22038光电传感器应用技术王庆有第13章 第3节

1、13.8 用于物体振动的非接触测量振动测量与试验一直是工程技术界重视的课题，对于航空航天、动力机械、交通运输、军械兵器、能源工业、土木建筑、电子工业、环境保护等尤为重要。用线阵CCD光电传感器对铁轨的震动进行非接触的测量方法，该方法适用于桥梁等构件振动的非接触测量。运用光学、电子学、CCD光电传感技术与微机数据处理技术相结合，克服了接触式测量方法的缺点，同时，能进行多点振动的测量，具有造价低、灵敏度高、安全性好等优点。13.8.1工作原理图13-31所示为采用线阵CCD测量铁轨振动的原理图。将粘贴在铁轨外侧的黑底白条图案经光学成像物镜成像到线阵CCD的光敏面上，将输出如图13-32所示的信号U

2、0。输出的U0经二值化电路得到如图13-36所示的波形，脉冲的前沿对应于黑白边N1，而后沿对应于白黑边N2。白条中心值N应为+ N2N(t) = N1(13-28)2初始(t0时)位置为N（t）N0，当轨道受激振动时（t0），轨道上的白条图像在线阵CCD的像敏单元阵列上做上、下的振动。线阵CCD不断地输出白条像在像面上不同位置的视频信号U0。经二值化处理电路得到每个积分时间内的二值化方波，经数据采集电路得到轨道位置N(t)值。N(t)值与轨道的时间位移量S(t)的关系为S(t) = ( N( t ) - N0 )l(13-29)b式中，l为CCD两相邻像元的中心距； 为光学成像系统的横向放大倍

3、率。可以通过已知的白条宽度W随时进行标定b = l(N2 - N1 )(13-30)W将（13-28）与（13-29）式代入（13-30）式得到时间位移量S(t)与测量值N1与N2的关系- N1 (0) +N2 - N2 (0) WS(t) = N1(13-31)2(N2 - N1 )利用（13-31）式可以得到铁轨在垂直方向上振动的位移S(t)曲线。13.8.2振动测量的硬件电路振动测量的硬件电路原理方框图如图13-37所示。线阵CCD在驱动电路发出的驱动脉冲作用下将载有黑底白条信息的视频信号U0送入二值化处理电路进行二值化处理。13.8.3软件设计数据采集的主模块流程图，如图13-38所示

4、。C语言程序如下：re2： tinportb(0x357)； if(t127) goto re2； for(i0；i5；i+)dataiinportb(0x340十i*4)； yyiinporrtb(0x341十i*4)； yyi(yyi&0x0007)； dataiyyi*256十datai；13.8.4实验测试结果为标定和检验轨道振动的测量仪器，将黑白条 标志贴在标准的液压振动 台上。该振动台为德国进 口并通过国家计量局检定， 它可以产生已知振幅和频率的正弦波震动。图13-39所示为轨道振动测量仪对标准振动台进行实测所得到的实测振动波形。根据实测数据分析，该仪器的振幅测量范围为0.1200

5、mm，测量精度优于0.lmm。实践证明该仪器具有速度快、精度高、抗干扰能力强、性能稳定、可靠及对被测物体没有机械、电、磁等扰动，适应于多种现场振动检测的需要，是一种值得推广的非接触测量振动的方法。振动频率的测试，受到CCD积分时间的影响。在要求测量较高振动频率的情况下，应尽量选择更高速度的线阵CCD或者选用像敏单元数较少的线阵CCD，以便缩短每次测量的时间段，获得更高分辨率的振动波形。13.11CCD光电传感器用于ICP-AES光谱探测以电荷为光电信息载体的CCD器件在很宽的光谱响应区间具有卓越的光电响应量子效率，因而成为光谱分析仪器的理想探测器件。它不但具有固体集成器件所具有的体积小、重量轻

6、、抗震性能强、功耗一系列优点，还具有能够并行多通道（数千个光电探测通道）探测光谱的特点，尤其它可以进行长时间的“电荷积累”，使光电探测灵敏度可与传统的光电倍增管相比拟，并且，由于它能够同时探测多条谱线而逐渐地取代光电倍增管在光谱探测领域独占熬头的霸主地位，成为现代光谱探测领域具有很强生命力的探测器件。13.11.1 ICP-AES探测器的基本原理如图13-54所示为CCD-ICP-AES光谱仪的原理结构方框图。该系统由ICP光源、光栅分光摄谱仪、感光接收单元等硬件设备组成。表13-4常用与光谱探测的线阵CCD特性对比注：（1）此灵敏度为在2854K标准钨丝灯下测得的典型值，单位为v/lx.s；

7、（2）此灵敏度为2870K钨丝灯测得的典型值，单位为v/Jcm-21.光栅响应范围ICPAES是对各种样品进行元素组成分析的强有力手段。理想的光谱仪应能检测ICPAES的重要分析波段（197.3769.9nm）。CCD型号光谱响应范围（nm）灵敏度动态范围单价TCD1200D TCD1206UD TCD1208AP RL2048DKQ-011 RL1024SBQ-011 S3923-1024Q250100025010003001000200100020010002001000135(1)135(1)330(1)2.7(2)2.9102(2)17001700750130031250几百元几百元几

