信号的特点，利用FC、SP脉冲进行A

33、/D转换操作的同步，数据存储与读取的方法，掌握A/D转换与数据采集基本原理。3、 熟悉A/D数据采集的基本操作软件。三、仪器设备（1） LCCDAD-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；四、实验原理线阵CCD的A/D数据采集的种类和方法很多，这里只介绍实验仪所采用的USB2.0接口方式的数据采集基本工作原理。如图4-1所示为以高速8位A/D转换器件TLC5510A为核心器件构成的线阵CCD数据采集USB2.0接口方式的数据采集系统。它以CPLD为基本逻辑单元完成地址译码器、接口控制、同步控制、逻辑控制和数据采集等逻辑功能。计算机软件通过向端口发

34、送控制指令完成对CPLD的复位与过程操作。CPLD的所有操作均以行周期脉冲FC进行同步控制，以采样脉冲SP为相元同步脉冲完成对每个像元的同步采集，A/D转换器输出的8位数字先存储在一个容量为32K的静态缓存器件SRUM62256中，待一行像元的数据转换完成后，CPLD会生成一个标志转换结束的信号，同时停止A/D转换器的转换工作。计算机软件在查询到结束标志信号后，读取SRAM存储器的数据，并将读出的数据绘出波形曲线显示于计算机显示屏，当然也将数据以动态库的方式提供给用户，使用户通过自编程序扩展功能。当软件读取并处理完成一行数据后，再次发送复位指令进行上述采集过程的循环。五、实验内容及步骤1、实验

35、内容（1）进行以8位A/D转换器件TLC5510A为核心器件构成的线阵CCD数据采集系统实验（可参考“光电传感器应用技术”教材11.3.1节内容）。（2）进行线阵CCD的A/D数据采集系统基本软件操作，进行线阵CCD的积分时间、驱动频率等参数设置，计算机显示波形的时间（刷新频率）设置，显示数据长度的设置等熟悉软件操作的基本功能；（3）进行线阵CCD的A/D数据采集过程中对数据文件的存储、打开、读出等操作，为今后应用所采数据完成功能更为丰富的研究做准备。2实验步骤（1） 先将实验仪的数据端口和计算机或GDS-型光电综合实验平台的USB输入端口用专用USB数据线缆连接好；（2） 打开计算机电源和实

36、验仪的主机电源开关，完成系统的启动后进入下面的操作；（3） 先确认是否已经安装了A/D数据采集的基本软件。若没有安装，请安装A/D数据采集的基本软件。A/D数据采集的基本软件安装完成后，计算机界面会以图标方式提供完成实验的所有软件，从中选择“A/D数据采集实验”软件。3进行AD数据采集实验（1） 选择“A/D数据采集实验”。后，计算机显示屏将显示出如图4-2所示的程序主界面。界面中含有“打开”、“保存”、“曲线”、“数据”、“连续”、“停止”、“单次”、“0s”显示时间、“积分时间”和“驱动频率”等选项，运用这些选项可以进行相应功能的操作。图中所示的特性曲线表述了线阵CCD所采到成像于线阵CC

37、D像敏面上的尺寸信息。图4-2 A/D数据采集实验软件界面采集菜单分为“连续”、“单次”和“平均”等3种采集方式，为调试方便，应选择连续采集方式。点击如图4-2所示的“0”设置，所采集曲线的停顿时间为0s。再点击“连续”菜单，便可进行连续采集的工作方式。（2） 仿照实验二、三对驱动频率和积分时间等参数的设置方法进行多次设置，观测所采集信号的输出波形，使输出信号波形的幅度处于便于观察的位置。（3） 为使观测到又有实际物体所成的图像信号，可以将被测件安放在夹具上，调节成像物镜的焦距和积分时间，使观测效果最佳，为使输出的信号波形不受外部杂散光的影响，测量过程中应将仪器上盖盖好。（4） 点击“保存”菜

38、单，将AD转换后的数据以*.txt，或*.dat数据格式保存到数据文件夹中。（5） 利用“打开”菜单，打开数据文件，显示A/D数据采集的数据，观测每一像元的数据和整行数据的特点。（6） 观测与分析输出波形，分析输出波形与被测件的物像关系。（7） 将被测件取出，换上另外的被测件，再重复做（5）、（6）、（7）项实验，观察与分析测量结果。4结束、关机（1） 先退出实验程序，再关闭实验仪的电源；（2） 关闭计算机系统；（3） 关掉总电源；（4） 整理好所有的实验器材与工具。六、实验总结（1） 写出实验总结报告，总结CCD输出信号的幅度与积分时间及光照灵敏度之间的关系，能否验证在同样的光照下输出信号的

