光電技術(shù) 第5版 課件 第12章12.1 光電信息綜合實(shí)驗(yàn)

第12章光電信息綜合實(shí)驗(yàn)與設(shè)計(jì)本章目的是在學(xué)習(xí)完“光電技術(shù)”理論課與實(shí)驗(yàn)課以后再通過(guò)光電技術(shù)課程設(shè)計(jì)讓學(xué)生加深對(duì)光電技術(shù)內(nèi)容與基本技能掌握，在能夠分析光電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上逐漸掌握系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技巧。系統(tǒng)學(xué)習(xí)“電子技術(shù)”、“工程光學(xué)”、“圖像傳感器應(yīng)用技術(shù)”、“機(jī)器視覺(jué)技術(shù)”和其他光電技術(shù)專業(yè)課后再通過(guò)“光電信息綜合實(shí)驗(yàn)”掌握本專業(yè)應(yīng)該掌握的基本技能，才能為最后一個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)“畢業(yè)設(shè)計(jì)”打好基礎(chǔ)。本章內(nèi)容不作為“光電技術(shù)”課的教學(xué)內(nèi)容安排，而作為“光電技術(shù)課程設(shè)計(jì)”與“光電信息綜合實(shí)驗(yàn)”的參考案例。12.1光電信息綜合實(shí)驗(yàn)綜合實(shí)驗(yàn)題目要思路清晰，內(nèi)容要完整，技術(shù)層面盡量豐富，即要有別于通常理論課配備的實(shí)驗(yàn)，又不能過(guò)于繁復(fù)。綜合實(shí)驗(yàn)課時(shí)間安排與執(zhí)行方法也應(yīng)該與其他實(shí)驗(yàn)課不同，需要一定的連貫性，要根據(jù)學(xué)生動(dòng)手搭建與調(diào)試的能力適當(dāng)安排更長(zhǎng)的連續(xù)操作時(shí)間。為此，選擇“非接觸測(cè)量物體位置與振動(dòng)參數(shù)實(shí)驗(yàn)”12.1.1實(shí)驗(yàn)原理1.物體位置測(cè)量原理如圖12.1-1所示，主要由照明光源、被測(cè)物、成像物鏡、線陣CCD光電傳感器和數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)等構(gòu)成。怎樣將物體的位置信息轉(zhuǎn)換成光強(qiáng)發(fā)布的時(shí)序脈沖信號(hào)呢？需要借助線陣CCD工作原理的波形圖分析理解。如圖12.1-2所示的原理圖中，被測(cè)物經(jīng)成像物鏡在線陣CCD像敏陣列上形成圖像，圖中n1與n2分別為圖像邊緣處的像元數(shù)。被測(cè)物做垂直于光軸運(yùn)動(dòng)，n1與n2將發(fā)生變化，測(cè)量出n1與n2就能計(jì)算出被測(cè)物體在垂直于光軸方向的位置。利用圖12.1-3能夠理解n1與n2的提取技術(shù)。利用SH、FC行同步脈沖和二值化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)很容易提取出n1與n2等邊界數(shù)據(jù)。得到n1與n2后，便可計(jì)算出物體的中心在線陣CCD像敏陣列上的位置n。找物體中心在線陣CCD像敏陣列上的位置n還不能給出實(shí)際物體中心的有用位置，需要通過(guò)標(biāo)定才能獲得在一定坐標(biāo)系下的位置。坐標(biāo)系的設(shè)定通常以光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)的光軸為參考坐標(biāo)，并設(shè)其為y0，線陣CCD相機(jī)結(jié)構(gòu)基本使y0與像敏陣列中心像元n0位置，因此，常用n0為測(cè)量的參考點(diǎn)。則物體像的位置y(t)′時(shí)間函數(shù)為出現(xiàn)正與負(fù)數(shù)值，與線陣CCD的安裝方法有關(guān)。如圖12.1-2所示，n2＞n1，則中心位于線陣CCD像敏陣列中心像元n0的下方，得到的位置y(t)′為負(fù)值，根據(jù)物象關(guān)系得到實(shí)際物體的中心位置位于光軸之上。2、光學(xué)系統(tǒng)放大倍率的標(biāo)定利用已知被測(cè)物外徑D與實(shí)測(cè)像方直徑D′之比進(jìn)行標(biāo)定。上述公式能夠完成被測(cè)物體瞬時(shí)位置的測(cè)量。3、時(shí)間坐標(biāo)問(wèn)題時(shí)間段指線陣CCD的“積分時(shí)間”，既指轉(zhuǎn)移脈沖SH或同步脈沖FC的周期。即線陣CCD的積分時(shí)間ting。