实验十二ccd物体尺寸测量实验指导Word文档格式.docx

1、D = （N2 - N1 ）L0（3-3）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

2、 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（一） 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 插座上；（2） 打开仪器上盖，旋下旋转滚筒轴上的禁锢螺钉

3、，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“单次”是只采集线阵

4、 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。（二） 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”

5、 软件，弹 出如图 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；（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 3-7 尺寸测量软件界面（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

6、。”，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

7、光圈，注意观察输出信号波形，使信号波形中反映尺 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；图 3-8 光学放大倍率测量与设置软件界（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

8、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。图 3-10 尺寸测量系统光学放大倍率标定（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

9、，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 。7（Ni 2 - Ni1） = i =17D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 次。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）像方计算尺寸光学放大倍率 （三）、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。改变积分实间和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

10、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

11、测量（N2N1）（阈值 98）（N2N1）（阈值 127）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） 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、实验总结1、 写出实验总结报告，解释为何两种阈值下测量结果有差异，造成这种差异的原因 有几点。2、 固定阈值二值化测量方法有什么优点？其缺点又是什么？为什么在野外测量时 一定要采用浮动阈值二值化测量方法？3、 你能设计硬件浮动阈值二值化测量的具体电路吗？4、 积分时间的变化

12、是否对测量值有影响？在什么时候会有影响？为什么进行尺寸 测量时必须使 CCD 脱离饱和区？5、 如果线阵 CCD 的工作已经进入饱和工作状态，试问上述实验测得的结果会如何 变化？附录一 TCD2252D 手册TCD2252D 是一种高灵敏度、低暗电流、2700 像元的内置采样保持电路的彩色线阵 CCD 图像传感器。该传感器可用于彩色传真、彩色图像扫描和 OCR。它内部包含 3 列 2700 像元的光敏二极管。该器件工作在 5V 驱动（脉冲）、12V 电源条件下。一、 结构特点：TCD2252D 具有以下一些结构特点：1、 像敏单元数目：具有 3 行三原色 R、G、B 并行的像元阵列，每行均为

13、2700 像元；2、 像敏单元尺寸为： 8m8m8m（相邻像元中心距亦为 8m）；3、 光敏区域：每像敏单元均采用高灵敏度、低暗电流的 PN 结工艺制造而成；4、 相邻两光敏阵列之间距：64m；5、 驱动脉冲：05V 的二相脉冲，内部具有采样保持电路、箝位电路和电平转移电 路；6、 封装形式：22 脚 WDIP22-G-400-2.54A 封装；二、特性参数：如表 FB1-1 所示为 TCD2252D 器件的各项特性参数，其测试条件为：环境温度为室 温 Ta=25，电源电压 VOD =12V，驱动脉冲高电平为 VCR =VRS=VSH = 5V，驱动频率为 fCR =0.5MHZ，复位脉冲频率

14、为 fRS =1MHZ，积分时间为 tINT=10ms，输入阻抗 = 100K ， 光源为 A 光源+CM500S 滤光片的情况下测得的各项参数。表 FB1-1 TCD2252D 的特性参数光学电子特性参数：特 性符 号最小值典型值最大值单 位灵敏度红RR7.0Vlxs绿RG9.1蓝RB3.2光响应非均匀性PRNU（1）1020%PRNU（3）312mV寄存器不平衡性RI饱和输出电压VSAT3.0V饱和曝光量SE0.35lx暗信号电压VDRK2.06.0暗信号非均匀性DSNU4.08.0直流电源耗散PD250400mW总转移效率TTE92输出阻抗ZO0.31.0k直流信号输出电压VOS5.5随

15、机噪声ND0.8三、电路原理图TCD2252D 的原理结构如图 Ft1-1 所示。每路线阵 CCD 都为双沟道型线阵列结构，分别经 SH1、SH2 和 SH3 进行转移。 它有三个信号输出端，分别为 OS1、OS2 与 OS3，OS1 输出经绿色滤光片过滤后生成的信号；OS2 输出经蓝色滤光片过滤后生成的信号；OS3 输出经红色色滤光片过滤后生成的 信号；（1）管脚分布顶视图彩色线阵 CCD 器件 TCD2252D 的顶视 图如图 Ft1-2 所示，将 3 条线阵 CCD 的基本 结构制造在同一片硅片上，其上覆盖三原色 滤色片构成如图 Ft1-2 所示器件。（2）管脚定义：如表 FB1-2 所

16、示为 TCD2252D 的管脚 定义与功能介绍。表 FB1-2 TCD2252D 管脚定义管脚号符号功能描述1OS2信号输出（蓝）SS地2OS3信号输出（红）13CR1A1时钟 1（第一相）14SH1转移栅 14NC未连接15CR2A1时钟 1（第二相）5RS复位栅16VDD电源（数字）6CR2B末级时钟（第二相）17CR1B末级时钟（第一相）18CP钳位栅8CR2A2时钟 2（第二相）19SP采样保持栅9SH3转移栅 3OD电源（模拟）CR 1A2时钟 2（第一相）2111SH2转移栅 222OS1信号输出（绿）49（3）驱动脉冲波形图TCD2252D 的各路驱动脉冲波形与输出信号波形如图