39、幅度随积分时间的增长而幅度增大。（2） 能否用这个试验检测CCD光敏单元的不均匀性？如果能，该如何安排这个实验？（3） 用线阵CCD的A/D数据采集实验能否进行物体尺寸的测量工作？若能，该如何安排这个实验？（4） 经成像物镜、线阵CCD光电变换后再经A/D数据采集，计算机所获得的波形会出现“变形”的现象，怎样解释“变形”的现象？“变形”产生的主要原因是什么？能否利用“变形”的输出波形进行物体尺寸的非接触测量？你能例举出利用本实验进行其他目的的实验吗？（五） 用软件提取边缘信号的二值化一、实验目的1、 掌握用软件提取线阵CCD输出信号UO中所含物体边界信息的两种方法。2、 学习使用VC+语言编写

40、简单测量软件的方法。二、实验仪器1、 LCCDAD-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-型光电综合实验平台一台；三、软件提取边界信息的原理线阵CCD输出信号经过A/D转换进入计算机系统后，应用计算机测量软件可以进行多种方法的测量工作，这里只介绍最基本的3种二值化测量方法。1、固定阈值二值化方法用计算机软件设置二值化的阈值或用计算机软件计算的方法提取边界信息进行物体尺寸测量的方法被称为软件二值化方法。用计算机软件设置二值化阈值的方法称为软件固定阈值二值化方法。其原理类同于硬件二值化数据提取方法。不同点在于硬件固定阈值二值化方法的阈值由硬件提供

41、，软件固定阈值二值化方法的阈值可以由软件以数字方式提供。这样，它比硬件固定阈值二值化提取方法更容易改变或设置阈值。在能够保证系统光源稳定的情况下，这种方法简单易行。图5-1所示为软件固定阈值二值化数据提取方法的信号波形图，其中的阈值以数字形式由软件提供。2、浮动阈值二值化方法在固定阈值的基础上软件可以很方便地做浮动阈值的处理，它要比硬件的浮动阈值处理方法简单得多，也方便得多，软件采集到一行周期UO输出的数据后，可以根据背景光信号的强度设置阈值，该阈值可以由背景光幅值的百分比来设定，因此所设置的阈值将跟随背景光的变化而变化，即随背景光的强、弱浮动。在一定程度上消除了背景光的不稳定对测量造成的误差

42、。另外，软件还可以采用多次平均、叠加等算法提高测量的稳定性和测量精度。3、微分法二值化方法边缘信息提取的第3种方法是计算输出曲线的斜率，称为微分法。图像传感器应用技术教材第9章9.1.1节介绍了硬件二次微分的处理方法。图5-2所示为这种算法的波形图，线阵CCD输出的载有被测物体边界信息的电压信号UO经数据采集后送入计算机内存，该信号的一次微分结果记为UW，二次微分结果记为URW，因此，可以提取一次微分信号的峰值或者二次微分信号的过零点的像元值作为边界信息来测量被测物体的宽度。这种通过计算机软件算法的二值化方法要求CCD输出信号边缘斜率的变化显著即曲线的边界锐利。实际上被测物体在光学成像系统良好

43、的调焦情况下，输出信号的特性曲线确实比较锐利，而且曲线变化率最大的位置就是物体像的边缘，因此，采用软件进行微分运算更便利判断，也容易进行二值化处理。当物体成像较为清晰时物体边界处所对应的输出信号变化很快，利用这个特点很容易从线阵CCD输出的信号中提取边界信息，完成测量工作。当然，光谱分析中的光谱信号很类似于微分后的输出波形，也经常采用这种算法计算出光谱的准确位置（或波长）。四、实验内容1. 采用计算机软件提取线阵CCD输出信号UO所蕴含的图像边界信息，并用固定阈值法测量出被测物体的径向尺寸。2. 采用计算机软件提取线阵CCD输出信号UO所蕴含的图像边界信息，并用浮动阈值法测量出被测物体的径向尺