ting可以用示波器測(cè)量SH脈沖的周期TSH或FC脈沖的周期TFCtCR為驅(qū)動(dòng)脈沖的周期，與頻率fCR成反比，N為一個(gè)轉(zhuǎn)移脈沖SH時(shí)間內(nèi)必須給出的驅(qū)動(dòng)脈沖CR的數(shù)量與線陣CCD像元數(shù)有關(guān)。提高物體位置測(cè)量速度的關(guān)鍵是（1）采用驅(qū)動(dòng)頻率較高的器件，（2）采用像元數(shù)盡量少的器件，（3）減少不必要的轉(zhuǎn)移脈沖數(shù)量。12.1.2非接觸測(cè)量物體位置與振動(dòng)參數(shù)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容根據(jù)原理圖圖12.1-1與圖12.1-2搭建出實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。它應(yīng)該由具有遠(yuǎn)心照明特性的光源、被測(cè)物夾持與移動(dòng)機(jī)構(gòu)和具有光學(xué)成像系統(tǒng)的線陣CCD相機(jī)等部件構(gòu)成。顯然是比較復(fù)雜的綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，需要分成幾個(gè)分項(xiàng)實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行，使它既具有整體性又具有可拆分性的綜合性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)。分幾個(gè)相對(duì)獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行搭建與調(diào)試，合起來(lái)構(gòu)成一個(gè)完整的光電信息綜合實(shí)驗(yàn)。1、搭建遠(yuǎn)心照明光源的實(shí)驗(yàn)搭建出具有遠(yuǎn)心照明特性的照明光源，要求光源的出光口徑大于被測(cè)物的移動(dòng)（振動(dòng)）范圍。（1）實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)是要選擇合適的聚光透鏡與準(zhǔn)直透鏡，并要掌握透鏡焦距的測(cè)量方法。圖12.1-4為搭建遠(yuǎn)心照明光源的實(shí)驗(yàn)示例圖，圖中沒(méi)有給出所選器件的參數(shù)和器件之間的位置參數(shù)。目的是給指導(dǎo)教師與學(xué)生自己設(shè)計(jì)選用的空間，參數(shù)的變化會(huì)直接影響遠(yuǎn)心照明光源的性能與參數(shù)。由圖12.1-4很容易總結(jié)出所用的實(shí)驗(yàn)器材。當(dāng)然要根據(jù)自己手里容易找到的器材而不要模仿，要注重創(chuàng)新，也許你采用的器材要好于示例圖所用器材。圖12.1-4遠(yuǎn)心照明實(shí)驗(yàn)示例圖（2）實(shí)驗(yàn)步驟將所有被選用的器件安放在平臺(tái)上，并使光學(xué)元件的中心等高，再按如圖12.1-4所示結(jié)構(gòu)安裝。建議先安裝LED光源，并讓其發(fā)光，再安裝聚光鏡，找出光軸，測(cè)量出聚光鏡的焦點(diǎn)位置，然后根據(jù)準(zhǔn)直物鏡的焦距安裝準(zhǔn)直物鏡。像屏是用來(lái)查看準(zhǔn)直物鏡發(fā)出的光斑是否有大小變化，如果沒(méi)有，則為調(diào)整到位。（3）記錄與討論調(diào)整好后要記得將系統(tǒng)參數(shù)記錄下來(lái)，內(nèi)容包括聚光鏡與準(zhǔn)直物鏡的口徑與焦距；以光源為參考點(diǎn)，測(cè)量?jī)芍煌哥R的位置；分析搭建出的遠(yuǎn)心照明光源的有效工作距離有多少？有效孔徑是多少？討論調(diào)整哪些參數(shù)能夠改善與提高其性能參數(shù)？（4）畫(huà)出系統(tǒng)光路圖要求根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)畫(huà)出遠(yuǎn)心照明光源的光路圖，并在圖上標(biāo)注出每個(gè)光學(xué)器件的位置參數(shù)。（5）調(diào)整、記錄與分析更換聚光鏡，觀察遠(yuǎn)心光源結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化及對(duì)其準(zhǔn)直特性的影響；更換LED燈，如將其換成單色LED光源，觀察遠(yuǎn)心照明光源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化與對(duì)其準(zhǔn)直特性的影響；更換準(zhǔn)直物鏡的焦距與口徑觀察遠(yuǎn)心光源結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化及對(duì)其準(zhǔn)直特性的影響；要想使準(zhǔn)直物鏡焦距變長(zhǎng)，遠(yuǎn)心照明光源的其他部件將做哪些變化？