實(shí)驗(yàn)七線陣CCD應(yīng)用實(shí)驗(yàn)

1、實(shí)驗(yàn)七線陣CCD應(yīng)用實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)（一）利用線陣CCD進(jìn)行圖像掃描一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑诠怆娂夹g(shù)、機(jī)器視覺技術(shù)中數(shù)字圖像的產(chǎn)生與分解是非常重要的基礎(chǔ)知識，掌握圖像的產(chǎn)生與分解對于如何利用圖像，從圖像中解析出我們所要檢測的目的信號無疑是機(jī)器視覺技術(shù)最為重要的環(huán)節(jié)。本實(shí)驗(yàn)利用彩色線陣CCD圖像傳感器對彩色實(shí)物進(jìn)行掃描而獲得數(shù)字圖像，并對掃描圖像的解析方法、圖像的形成方法和數(shù)字圖像的特點(diǎn)等重要內(nèi)容深入學(xué)習(xí)，掌握數(shù)字圖像的產(chǎn)生過程。二、實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備內(nèi)容（1）學(xué)習(xí)有關(guān)CCD的知識。（2）學(xué)習(xí)用線陣CCD傳感器進(jìn)行實(shí)物掃描成像的原理，分析為什么用彩色線陣CCD能夠?qū)?shí)物進(jìn)行真彩色掃描成像。（3）用彩色線陣CCD進(jìn)行圖像掃描

2、時(shí)應(yīng)該注意哪些問題？彩色線陣CCD的工作頻率、掃描電機(jī)的轉(zhuǎn)速與照明光源的亮度之間存在著怎樣的關(guān)系？（4）為什么說掃描同步問題是線陣CCD圖像掃描技術(shù)的關(guān)鍵問題，如何解決掃描圖像的同步問題？三、實(shí)驗(yàn)所需儀器設(shè)備（1） LCCDAD-A型線陣CCD應(yīng)用開發(fā)實(shí)驗(yàn)儀一臺；（2）裝有VC+軟件及相關(guān)實(shí)驗(yàn)軟件的PC計(jì)算機(jī)或GDS-型光電綜合實(shí)驗(yàn)平臺一臺；四、實(shí)驗(yàn)步驟1. 實(shí)驗(yàn)預(yù)備（1）首先將實(shí)驗(yàn)儀的數(shù)據(jù)端口和計(jì)算機(jī)或GDS-型光電綜合實(shí)驗(yàn)平臺的USB端口用專用USB數(shù)據(jù)線纜連接好并合上實(shí)驗(yàn)儀的主電源開關(guān)。（2）打開計(jì)算機(jī)電源，完成系統(tǒng)啟動(dòng)后進(jìn)入下一步操作。（3）確認(rèn)已經(jīng)正確安裝實(shí)驗(yàn)儀軟件。2. 圖像掃描（

3、1）將貼好圖片的掃描滾筒安裝在掃描支架上，鎖緊螺釘，使實(shí)驗(yàn)裝置組成如圖1所示的彩色圖像掃描實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)；圖1 線陣CCD進(jìn)行彩色圖像掃描成像的實(shí)驗(yàn)（2）打開計(jì)算機(jī)電源，找到圖像掃描實(shí)驗(yàn)軟件，在計(jì)算機(jī)顯示屏上彈出如圖2所示的圖像掃描實(shí)驗(yàn)軟件主界面；圖2 線陣CCD掃描成像主界面（3）先點(diǎn)擊界面中的“曲線”菜單，觀察彩色線陣CCD輸出的R、G和B輸出波形曲線（在顯示屏上分別用R、G、B三種顏色顯示），再根據(jù)曲線的特點(diǎn)決定對光學(xué)成像系統(tǒng)是否進(jìn)行調(diào)試；如果曲線已經(jīng)如圖3所示曲線邊沿較陡，看上去比較“毛草”，說明已經(jīng)調(diào)好了焦，圖像的高頻細(xì)節(jié)已經(jīng)顯現(xiàn)，就不要再調(diào)；圖3 彩色線陣CCD輸出的3路信號（4）調(diào)試過