44、寸。五、实验步骤1、二值化处理波形观测实验（1） 首先将实验仪的数据端口和计算机（或GDS-型光电综合实验平台）的USB端口用专用USB数据线缆连接好并合上实验仪开关；（2） 打开计算机电源，完成系统的启动后先确认是否已经正确安装实验仪软件。否则，请首先安装实验仪软件，而后进行下面的实验； （3） 运行用软件提取边缘信号的二值化实验软件，弹出如图5-3所示的二值化软件参数设置界面，从中可以设置“积分时间”、“驱动频率”和“二值化阈值”，设定方法也是先用鼠标选定二值化阈值电平值，再点击“设置”便将选定值存入内存，并以示值电压值的方式显示在界面上（界面上红色圆点位置处的电压值）；（4） 完成设置后

45、，用示波器可以观测二值化输出波形，方法是： 将示波笔（探头）CH1接到同步脉冲FC上，调节示波器使波形同步，再将CH2接到彩色线阵CCD的任意一个输出信号上（例如绿色UG信号）观察并调整输出信号的幅度到适合观察的程度； 将CH2改接到仪器面板上的“BIN”端口上，观察二值化后的输出信号脉冲的宽度随阈值的调整而变化的情况；2、固定阈值的二值化测量物体尺寸方法 二值化测量物体的尺寸实验虽然在实验三中已经完成，不过那时强调的是用线阵CCD非接触测量物体尺寸的原理与方法，没有注重二值化的问题，现在讨论二值化方法，有必要重新再调出实验三软件进行下面实验。（1）按界面提示的步骤先计算调整好的光学系统放大倍

46、率，用直径为5mm）的杆件为标准测量件，并将其安装在测量夹具上；（2） 调出实验三软件进行实验，设置采集间隔为“0ms”，采集次数为10次；（3） 可以按实验3中如图3-7、3-8和3-9所提示的内容和步骤测出光学系统的放大倍率；（4） 再找出要进行测量的其它杆件安装到测量夹具上，再进行二值化数据采集操作，获得被测杆件的外形尺寸；（5） 将测量结果以*.dat或*.txt格式保存到指定的文件夹中。图5-6以*.dat或*.txt格式保存测量结果到指定的文件夹图5-3设定阈值图5-4设定阈值图5-5设定值图5-7 采集3、浮动阈值的二值化测量方法仿照固定阈值二值化测量的实验进行。在“阈值”项中应

47、选择“浮动阈值”。“浮动阈值”的取值范围一般应在（20% 80%）范围内，在实际上“阈值”可按公式（5-1）进行设计：U （UmaxUmin） x% Umin (5-1)式中，U为实际所取的阈值电压值，Umax与Umin为输出信号幅度的最大值与最小值，x为设定的百分比。可见，如果使用“浮动阈值”的方法，其“阈值”的实际值每次都要随环境光的变化而变化。在实际测量中，线阵CCD输出信号的峰值电压受环境光或背景光的影响，若采用固定阈值法，峰值电压受环境光或背景光的影响使杆件外形尺寸的测量产生很大的误差，以致于达到不能接受的程度；而采用浮动阈值方法，使阈值电压能够随背景光的升高而增高；反之随背景光的降

48、低而降低；克服背景光的变化，获得满意的测量结果。本实验所用的“阈值”设定为50%的浮动量。六、实验总结1、 写出实验总结报告，分析二值化和二次微分测量的特点和适用场合。2、 试编写二次微分测量算法。 （选做）3、 怎样选择的浮动阈值能够使测量精度更高？（六） 利用线阵CCD测量物体的倾斜角度一、实验目的应用彩色线阵CCD可以测量物体的倾斜角度，学习利用线阵CCD测量被测物体倾斜角度的方法能够帮助学生进一步掌握线阵CCD的基本应用问题，培养学生充分发挥想象力，增强创新设计能力。二、实验所需仪器设备（1） LCCDAD-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

49、机；三、利用彩色线阵CCD测量物体倾斜角度的原理利用线阵CCD测量物体倾斜角度的方法有很多，其实质都属于尺寸测量和位移量测量的类型。常用的测量方法有两种。第一种方法为用单色线阵CCD的测量方法，在如图6-1所示中的水平粗线代表线阵CCD的像敏单元阵列，假设被测物体的轴线与像元排列方向垂直，线阵CCD将测出它的直径宽度为D，当该物体旋转了角度后，CCD测量出来的宽度值也发生变化，变为DS。从如图6-1所示的测量原理图可以推导出被测物的倾斜角度的计算公式为cos-1 ( D / DS ) （6-1） 这种测量角度的方法比较简单，适用于低精度测量较大尺寸物体的倾斜角。这种方法要求预先知道被测体垂直放