2、搭建被測(cè)物夾持機(jī)構(gòu)與移動(dòng)機(jī)構(gòu)的搭建實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室的條件和選用的具體被測(cè)物的形位尺寸與位移或運(yùn)動(dòng)的要求搭建出被測(cè)物的夾持實(shí)驗(yàn)機(jī)構(gòu)。必須考慮實(shí)驗(yàn)過(guò)程中是否要求被測(cè)物體做有規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，如果要求被測(cè)物體做規(guī)則運(yùn)動(dòng)，就必須考慮拖動(dòng)問(wèn)題，夾持機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性必然提高。（1）能夠沿水平方向定量移動(dòng)的夾持機(jī)構(gòu)如圖12.1-5所示的移動(dòng)架裝置可以將被測(cè)物（目標(biāo)物）安裝在其上螺孔上，在千分尺帶動(dòng)下被測(cè)物能夠做定量的移動(dòng)。被測(cè)物安裝在能夠垂直調(diào)整高度的調(diào)整架上，通過(guò)螺栓固定到圖12.1-5移動(dòng)裝置上，構(gòu)成如圖12.1-6所示能夠移動(dòng)被測(cè)物。圖12.1-5微動(dòng)移動(dòng)裝置圖12.1-6被測(cè)物做定量移動(dòng)的裝置將圖12.1-6所示的裝置安放到位移量測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，能夠成像使被測(cè)物在線陣CCD像敏陣列上做平行于陣列方向的移動(dòng)，完成測(cè)量物體定量移動(dòng)的實(shí)驗(yàn)。（2）能夠在水平方向做周期運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)為完成利用線陣CCD測(cè)量物體振動(dòng)的實(shí)驗(yàn)，需要設(shè)置能夠?qū)崿F(xiàn)讓物體在水平方向上做有規(guī)則運(yùn)動(dòng)的裝置。如圖12.1-7所示為一款能夠帶動(dòng)被測(cè)物體完成正弦規(guī)律運(yùn)動(dòng)的裝置。振動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置上安裝的被測(cè)物在內(nèi)部電機(jī)的帶動(dòng)下可以在水平方向上做位移，并與時(shí)間成正弦函數(shù)關(guān)系的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，電機(jī)的速度（或正弦函數(shù)的頻率）可以通過(guò)調(diào)速旋鈕進(jìn)行調(diào)整。圖12.1-7

被測(cè)物做正弦移動(dòng)的裝置振動(dòng)方向垂直于紙面，線陣CCD像敏陣列方向也應(yīng)垂直于紙面。3、線陣CCD光電傳感器的調(diào)整實(shí)驗(yàn)線陣CCD光電傳感器應(yīng)該包括成像物鏡、線陣CCD與驅(qū)動(dòng)器三部分的組合體。成像物鏡需要通過(guò)接圈與線陣CCD相機(jī)相連接才能確保通過(guò)成像物鏡使被測(cè)物準(zhǔn)確的成像到CCD像敏陣列上。如圖12.1-8所示為與接圈相連接的成像鏡頭。做實(shí)驗(yàn)時(shí)需要根據(jù)所成圖像的質(zhì)量對(duì)光圈、調(diào)焦環(huán)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，以便獲得最佳的輸出波形，確保測(cè)量準(zhǔn)確。振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)安裝時(shí)必須確保被測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)方向與線陣CCD像敏陣列平行，因此在要注意觀察線陣CCD像敏陣列的方向，線陣CCD相機(jī)外形如圖12.1-9所示。線陣CCD相機(jī)內(nèi)部裝有線陣CCD芯片與驅(qū)動(dòng)器，并將同步脈沖與輸出的視頻信號(hào)通過(guò)電纜送到安裝有線陣CCD采集卡的計(jì)算機(jī)內(nèi)（光電綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)內(nèi)部含有計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與采集卡），再通過(guò)相應(yīng)軟件可以完成用線陣CCD非接觸測(cè)量物體振動(dòng)的實(shí)驗(yàn)。4、物體位置與位移測(cè)量實(shí)驗(yàn)物體位置與位移測(cè)量實(shí)驗(yàn)屬于靜態(tài)實(shí)驗(yàn)，利用上述部件可以自行搭建出如圖12.1-10所示的物體位置與位移的測(cè)量系統(tǒng)。5、非接觸測(cè)量物體振動(dòng)的實(shí)驗(yàn)非接觸測(cè)量物體振動(dòng)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖12.1-11所示，它由遠(yuǎn)心照明光源、線陣CCD相機(jī)與被測(cè)物體構(gòu)成。圖12.1-11

