第12章12.1光电信息综合实验与设计.ppt

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第第12章光章光电信息信息综合合实验与与设计本章目的是在学习完“光电技术”理论课与实验课以后再通过光电技术课程设计让学生加深对光电技术内容与基本技能掌握，在能够分析光电系统结构的基础上逐渐掌握系统的设计技巧。

系统学习“电子技术”、“工程光学”、“图像传感器应用技术”、“机器视觉技术”和其他光电技术专业课后再通过“光电信息综合实验”掌握本专业应该掌握的基本技能，才能为最后一个教学环节“毕业设计”打好基础。

本章内容不作为“光电技术”课的教学内容安排，而作为“光电技术课程设计”与“光电信息综合实验”的参考案例。

12.1光光电信息综合实验信息综合实验综合实验题目要思路清晰，内容要完整，技术层面尽量丰富，即要有别于通常理论课配备的实验，又不能过于繁复。

综合实验课时间安排与执行方法也应该与其他实验课不同，需要一定的连贯性，要根据学生动手搭建与调试的能力适当安排更长的连续操作时间。

为此，选择“非接触测量物体位置与振动参数实验”12.1.1实验原理原理1.物体物体位置测量原理位置测量原理如图12.1-1所示，主要由照明光源、被测物、成像物镜、线阵CCD光电传感器和数据采集与处理系统等构成。

怎样将物体的位置信息转换成光强发布的时序脉冲信号呢？

需要借助线阵CCD工作原理的波形图分析理解。

如图12.1-2所示的原理图中，被测物经成像物镜在线阵CCD像敏阵列上形成图像，图中n1与n2分别为图像边缘处的像元数。

被测物做垂直于光轴运动，n1与n2将发生变化，测量出n1与n2就能计算出被测物体在垂直于光轴方向的位置。

利用图12.1-3能够理解n1与n2的提取技术。

利用SH、FC行同步脉冲和二值化数据采集系统很容易提取出n1与n2等边界数据。

得到n1与n2后，便可计算出物体的中心在线阵CCD像敏阵列上的位置n。

找物体中心在线阵CCD像敏阵列上的位置n还不能给出实际物体中心的有用位置，需要通过标定才能获得在一定坐标系下的位置。

坐标系的设定通常以光学测量系统的光轴为参考坐标，并设其为y0，线阵CCD相机结构基本使y0与像敏阵列中心像元n0位置，因此，常用n0为测量的参考点。

则物体像的位置y（t）时间函数为出现正与负数值，与线阵CCD的安装方法有关。

如图12.1-2所示，n2n1，则中心位于线阵CCD像敏阵列中心像元n0的下方，得到的位置y（t）为负值，根据物象关系得到实际物体的中心位置位于光轴之上。

2、光学系统放大倍率的标定利用已知被测物外径D与实测像方直径D之比进行标定。

上述公式能够完成被测物体瞬时位置的测量。

3、时间坐标问题时间段指线阵CCD的“积分时间”，既指转移脉冲SH或同步脉冲FC的周期。

即线阵CCD的积分时间ting。

ting可以用示波器测量SH脉冲的周期TSH或FC脉冲的周期TFCtCR为驱动脉冲的周期，与频率fCR成反比，N为一个转移脉冲SH时间内必须给出的驱动脉冲CR的数量与线阵CCD像元数有关。