50、置时的宽度，且光学系统的放大倍数不能太高。当被测物体本身的宽度尺寸D有显著变化时，会直接影响角度的测量精度。测量角度的第二种方法实际上类似于两条具有水平刻度尺的平行线切割被测物体而对其倾斜角度进行测量的原理。彩色线阵CCD器件由3条相互平行的像敏单元阵列构成，且制造工艺保证了三条平行的光敏单元阵列的首尾及像元尺寸的精度极高，使得其中的任意两行光敏单元阵列能够构成两条刻度尺的特点，其像元尺寸可视为尺的分度，像元总长可视为测量范围（当然要考虑光学系统的放大倍率），当被测物与线阵CCD像敏单元阵列所成角度时，便能测量物体倾斜角度。如图6-2所示，假设被测物体在CCD像面上的投影如图中所示的灰色部分，

51、R、B、G分别为彩色线阵CCD的三条像敏单元阵列（阵列传感器）。由图可以看出，三条阵列传感器对被测物体成像后的边界是相互错开的，用分离最远的R、G阵列传感器做测量尺，通过对R、G阵列传感器的边界信息的提取测量，便可以测得图6-2中的偏移量S。而相邻感光单元阵列的间距为64mm为已知量（见器件手册），则R、G阵列传感器的间隔距离为两倍的已知间距，故L0128mm。由此可以推导出待测物体的倾斜角度为ctg-1 ( T / S ) (6-2)由于彩色线阵CCD的相邻阵列传感器的距离L0较宽，而同列像元的中心距l0很小，因此用这种方法测角可以获得较高的精度，其角度分辨率为minctg-1 ( l0 /

52、 L0 ) (6-3)五、实验内容（1）用单色线阵CCD测量物体的倾斜角度；（2）用彩色线阵CCD测量物体的倾斜角度；六、实验步骤（1） 打开实验仪上盖，拆下图像扫描用的滚筒，并将倾斜一定角度的专用杆件安装在测试位置上。使实验仪构成为如图6-3所示的结构。（2） 首先将实验仪的数据端口和计算机（或GDS-型光电综合实验平台）的USB端口用专用USB数据线缆连接好，并合上实验仪的主电源开关。（3） 打开计算机电源，完成系统启动后进入下一步操作。（4） 确认已经正确安装实验仪软件。否则，请首先安装实验软件。（5） 选择“角度测量实验”文件，点击并弹出角度测量主界面，而后按界面提示的内容进行下面的操

53、作。（一）角度测量方法之一（1） 运行角度测量实验软件，远心照明光源即被自动点亮，同时弹出如图6-4所示的软件界面。先执行“连续扫描”菜单观测线阵CCD输出信号是否满足测量要求，成像物镜的焦距是否调整好；调整好后，输出信号的波形在物体的两个边界处非常陡直，输出信号的幅度应接近于饱和但是绝不能进入饱和工作状态（如图6-4所示的饱和值为255）；（2） 进行光学系统放大倍率的标定工作，具体操作步骤已在实验3中详述；（3） 在如图6-4所示的界面上测量模式选择菜单框中，点击算法1按钮，计算机软件便可以用算法1测量物体的倾斜角度。测量时，按界面提示的操作步骤进行，先将被测杆件垂直地拧在与底板平行的螺孔

54、上，使被测杆件与测量仪器底板垂直，测出它的直径值D，然后再将同一个被测杆件拧到与底板倾斜一定角度的螺孔上，测出它在倾斜一定角度后的DS值，将二者代入公式（6-1），便可计算出物体倾斜的角度。（4） 显然，算法1对物体倾斜的角度测量也属于二值化尺寸的测量范畴，既可以采用“固定阈值”方式又可以采用“浮动阈值”方式，界面给出了两种选择，图中选择了“浮动阈值”方式，选则50%的阈值后界面将以“压缩”的方式显示出CCD输出波形。当然，波形曲线上方的各项菜单均可以进行设置，其内容与前几个实验相似，不再赘述。（二） 角度测量方法之二物体倾斜角度的测量方法2是采用彩色线阵CCD器件的两条分离一定距离的光敏单元阵列分别测量物体中心距差异（或边沿