17、Ft1-3 所示，其中转移脉冲 SH 与其他驱动脉冲如 CR、SP、RS、CP 等的相位关系如图 Ft1-4 所示。它反映了行转移过程 的时序和相位关系。而反映串行输出过程的驱动脉冲 CR1 与 CR2 的相位关系如图 Ft1-5 所示。驱动脉冲与输出信号之间的相位关系如图 Ft1-6 所示。四、CCD 驱动波形与同步脉冲的关系：由于 TCD2252D 器件本身的驱动脉冲较多，为了便于实验，本实验仪器只提取了部 分信号供实验测量，对应关系如下：1、 实验仪上 CR1 信号对应于该器件管角定义的 CR1A1、CR1A2 和 CR1B 信号。2、 实验仪上 CR2 信号对应于该器件管角定义的 CR

18、2A1、CR2A2 和 CR2B 信号。3、 实验仪上 RS 信号对应于该器件管角定义的 RS信号。4、 实验仪上 CP 信号对应于该器件管角定义的 CP5、 实验仪上 SP 信号对应于该器件管角定义的SP 信号。6、 实验仪 FC 信号定义如下：FC 信号周期与 SH 信号周期相同，FC 信号上升沿对 应于 CCD 第一有效输出信号（如图 FT1-7 所示）。TCD2252D 器件的光谱响应如图 Ft1-8 所示。分别在 420nm 短波段（蓝色）、550nm 的中波段（绿色）和 650nm 的中波段（红色色）响应交强。附录二 TCD1251UDTCD1251UD 是一种高灵敏度、低暗电流、

19、2700 像元的线阵 CCD 图像传感器。该传 感器可用于传真、图像扫描和 OCR。该器件包含一列2700 像元的光敏二极管，当扫描一张 A3 的图纸时，可 达到 8 线/毫米（200DPI）的精度；或者当扫描一张 A4 的图纸时，可达到 12 线/毫米（300DPI）的精度。其外 形如图 Ft2-1 所示，为 WDIP22-G-400-2.54A 封装的器 件。一、结构特点：TCD1251UD 具有以下一些结构特点：1、像敏单元数目：单行，2700 像元；2、像敏单元尺寸为： 11m11m（相邻像元中心距亦为 11m）；3、光敏区域：4、驱动脉冲：05V 的二相脉冲，内部具有采样保持电路、箝

20、位电路和电平转移电路；5、封装形式：二、光学与电气特性参数：（1）极限工作值：TCD1251UD 的极限参数如表 Fb2-1 所示，工作时千万不能超过极 限值，否则将损坏器件（详见注释 1）。特性描述工作范围单位时钟脉冲电压V-0.38转移脉冲电压VSH复位脉冲电压VRS电源电压（驱动）-0.315工作温度Topr-2560贮藏温度Tstg-40100表 Fb2-1 TCD1251UD 的极限参数（注释 1）：所有电压均以 SS 和 VSS 终端（地）为参考。TCD1251UD 的管脚定义如表 Fb2-2 所示。表 Fb2-2 TCD1251D 的管脚定CR1A时钟（第一相）SH转移栅CR 1

21、B时钟（第二相）CR 2A末极时钟（第一相）OS信号输出CR 2B末极时钟（第二相）DOS补偿输出电源悬空（3）电路原理图：（4）光学电子特性参数：表 FB2-3 所示为 TCD1251UD 的光学/电子特性参数其测试条件为：环境温度为室温Ta=25，电源电压 VOD =12V，驱动脉冲高电平为 VCR =VRS=VSH = 5V，驱动频率为 fCR=0.5MHZ，复位脉冲频率为 fRS =1MHZ，积分时间为 tINT=10ms，输入阻抗 = 100K ，光 源为 A 光源+CM500S 滤光片的情况下测得的。表 FB2-3 TCD1251UD 的参数注 释R263544Vlx.s（注释 2

22、）（注释 3）（注释 10）（注释 4）1.71.9（注释 5）0.05lxs（注释 6）0.5（注释 7）直流功率消耗180270动态范围DR3800（注释 8）4.55.8（注释 9）直流补偿输出电压VDOS直流差动误差电压VOS-VDOS2000.9（注释 11）（注释 2）采用 2854K 标准光源下测量值为：105Vlx.s采用 LED 光源（=567nm）测量值为：22.7Vlx.s;（注释 3）此为 50% SE 饱和曝光量（典型值）下测 定。xPRUN 定义为： PRNU = 100（%）x式中 x 为均匀照度下全部输出信号的平均值， x 为输出信号与 x 的最大偏差值。（注释

23、 4）此为 SE 50%饱和曝光量（典型值）下测定。 RI 定义如下：2699 xn - xn+1RI =n=1 2699 x 100（%）其中 xn 与 xn+1为相邻两个像敏单元的输出信号， x 为所有输出信号的平均值。（注释 5）VSAT 为所有有效像敏单元的最小饱和输出电压。（注释 6）SE 定义如下：SE =（lxs）（注释 7）VDRK 为所有有效像敏单元的暗信号电压平均 值。DSNU 定义为在 VMDK 为最大暗信号电压条件下 VDRK 与 VMDK 的差值。如图 FT2-4 所示。（注释 8）DR 定义为：DR =VSAT VDRK因 VDRK 与 tINT（积分时间）成比例，所以 tI