4、程為先調(diào)整光圈使其輸出幅度居中偏高些以便掃描出來的圖像灰度階更為豐富；但是不能使CCD輸出信號進(jìn)入飽和區(qū)，否則將出現(xiàn)高亮度區(qū)域偏白而無法顯示圖像顏色；（5）然后再調(diào)整成像物鏡的焦距，使觀測到的曲線盡量陡直或如圖3所示的波形顯得比較毛糙（是高頻分量較好的表現(xiàn)），才為調(diào)試到較為理想狀況；當(dāng)然準(zhǔn)確調(diào)焦后掃描出來的圖像視覺效果可能并不理想，圖像的細(xì)節(jié)表現(xiàn)明顯，圖像的缺陷暴露無疑。所以有時(shí)為了視覺效果常有意進(jìn)行“離焦處理”以便掩蓋圖像本身的缺陷。在產(chǎn)品表面質(zhì)量檢測中應(yīng)盡量提高圖像的清晰度，盡量使成像物鏡調(diào)整到最佳理想像面。當(dāng)所觀察到的輸出波形（曲線波形）表明光學(xué)成像系統(tǒng)已經(jīng)調(diào)好后（曲線斜率越陡直說明光學(xué)

5、成像系統(tǒng)的焦距調(diào)整得越好），信號的幅度也能滿足掃描要求便可以進(jìn)行下一步掃描實(shí)驗(yàn)。若幅度不滿足需要，則應(yīng)調(diào)整成像物鏡的光圈、CCD的積分時(shí)間與驅(qū)動(dòng)頻率等參數(shù)，使曲線的幅度達(dá)到掃描圖像的要求；（6）波形曲線調(diào)好后執(zhí)行停止菜單，在如圖2所示的菜單中選中“圖像”菜單，將彈出如圖4所示的圖像掃描設(shè)置與控制主菜單；（7）選中圖4所示軟件界面上的“開始掃描”菜單，執(zhí)行后，掃描電機(jī)將帶動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，程序自動(dòng)進(jìn)入判斷掃描起始點(diǎn)并進(jìn)入自動(dòng)掃描工作過程，并不斷在界面上顯示正在掃描的行數(shù)；界面上同時(shí)彈出掃描進(jìn)度條，完成整幅畫面的掃描后將在屏幕上自動(dòng)顯示出如圖5所示的整幅圖像；（8）利用如圖4所示的掃描界面上的“水平方向

6、”與“垂直方向”的縮、放控制鍵進(jìn)行x、y兩個(gè)方向的縮放調(diào)整，使所顯示的圖像適于觀看；（9）將顯示的圖像屏拷至實(shí)驗(yàn)記錄文檔中。圖4 圖像掃描軟件界面圖5 掃描所得的數(shù)字圖像（10）改變驅(qū)動(dòng)頻率與積分時(shí)間的檔位，再次進(jìn)行圖像掃描，觀察掃描出來的圖像變化情況，分析圖像發(fā)生變化的原因；（11）調(diào)整掃描電機(jī)的轉(zhuǎn)速（提高或降低），然后再次進(jìn)行圖像掃描，觀察掃描出來的圖像，分析掃描速度與圖像質(zhì)量的關(guān)系；（12）通過上述參數(shù)的設(shè)置與變化，總結(jié)出用線陣CCD掃描實(shí)際運(yùn)動(dòng)圖像（畫面）時(shí)為什么要強(qiáng)調(diào)掃描速度要恒定，通過實(shí)驗(yàn)，是否能夠充分認(rèn)識到圖像掃描的關(guān)鍵技術(shù)；3. 結(jié)束與關(guān)機(jī)（1）先退出實(shí)驗(yàn)程序，關(guān)實(shí)驗(yàn)儀的電源開