提高物体位置测量速度的关键是

（1）采用驱动频率较高的器件，

（2）采用像元数尽量少的器件，（3）减少不必要的转移脉冲数量。

12.1.2非接触非接触测量物体位置与振量物体位置与振动参数参数实验的内容的内容根据原理图图12.1-1与图12.1-2搭建出实验系统。

它应该由具有远心照明特性的光源、被测物夹持与移动机构和具有光学成像系统的线阵CCD相机等部件构成。

显然是比较复杂的综合实验系统，需要分成几个分项实验来进行，使它既具有整体性又具有可拆分性的综合性质的实验。

分几个相对独立的实验进行搭建与调试，合起来构成一个完整的光电信息综合实验。

1、搭建、搭建远心照明光源的心照明光源的实验搭建出具有远心照明特性的照明光源，要求光源的出光口径大于被测物的移动（振动）范围。

（1）实验系统关键技术是要选择合适的聚光透镜与准直透镜，并要掌握透镜焦距的测量方法。

图12.1-4为搭建远心照明光源的实验示例图，图中没有给出所选器件的参数和器件之间的位置参数。

目的是给指导教师与学生自己设计选用的空间，参数的变化会直接影响远心照明光源的性能与参数。

由图12.1-4很容易总结出所用的实验器材。

当然要根据自己手里容易找到的器材而不要模仿，要注重创新，也许你采用的器材要好于示例图所用器材。

图图12.1-4远心照明实验示例图远心照明实验示例图

（2）实验步骤将所有被选用的器件安放在平台上，并使光学元件的中心等高，再按如图12.1-4所示结构安装。

建议先安装LED光源，并让其发光，再安装聚光镜，找出光轴，测量出聚光镜的焦点位置，然后根据准直物镜的焦距安装准直物镜。

像屏是用来查看准直物镜发出的光斑是否有大小变化，如果没有，则为调整到位。

（3）记录与讨论调整好后要记得将系统参数记录下来，内容包括聚光镜与准直物镜的口径与焦距；以光源为参考点，测量两只透镜的位置；分析搭建出的远心照明光源的有效工作距离有多少？

有效孔径是多少？

讨论调整哪些参数能够改善与提高其性能参数？

（4）画出系统光路图要求根据实验数据画出远心照明光源的光路图，并在图上标注出每个光学器件的位置参数。

（5）调整、记录与分析更换聚光镜，观察远心光源结构参数的变化及对其准直特性的影响；更换LED灯，如将其换成单色LED光源，观察远心照明光源系统结构参数的变化与对其准直特性的影响；更换准直物镜的焦距与口径观察远心光源结构参数的变化及对其准直特性的影响；要想使准直物镜焦距变长，远心照明光源的其他部件将做哪些变化？

2、搭建被、搭建被测物物夹持机构与移持机构与移动机构的搭建机构的搭建实验实验室的条件和选用的具体被测物的形位尺寸与位移或运动的要求搭建出被测物的夹持实验机构。

必须考虑实验过程中是否要求被测物体做有规则的运动，如果要求被测物体做规则运动，就必须考虑拖动问题，夹持机构的复杂性必然提高。

（1）能）能够沿水平方向定量移沿水平方向定量移动的的夹持机构持机构如图12.1-5所示的移动架装置可以将被测物（目标物）安装在其上螺孔上，在千分尺带动下被测物能够做定量的移动。

被测物安装在能够垂直调整高度的调整架上，通过螺栓固定到图12.1-5移动装置上，构成如图12.1-6所示能够移动被测物。

图图12.1-5微动移动装置微动移动装置图图12.1-6被被测物做定量移动的装置测物做定量移动的装置将图12.1-6所示的装置安放到位移量测量实验系统中，能够成像使被测物在线阵CCD像敏阵列上做平行于阵列方向的移动，完成测量物体定量移动的实验。