8、百元几千元近万元近万元大多数线阵CCD在可见光范围内具有良好的光谱特性，在红外区域只有少数几种线阵CCD有较好的光谱特性；而在相同的光谱响应范围下，应选择较高分辨率的器件以提高谱线的分辨率。采用TCD1200D器件，其光谱响应范围为2501000nm， S3923-1024Q的光谱响应范围为2001000nm。2.灵敏度在其他条件相同的情况下，CCD器件的灵敏度决定了它检测微弱信号的能力。灵敏度越高，检测微弱信号的能力就越强。TCD1200D器件的工作温度降低至-35时，积分时间可增大到4.3s以便探测到10-6lx的微弱光谱辐射量。3.动态范围动态范围的定义有两种方式，本书第8章介绍了一种，

9、还= USAT，其中：USAT为饱和输出电压；有一种常用的定义方式即DRUDAKUDRK为暗信号电压，即对应于暗电流的输出电压。采用分段扫描的方式，在一小段谱区光谱的强弱变化不是太大的情况下，根据光谱的强弱适当地调整光积分时间， 配合对器件的制冷可以获得更大的动态范围。目前，国内已经研制成功12路线阵CCD拼接成含盖 1971000nm波段的并行光谱探测器，采用16位的A/D数据采集系统获得极高的光谱分辨率。13.11.2 实验结果分析用东芝公司TCD1200D组装成的ICP光谱探测与计算机数据采集实验系统中用1200条/mm的光栅获得如下测量结果：图13-54所示为l.00 mg/L标准溶液

10、的Mn经ICP光源激发所发射出的三条灵敏线光谱谱图。即Mn的灵敏线257.610 nm、259.360 nm、260.552 nm波谱图。图13-55为上述 Mn三线的工作曲线图，曲线的横坐标为Mn的浓度， 纵坐标为发光光谱的强度。通过对常见的11种金属元素光谱的探测，在250700nm波段范围内，对发光光谱进行测试分析，得出如下结论：1CCD器件工作温度对噪声的影响如图13-57所示为实测的响应特性曲线，可以看出，常温情况下暗电压输出信号随着光积分时间的增加而增大。但是，在制冷情况下，制冷温度降低到-35以后，基本上看不出噪声输出信号随积分时间增加的变化，一直维持在较低噪声的水平。2检测限与

11、积分时间的关系在良好的分析条件下，元素的检测限可以得到改善。延长积分时间能使信号增强和减少光子噪声，是降低仪器对被测元素检测限的有效方法。图13-58为几种被测元素锰（Mn）、镁（Mg）、矾（V）、钙（Ca） 元素的检测限与CCD光积分时间的关系图。3线性动态范围对于TCD 1200D器件，在单一积分时间下获得的线性动态范围一般只有两个数量级。如果将检测光谱波段分割成若干个谱段分别检测，根据单个谱段光谱信号的特点，通过改变积分时间，可以扩展线性动态范围。图13-59为线性动态范围扩展后Ca的工作曲线。综上所述，根据ICP-AES检测的特点及其应用领域，选择合适的CCD器件，并采取适当的措施（制

12、冷、扩展动态范围 等），不仅可以获得较好的分析结果，还能大大提高ICP AES的分析效率。CCD光谱仪在我国目前的光谱分析中的应用前景非常广阔。思考题与习题1313.1 寸测量系统中如何根据测量范围和测量精度的要求选择线阵CCD器件,如何选择线阵CCD的像元数和像元尺寸？13.2 若要求测量25mm的圆柱体的直径，测量精度要求为， 试选择恰当的线阵CCD，并对光学系统的像方视场，横向放大倍率和成像物镜的分辨率提出适当的要求。13.3 在尺寸测量系统中如何根据测量范围和测量精度的要求选择照明光源和成像物镜的口径、分辨率、放大倍率和物镜的焦距？13.4 在尺寸测量系统中，当安装被测件的机构倾斜时，

13、发现向左和向右倾斜同样角度的情况下测量出来的直径尺寸相差很大，试问是什么原因造成的？怎样解决？13.5 若用线阵TCD1209D做物体振动的非接触测量传感器，当它的驱动频率为2MHz时它所能测量的最高振动频率为多少赫芝？13.6在采用线阵CCD为测量物体振动的光电检测器件时如何从测量精度、振动频率、振动幅度和CCD与被测物的距离要求出发选择CCD的像元尺寸、像元数、光学成像物镜的焦距、光学系统放大倍率和驱动脉冲频率？13.7当要求用线阵CCD测量某大桥的振动时，若估计大桥的振动频率在20Hz以下，振动幅度不会大于50mm，若要在距离大桥100m处测量大桥桥体的振动当选用焦距为500mm的镜头为成像物镜时该如何选择线阵CCD，它的最低驱动频率为多少？13.8 试说明光学像平面拼接与机械分离式拼接的优缺点， 若要求测量150mm精度要求为mm的精密大轴直径时（测量范围为150mm），应考虑用怎样的拼接方式？选用何种线阵CCD更为合适？13.9 在如图13-22测量平面物体的位移时光束入射角的变化是否会产生测量误差？怎样控制这个误差？13.10 线阵CCD器件探测发射