7、關(guān)；（2）將所作實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)與圖像可靠地存儲到指定的文件夾內(nèi)，退出實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟件，關(guān)閉計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；（3）關(guān)掉總電源；（4）整理好所有實(shí)驗(yàn)器材與工具，放回原處。實(shí)驗(yàn)（二）條形碼的測量與識別實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康纳虉雠c超市收銀臺處很容易看到收銀員利用條碼掃描儀器直接對商品上的條形碼進(jìn)行掃描獲得商品的名稱、型號與單價(jià)，然后收銀機(jī)將打出所掃商品的單價(jià)或總價(jià)。本實(shí)驗(yàn)的主要目的是認(rèn)識條碼掃描儀的基本原理，學(xué)習(xí)線陣CCD在收銀機(jī)、商品流通與庫管等方面的應(yīng)用。二、實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備內(nèi)容首先對條形碼圖形應(yīng)有較為深刻的認(rèn)識，然后在對條形碼信息的數(shù)據(jù)采集問題進(jìn)行研究。當(dāng)然，本實(shí)驗(yàn)不去研究如何編排條形碼的信息，而是如何用線陣CCD數(shù)據(jù)采

8、集系統(tǒng)采集條形碼的信息和怎樣將條形碼所載荷的信息檢測出來。三、實(shí)驗(yàn)所需儀器設(shè)備（1）LCCDAD-A型線陣CCD應(yīng)用開發(fā)實(shí)驗(yàn)儀一臺；（2）裝有VC+軟件及相關(guān)實(shí)驗(yàn)軟件的PC計(jì)算機(jī)或GDS-型光電綜合實(shí)驗(yàn)平臺一臺；四、實(shí)驗(yàn)步驟1、實(shí)驗(yàn)預(yù)備（1）首先將實(shí)驗(yàn)儀的USB數(shù)據(jù)端口與計(jì)算機(jī)或GDS-型光電綜合實(shí)驗(yàn)平臺的USB端口用專用USB數(shù)據(jù)線纜連接好并合上實(shí)驗(yàn)儀的主電源開關(guān)。（2）打開計(jì)算機(jī)電源，完成系統(tǒng)啟動(dòng)后進(jìn)入下一步操作。（3）確認(rèn)已經(jīng)正確安裝實(shí)驗(yàn)軟件。否則，請安裝實(shí)驗(yàn)軟件。（4）準(zhǔn)備工作完成后關(guān)掉實(shí)驗(yàn)儀的電源，等待改變實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)。2、條碼掃描儀的基本原理(1) 通用商品條形碼的基本結(jié)構(gòu)目前世界上常

9、用的碼制有ENA條形碼、UPC條形碼、二五條形碼、交叉二五條形碼、庫德巴條形碼、三九條形碼和128條形碼等，而商品上最常使用的就是EAN商品條形碼。如圖1所示為我國商品流通中的典型條形碼條碼，一般由13位數(shù)字組成，用來標(biāo)明商品的國別、產(chǎn)地、制造廠商代碼、商品代碼和校驗(yàn)碼等信息如圖2所示，例如00-09代表美國、加拿大，4549代表日本，690-692代表中國大陸，471代表我國臺灣地區(qū)，489代表香港特區(qū)。EAN商品條形碼分為EAN13（標(biāo)準(zhǔn)版）和EAN8（縮短版）兩種。由13位數(shù)字碼或8位數(shù)字碼以及于之相對應(yīng)的條碼組成。數(shù)字為識別者直接用人眼讀出，而條碼為機(jī)器視覺準(zhǔn)備。圖1 典型商品的條形碼