（2）能）能够在水平方向做周期运在水平方向做周期运动的机构的机构为完成利用线阵CCD测量物体振动的实验，需要设置能够实现让物体在水平方向上做有规则运动的装置。

如图12.1-7所示为一款能够带动被测物体完成正弦规律运动的装置。

振动实验装置上安装的被测物在内部电机的带动下可以在水平方向上做位移，并与时间成正弦函数关系的往复运动，电机的速度（或正弦函数的频率）可以通过调速旋钮进行调整。

图12.1-7被被测物做正弦移物做正弦移动的装置的装置振动方向垂直于纸面，线阵CCD像敏阵列方向也应垂直于纸面。

3、线阵CCD光光电传感器的感器的调整整实验线阵CCD光电传感器应该包括成像物镜、线阵CCD与驱动器三部分的组合体。

成像物镜需要通过接圈与线阵CCD相机相连接才能确保通过成像物镜使被测物准确的成像到CCD像敏阵列上。

如图12.1-8所示为与接圈相连接的成像镜头。

做实验时需要根据所成图像的质量对光圈、调焦环进行适当的调整，以便获得最佳的输出波形，确保测量准确。

振动测量系统安装时必须确保被测物体的运动方向与线阵CCD像敏阵列平行，因此在要注意观察线阵CCD像敏阵列的方向，线阵CCD相机外形如图12.1-9所示。

线阵CCD相机内部装有线阵CCD芯片与驱动器，并将同步脉冲与输出的视频信号通过电缆送到安装有线阵CCD采集卡的计算机内（光电综合实验平台内部含有计算机系统与采集卡），再通过相应软件可以完成用线阵CCD非接触测量物体振动的实验。

4、物体位置与位移、物体位置与位移测量量实验物体位置与位移测量实验属于静态实验，利用上述部件可以自行搭建出如图12.1-10所示的物体位置与位移的测量系统。

5、非接触、非接触测量物体振量物体振动的的实验非接触测量物体振动的实验系统结构如图12.1-11所示，它由远心照明光源、线阵CCD相机与被测物体构成。

图12.1-11测量物体振量物体振动系系统结构构图物体振动实验系统调试好后便可打开“用线阵CCD测量物体振动”实验软件，弹出如图12.1-12所示的测量软件界面，先观察线阵CCD输出信号的波形，看其是否需要调整。

调整步骤如下：

先点击“曲线”菜单，观察线阵CCD的输出信号，根据输出信号波形判断是否需要调整光学成像物镜和CCD的工作参数，若CCD的输出信号波形已经是如图12.1-12所示，边沿比较陡直，则没必要再调整成像物镜的光圈与焦距，如果输出信号的宽度太窄，则应该调整成像物镜的光圈使物体在运动过程中不会超出输出信号波形的高电平范围（视场）。

图12.1-12振动测量实验软件界面若输出信号波形不够陡直，则应调整成像物镜调焦环，使被测物在线阵CCD上成的像尽量清晰，曲线的边界陡直。

如果发现输出波形的幅度太低，可以适当增大积分时间，利用积分时间调整对话框进行选择。

波形调整好后再调整二值化的幅度，在“阈值设置”菜单里有2各操作按钮可以选择，“浮动阈值”与“固定阈值”，图中选择了“浮动阈值”，在选择浮动阈值后还需选择其浮动量，用百分比表示，图中选择了50%。

若选择“固定阈值”则须设置0255的数值。

设置好以后，阈值线（黄色线）将显示在坐标系上。

上述调整过程完成后便可以进入测量成像物镜放大倍率的设置步骤，在软件界面上按着界面提示的内容与步骤一步步地进行操作，便可以自动计算出光学系统的放大倍率。

然后再选择“连续”菜单，点击执行，放大倍率与测量数据等会分别显示在对话框内。

软件能够将当前物体振动的波形在界面上描绘出来，直观的显示在实验者眼前。

调整驱动电机速度旋钮（LCCDAD-B型线阵CCD应用开发实验仪的工作台上装有），使电机的转速发生变化，观察界面上输出波形曲线的变化速率与界面上所出现的振动波形会跟随，所测数据变化。

点击界面的“停止”菜单，振动将停止，可将振动测量结果抄录下来，或采用“保存”菜单将测量结果数据保存到相应的文件夹内。

12.1.3数据分析与数据分析与实验总结1、实验数据内容数据内容

（1）位移测量实验静态测量，数据主要由给定值与测量值（n1与n2）等数据。

（2）振动测量实验给定值：

线阵CCD的积分时间（要求是实测值）；镜头的光圈值；被测物的直径（千分尺测量值）；阈值（浮动的百分比或固定值）；光学系统的放大倍率等。

测量值：

振幅；振动频率；振动周期等。

2、实验总结

（1）总结搭建各个实验系统的体会与收获，尤其是光轴对光电实验系统的意义；

（2）总结光学系统调试过程中的注意事项；（3）总结系统的稳定性对测量精度与重复性的影响；（4）探讨非接触测量系统中标定的意义。