1、8.8 线阵CCD的应用实例8.8.1 钢板宽度的非接触自动测量在被测钢板的两边缘处分别安装远心照明光源系统，经探 测器的成像物镜使钢板的边 缘清楚地成像在CCD的像敏 面上。CCD输出信号经计算 机系统内的A/D数据采集卡 转换后，送到计算机系统进 行边界判断和钢板宽度的测 量。探测器1与探测器2分别 安装在同一个支撑架的两端， 它们的中心距为l0。,图8-31 钢板宽度的非接触自动测量系统,1.宽度测量原理稳定的远心照明光源1与2发出的光使被测钢板的边沿能够 被成像物镜清楚地成像在两个线阵CCD的像敏面上，CCD1与CCD2,图8-32 钢板宽度测量原理方框图,在同步脉冲的驱动下分 别输出
2、信号U 1与U 2。经 二值化处理或A/D转换 提取边界后，得到二值 化信号D 1与D 2。D 1的下 降沿对应于CCD1的第N 1 个像敏单元，D 2的上升 沿对应于CCD2的第N 2个像敏单元，它们又分别表示钢板边缘的 像在CCD1与CCD2像敏面上的位置。因此，可以推导出钢板的宽 度的计算公式，为（8-21）,图8-33 CCD的输出波形,式中，1与2分别为两个探测器光学成像物镜的横向放大倍 率，S0为CCD像敏单元长，式中的正负号要根据CCD的安装方向 确定。2.测量范围与测量精度(1)测量范围钢板宽度的测量测量范围与两探测器的中心距l0有关，即 与探测器安装架的调整与锁定方式有关。若
3、l0可以大范围的调 整与锁定，系统的测量范围将会很大。另外，宽度的测量范围还与两探测器成像物镜的横向放大 倍率1与2有关，与所选用的CCD像敏单元长及像元数N等参 数有关。,(2)测量精度对式（8-21）取微分，由于系统确定后除像元数N 1与N 2外 的其他参数均为常数，因此（8-22）测量精度与CCD的像元长度S 0、光学系统的放大倍率等参数 有关。当光学系统的横向放大倍率1与2均为1时，CCD的像 元长度S 0常为几毫米到十几毫米，因此宽度测量的精度很容易 做到高于0.1mm。3.测量速度线阵CCD测量周期为其转移脉冲SH的周期T，它由所选线阵 CCD的像元数N及驱动频率f 决定，通常有,
4、（8-23）式中，N d为大于线阵CCD虚设单元的任意数（由设计驱动器者 决定）。显然，N 与N d值越大，SH的周期T 越长，而提高驱动 频率f 将缩短SH的周期T，提高测量速度。一般驱动频率f 为数MHz，测量周期常为ms量级。,板材定长裁剪系统1.定长裁剪系统的结构被裁板材经传动轮和从动轮展开，并以一定的速度v 经过 裁减装置(剪刀)输送到光电检测系统。光电检测系统由光源、 光学成像系统、光电 器件构成。裁剪控制系统接 收信号处理系统发出 的执行命令，使剪刀 执行相应的裁剪动作。,图8-34 板材定长裁剪系统,2.定长裁剪原理设光电系统的中心安装在距裁剪剪刀口l0远处。当被裁板 材沿箭头
5、所示方向运动到光电探测系统的视场内，被裁板材边 缘的像成在光电器件的光敏面上，使光电器件输出的光电流减 小，输出电压降低。而且，随着板材的运动输出电压将越来越 小。当它减小到一定程度，判别电路将输出电压跳变，使板材 的运动停止，裁剪系统启动，剪刀下落将板材剪掉。当板材被剪掉后，光电器件又被光完全照亮，光电流又恢 复到最大值，它使剪刀抬起，启动传动系统使板材继续沿箭头 方向运动。实现传动与裁剪的自动控制。角度传感器可用来计量板材的总传输量。,3.定长裁剪系统精度分析若裁剪系统的光电传感器采用面积为S 的硅光电池(或硅 光电二极管)，在光敏面全被入射光照射时，光电流I L很大， 变换电路的输出为低