10、圖2 條形碼信息編碼規(guī)律條碼下方的數(shù)字和上方的條碼是對應(yīng)的，計(jì)算機(jī)識別數(shù)字是困難的而識別黑白條或0和1是容易的。為此，通過黑白條的寬度和位置便可以將表示的數(shù)字信號輸送給計(jì)算機(jī)。這些黑白條稱為數(shù)據(jù)符，對應(yīng)最后幾位數(shù)字的黑白條稱為校驗(yàn)符。利用黑白條能夠識別出商品的各種信息。如圖1所示的標(biāo)準(zhǔn)版的條碼具體結(jié)構(gòu)為：從左向右看去，空白后由2個(gè)細(xì)長黑條開始（起始符）、左側(cè)數(shù)據(jù)符、中間分隔符（2個(gè)細(xì)長黑條）、右側(cè)數(shù)據(jù)符、校驗(yàn)符、終止符（2個(gè)細(xì)長黑條）和右側(cè)空白區(qū)等部分構(gòu)成。前綴碼的首位（數(shù)字）上方?jīng)]有條碼，其他數(shù)字上方均有條碼。條中黑的單元稱為條（有粗細(xì)之分），白的單元稱為空，也有粗有細(xì)。條表示11111；空

11、表示00000。條空的粗細(xì)由不同數(shù)目的模塊組成。粗細(xì)分為四檔，以起始碼條的寬度為一個(gè)單位，細(xì)條代表“1”，四個(gè)單位寬度為“1111”，同樣，空的寬度代表“0”的個(gè)數(shù)。左邊的兩個(gè)細(xì)長條、中間兩個(gè)細(xì)長條的和右邊的兩個(gè)細(xì)長條（起始符、分隔符與終止符）均具有數(shù)字意義，起始符與終止符均為101，占3個(gè)模塊，而分隔符代表01010占5個(gè)模塊。數(shù)據(jù)符與校驗(yàn)符均由7個(gè)模塊組成，其“二進(jìn)制”數(shù)如表1表示。表1 數(shù)據(jù)符與校驗(yàn)符的“二進(jìn)制”數(shù)表示我國的前置碼是6，由國際物品編碼協(xié)會(huì)規(guī)定左側(cè)的數(shù)據(jù)組合應(yīng)為ABBBAA。右側(cè)數(shù)據(jù)符與校驗(yàn)符都用C組的二進(jìn)制代表數(shù)字。標(biāo)準(zhǔn)版的前置碼不用條碼表示，不包括在左側(cè)數(shù)據(jù)符內(nèi)。而縮短

12、版的前置碼要用條碼表示，包括在左側(cè)數(shù)據(jù)符內(nèi)，并且左側(cè)數(shù)據(jù)符均為A組表示，右側(cè)數(shù)據(jù)符及校驗(yàn)符用C組。(2) 數(shù)字與條碼的對應(yīng)關(guān)系根據(jù)我國前置碼6，中間分隔符左側(cè)的數(shù)據(jù)符組合應(yīng)為ABBBAA，中間分隔符右側(cè)數(shù)據(jù)符及校驗(yàn)符應(yīng)為C組。例如：A組數(shù)字為3，B組數(shù)字為2，便可以用圖3所示的條碼表示。圖3 典型條形碼的數(shù)組構(gòu)成將如圖1所示的條碼用模塊表示則對應(yīng)的標(biāo)示應(yīng)為如表2所示。表2 如圖1所示的條形碼的模塊表示(2) 條碼掃描的原理貼于商品上的信息條形碼為被測物，它被LED或LD光源照亮，被照亮的信息條形碼經(jīng)成像物鏡成像于線陣CCD的像敏單元陣列上形成如圖4（a）所示的一維時(shí)序信號，經(jīng)二值化處理電路后輸

13、出如圖4（b）所示的條形方波脈沖信號，盡管它的橫軸是時(shí)間軸，但是，也是像元序號軸或空間位置軸。它包含有條的位置、寬度等信息，可以將事先編制好的信息讀出來。通過所讀的信息找到相應(yīng)商品的信息碼，知道商品的類型、編號、產(chǎn)地等，再通過預(yù)先編制的軟件或數(shù)據(jù)庫將各類商品的質(zhì)量、數(shù)量、存放地、單價(jià)、物流量與利潤等多種信息編制出來，完成多種實(shí)用功能。這便是條碼掃描儀的基本原理。圖4 條碼掃描輸出波形的處理3、實(shí)驗(yàn)裝置的搭建將LCCDAD-A型線陣CCD應(yīng)用開發(fā)實(shí)驗(yàn)儀上的配件（仿條形碼的信息圖形條）安裝到如圖7-5所示的位置上，轉(zhuǎn)動(dòng)滾筒使條形碼的位置恰好被彩色線陣CCD相機(jī)所接收，信息條的明、暗圖形通過成像物鏡