測(cè)量物體振動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖物體振動(dòng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)調(diào)試好后便可打開(kāi)“用線陣CCD測(cè)量物體振動(dòng)”實(shí)驗(yàn)軟件，彈出如圖12.1-12所示的測(cè)量軟件界面，先觀察線陣CCD輸出信號(hào)的波形，看其是否需要調(diào)整。調(diào)整步驟如下：①先點(diǎn)擊“曲線”菜單，觀察線陣CCD的輸出信號(hào)，根據(jù)輸出信號(hào)波形判斷是否需要調(diào)整光學(xué)成像物鏡和CCD的工作參數(shù)，若CCD的輸出信號(hào)波形已經(jīng)是如圖12.1-12所示，邊沿比較陡直，則沒(méi)必要再調(diào)整成像物鏡的光圈與焦距，如果輸出信號(hào)的寬度太窄，則應(yīng)該調(diào)整成像物鏡的光圈使物體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不會(huì)超出輸出信號(hào)波形的高電平范圍（視場(chǎng)）。圖12.1-12振動(dòng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)軟件界面

②若輸出信號(hào)波形不夠陡直，則應(yīng)調(diào)整成像物鏡調(diào)焦環(huán)，使被測(cè)物在線陣CCD上成的像盡量清晰，曲線的邊界陡直。③如果發(fā)現(xiàn)輸出波形的幅度太低，可以適當(dāng)增大積分時(shí)間，利用積分時(shí)間調(diào)整對(duì)話框進(jìn)行選擇。④波形調(diào)整好后再調(diào)整二值化的幅度，在“閾值設(shè)置”菜單里有2各操作按鈕可以選擇，“浮動(dòng)閾值”與“固定閾值”，圖中選擇了“浮動(dòng)閾值”，在選擇浮動(dòng)閾值后還需選擇其浮動(dòng)量，用百分比表示，圖中選擇了50%。若選擇“固定閾值”則須設(shè)置0~255的數(shù)值。設(shè)置好以后，閾值線（黃色線）將顯示在坐標(biāo)系上。⑤上述調(diào)整過(guò)程完成后便可以進(jìn)入測(cè)量成像物鏡放大倍率的設(shè)置步驟，在軟件界面上按著界面提示的內(nèi)容與步驟一步步地進(jìn)行操作，便可以自動(dòng)計(jì)算出光學(xué)系統(tǒng)的放大倍率。然后再選擇“連續(xù)”菜單，點(diǎn)擊執(zhí)行，放大倍率與測(cè)量數(shù)據(jù)等會(huì)分別顯示在對(duì)話框內(nèi)。⑥軟件能夠?qū)?dāng)前物體振動(dòng)的波形在界面上描繪出來(lái)，直觀的顯示在實(shí)驗(yàn)者眼前。⑦調(diào)整驅(qū)動(dòng)電機(jī)速度旋鈕（LCCDAD-Ⅱ-B型線陣CCD應(yīng)用開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)儀的工作臺(tái)上裝有），使電機(jī)的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，觀察界面上輸出波形曲線的變化速率與界面上所出現(xiàn)的振動(dòng)波形會(huì)跟隨，所測(cè)數(shù)據(jù)變化。⑧點(diǎn)擊界面的“停止”菜單，振動(dòng)將停止，可將振動(dòng)測(cè)量結(jié)果抄錄下來(lái)，或采用“保存”菜單將測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)保存到相應(yīng)的文件夾內(nèi)。12.1.3數(shù)據(jù)分析與實(shí)驗(yàn)總結(jié)1、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)內(nèi)容（1）位移測(cè)量實(shí)驗(yàn)靜態(tài)測(cè)量，數(shù)據(jù)主要由給定值與測(cè)量值（n1與