6、电位，用做整形的非门电路输出为高电 平。当光敏面部分被遮挡时，光电 流I L减少，变换电路的输出电位增 高，当它高于阈值电位U th值时， 非门电路输出将由高变低。输出控 制传输系统和剪刀动作的命令。,图8-35 光电变换电路,假设光源所发出的光经光学系统后均匀地投射到光电器件 上，光敏面上的照度为E 。当光电器件为矩形硅光电池时，它 输出的光电流I L与入射光照度E 的关系为I L = S E A （8-24）其中，S 矩形硅光电池的灵敏度，A 为光电器件的受光面积， 显然，在被裁板材没进入视场时为整个光电器件的光敏面。当被裁板材进入视场后，受光面积A 将减少，必将引起光 电流I L的下降。
7、考虑硅光电池的灵敏度S 为常数，光源所发 出的光是稳定的，故也是常数，则光电流I L的变化只与受光面 积A 有关。对于矩形硅光电池，面积为光电池的宽度b与长度L 的乘积，即,I L = S E b L （8-25）被裁板材进入视场后，设光电池被遮挡的长度为l，光电流变 为I L = S E b（L-l） （8-26）显然，光电流的变化与光电池被遮挡的长度l 有关，对式（8- 26）取微分得I L = S E b l （8-27）式中，负号表明光电流随遮挡量的增加而减少。可以推出图8-35中U 随遮挡量的变化关系为U = S E b R L l （8-28）,上式表明，控制精度与反向电路的电压鉴
8、别量有关，采用电压 比较器模块可以获得微伏级的鉴别精度，由式（8-28）推倒出 的理论控制精度可以达到微米量级。但由于光源的稳定度，和 生产环境（灰尘）、震动、背景光等因素的影响可能带来远远 超过计算的误差。选用PSD、线阵列光电二极管器件或线阵CCD 等传感器为光电探测器，可以克服上述因素带来的误差，使实 际控制精度得到提高。,课 堂 作 业 1.某半导体光电器件的长波限13m，试求其杂志电离能。 2.由输出功率为3W的氦-氖激光器发射的一光束均匀的投射到0.2cm2的白色屏幕上。问屏幕上的光照度为多少?如屏幕的辐射度光谱反射比为0.8，其光出射度为多少?(v()=0.24),作 业1.设某
9、只CdS光敏电阻的最大功耗为30mW，其光电导灵敏度 Sg=0.5106S/lx，暗电导g0=0。在如图所示的照明灯控制 电路中，用CdS光敏电阻作光电传感器，若已知继电器绕组 的电阻为5k，继电器的吸合电流为2mA，电阻器R=1k时， 问为使继电器吸合所需要的照度为多少lx？要使继电器在3 lx时吸合，问应如何调整电阻器R？,作 业2.在如图所示的电路中，已知Rb=820，Re=3.3k，UW=4V， 光敏电阻为RP，当光照度为40lx时输出电压为6V，80 lx时为 9V。（设该光敏电阻在30到100lx之间的值不变）试求：1) 输出电压为8伏时的照度为多 少？2) 若Re增加到6k，输出电压仍然为8伏，问此时的照度为多少？3) 若光敏面上的照度为70lx，问Re=3.3k与Re=6k时的输出电压各为多少？4) 该电路在输出8V时的电压灵敏度为多少？,作 业 3,1.光电倍增管GDB44F的阴极光照灵敏度为0.5A/lm，阳极光 照灵敏度为50 A/lm，长期使用时阳极允许电流应限制在2A 以内。问:1）阴极面上最大允许的光通量为多少lm？2）当阳极电阻为75K时，问其最大的输出电压为多少？3）若已知该光电倍增管为12级的Cs3Sb倍增极，其倍增系数为= 0.2(UDD)0.7，试计算它的供电电压值？4）当要求输出信号的稳定度为1%时，求高压电源电压的稳定度应为多少？,