14、成于彩色線陣CCD的光敏陣列上。構(gòu)成條碼掃描儀的基本結(jié)構(gòu)。4、開機(jī)實(shí)驗(yàn)打開實(shí)驗(yàn)儀的電源開關(guān)，執(zhí)行條碼掃描實(shí)驗(yàn)軟件，彈出如圖5所示的實(shí)驗(yàn)軟件主界面，在主界面的提示下進(jìn)行條形碼的測量與識別實(shí)驗(yàn)。圖5 條形碼掃描實(shí)驗(yàn)示意圖1、條碼掃描在如圖6所示的條碼掃描實(shí)驗(yàn)軟件主界面上點(diǎn)擊“曲線”菜單，顯示屏上將顯示含有條碼信息的波形曲線，觀察曲線是否有進(jìn)入飽和區(qū)的信號或幅度太低無法讀出的現(xiàn)象，若有前述問題，先通過調(diào)整光學(xué)系統(tǒng)、積分時(shí)間或驅(qū)動(dòng)頻率的方法使輸出幅度恰好滿足要求。再執(zhí)行“連續(xù)”菜單，顯示器上將顯示出如圖7所示的條碼信息再現(xiàn)于顯示器屏幕上；屏幕的上半部分為線陣CCD采集的條形碼的波形曲線，它既是時(shí)間函數(shù)

15、又是條碼信息的空間分布，經(jīng)軟件處理后得到與圖1所示的信息條碼圖形相似的條碼，測量采集的條碼寬度，并以最左側(cè)的一組黑白條的寬度為條與空的基準(zhǔn)寬度，然后根據(jù)編碼規(guī)則便可以將商品的信息代碼識別出來，顯示在軟件界面條碼值對話框中。圖6 掃描實(shí)驗(yàn)軟件界面圖7 線陣CCD實(shí)驗(yàn)儀掃出的條碼波形2、讀出條碼信息內(nèi)容先將如圖1所示圖案的條形碼安裝到掃描支撐架上，其包含的信息如圖下方數(shù)字符所示，在如圖6所示的條碼掃描實(shí)驗(yàn)軟件主界面上點(diǎn)擊“連續(xù)”菜單，界面下方“條碼值”對話框內(nèi)將條碼的數(shù)值顯示出來；觀察計(jì)算機(jī)軟件讀出的數(shù)值是否與條碼下方標(biāo)明的數(shù)值相符；若有錯(cuò)誤，分析錯(cuò)誤原因。3、找尋影響條碼識別的主要因素做完上述試

16、驗(yàn)后可以進(jìn)行找尋影響條碼識別主要因素的實(shí)驗(yàn)，先調(diào)整成像物鏡的調(diào)焦環(huán)，使像面離開理想像面，CCD輸出信號的波形變壞，觀察條碼識別情況，逐漸加劇直到影響識別位置；調(diào)焦環(huán)恢復(fù)正常后，再調(diào)整光圈，重復(fù)上述采集實(shí)驗(yàn)觀察識別情況，獲得光學(xué)參數(shù)的變化對識別的影響情況?；謴?fù)正常識別后再進(jìn)行CCD參數(shù)調(diào)整對識別的影響實(shí)驗(yàn)，調(diào)整驅(qū)動(dòng)器的參數(shù)，觀察識別情況。4、關(guān)機(jī)結(jié)束（1）先退出實(shí)驗(yàn)程序，再關(guān)閉實(shí)驗(yàn)儀的電源；（2）關(guān)閉計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；（3）關(guān)掉總電源；（4）整理好所有的實(shí)驗(yàn)器材與工具。五、實(shí)驗(yàn)總結(jié)（1）寫出條碼測量實(shí)驗(yàn)的總結(jié)報(bào)告。（2）試找出影響條碼識別的主要因素，說明CCD的工作狀態(tài)是否影響對條碼的采集與識別？為什

17、么條碼掃描與識別系統(tǒng)中用的CCD也不能工作在飽和區(qū)？（3）通過實(shí)驗(yàn)?zāi)隳懿煊X到光學(xué)成像物鏡對條碼較寬的條紋輸出的幅度要比較窄條紋的輸出幅度高嗎？這是什么原因？（要從成像物鏡的光學(xué)函數(shù)方面考慮）（4）焦距的調(diào)焦程度對條碼掃描與識別的影響如何？（5）商場的條碼掃描器對商品進(jìn)行掃描時(shí)會(huì)發(fā)出“笛”聲，然后便能將商品的單價(jià)與總價(jià)輸入到收款機(jī)內(nèi)，試問發(fā)出“笛”前售貨員轉(zhuǎn)動(dòng)條碼掃描器的過程是什么過程？發(fā)出“笛”聲又是什么信號？ 實(shí)驗(yàn)（三）利用線陣CCD測量物體的傾斜角度一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康膽?yīng)用彩色線陣CCD可以測量物體的傾斜角度，學(xué)習(xí)利用線陣CCD測量被測物體傾斜角度的方法能夠幫助學(xué)生進(jìn)一步掌握線陣CCD的基本應(yīng)用問

18、題，培養(yǎng)學(xué)生充分發(fā)揮想象力，增強(qiáng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。二、實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備內(nèi)容1、學(xué)習(xí)利用彩色線陣CCD測量被測物體傾斜角度的基本原理。2、掌握利用彩色線陣CCD測量傾角的方法。三、實(shí)驗(yàn)所需儀器設(shè)備（1） LCCDAD-A型線陣CCD應(yīng)用開發(fā)實(shí)驗(yàn)儀一臺；（2）裝有VC+軟件及相關(guān)實(shí)驗(yàn)軟件的PC計(jì)算機(jī)或GDS-型光電綜合實(shí)驗(yàn)平臺一臺；四、利用彩色線陣CCD測量物體傾斜角度的原理利用線陣CCD測量物體傾斜角度的方法有很多，其實(shí)質(zhì)都屬于尺寸測量和位移量測量的類型。常用的測量方法有兩種。第一種方法為用單色線陣CCD的測量方法，在如圖1所示中的水平粗線代表線陣CCD的像敏單元陣列，假設(shè)被測物體的軸線與像元排列方向垂直，

19、線陣CCD將測出它的直徑寬度為D，當(dāng)該物體旋轉(zhuǎn)了角度后，CCD測量出來的寬度值也發(fā)生變化，變?yōu)镈S。從如圖1所示的測量原理圖可以推導(dǎo)出被測物的傾斜角度的計(jì)算公式為cos-1 ( D / DS ) （1-1）圖1 CCD測角方法之一這種測量角度的方法比較簡單，適用于低精度測量較大尺寸物體的傾斜角。這種方法要求預(yù)先知道被測體垂直放置時(shí)的寬度，且光學(xué)系統(tǒng)的放大倍數(shù)不能太高。當(dāng)被測物體本身的寬度尺寸D有顯著變化時(shí)，會(huì)直接影響角度的測量精度。測量角度的第二種方法實(shí)際上類似于兩條具有水平刻度尺的平行線切割被測物體而對其傾斜角度進(jìn)行測量的原理。彩色線陣CCD器件由3條相互平行的像敏單元陣列構(gòu)成，且制造工藝保

20、證了三條平行的光敏單元陣列的首尾及像元尺寸的精度極高，使得其中的任意兩行光敏單元陣列能夠構(gòu)成兩條刻度尺的特點(diǎn)，其像元尺寸可視為尺的分度，像元總長可視為測量范圍（當(dāng)然要考慮光學(xué)系統(tǒng)的放大倍率），當(dāng)被測物與線陣CCD像敏單元陣列所成角度時(shí)，便能測量物體傾斜角度。如圖2所示，假設(shè)被測物體在CCD像面上的投影如圖中所示的灰色部分，R、B、G分別為彩色線陣CCD的三條像敏單元陣列（陣列傳感器）。由圖可以看出，三條陣列傳感器對被測物體成像后的邊界是相互錯(cuò)開的，用分離最遠(yuǎn)的R、G陣列傳感器做測量尺，通過對R、G陣列傳感器的邊界信息的提取測量，便可以測得圖2中的偏移量S。而相鄰感光單元陣列的間距為64m為已知

21、量，則R、G陣列傳感器的間隔距離為兩倍的已知間距，故L0128m。圖2 用彩色線陣CCD的測角原理由此可以推導(dǎo)出待測物體的傾斜角度為ctg-1 ( T / S ) (1-2)由于彩色線陣CCD的相鄰陣列傳感器的距離L0較寬，而同列像元的中心距l(xiāng)0很小，因此用這種方法測角可以獲得較高的精度，其角度分辨率為minctg-1 ( l0 / L0 ) (1-3)五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟1、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（1）用單色線陣CCD測量物體的傾斜角度（2）用彩色線陣CCD測量物體的傾斜角度2、實(shí)驗(yàn)步驟（1）打開實(shí)驗(yàn)儀上蓋，拆下圖像掃描用的滾筒，并將傾斜一定角度的專用桿件安裝在測試位置上。使實(shí)驗(yàn)儀構(gòu)成為如圖3所示的結(jié)構(gòu)。（

22、2）首先將實(shí)驗(yàn)儀的數(shù)據(jù)端口和計(jì)算機(jī)（或GDS-型光電綜合實(shí)驗(yàn)平臺）的USB端口用專用USB數(shù)據(jù)線纜連接好，并合上實(shí)驗(yàn)儀的主電源開關(guān)。（3）打開計(jì)算機(jī)電源，完成系統(tǒng)啟動(dòng)后進(jìn)入下一步操作。（4）確認(rèn)已經(jīng)正確安裝實(shí)驗(yàn)儀軟件。否則，請首先安裝實(shí)驗(yàn)軟件。（5）選擇“角度測量實(shí)驗(yàn)”文件，點(diǎn)擊并彈出角度測量主界面，而后按界面提示的內(nèi)容進(jìn)行下面的操作。圖3 在線陣CCD實(shí)驗(yàn)儀上測量物體傾角3、角度測量方法物體傾斜角度的測量方法是采用彩色線陣CCD器件的兩條分離一定距離的光敏單元陣列分別測量物體中心距差異（或邊沿像元差異）的方法（如圖2所示），相當(dāng)于用兩條平行的線陣CCD光敏陣列測量物體傾斜角度的方法。從如圖5

23、所示曲線中可以看出紅、綠兩條線陣CCD對物體所成圖像的起始位置（像元差為N）與兩行間距L0的方法進(jìn)行測量。實(shí)驗(yàn)時(shí)執(zhí)行“角度測量方法2軟件”，儀器將自動(dòng)轉(zhuǎn)換為用TCD2252D中的UR、UG（L0=128m的兩條光敏陣列）輸出信號分別進(jìn)行中心距的測量，如果物體是垂直放置的（傾角為零度）則兩條陣列測量出的中心位置Ni（也可以用起始位置表示）相同，若傾斜角度不為零，則中心位置Ni不相等，中心位置的差值S=Nl0便可以測量出來，而UR、UG間的距離T=128m為已知數(shù)。將測出的S值代入公式2便可以測量出物體傾斜的角度。圖5 測量物體傾斜角度方法的界面3、結(jié)束與關(guān)機(jī)（1）先退出實(shí)驗(yàn)程序，再關(guān)閉實(shí)驗(yàn)儀的電

24、源；（2）關(guān)閉計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；（3）關(guān)閉示波器電源；（4）關(guān)掉總電源。（5）整理好所有的實(shí)驗(yàn)器材與工具。六、實(shí)驗(yàn)總結(jié)1、假設(shè)本實(shí)驗(yàn)測量物體寬度為4mm，CCD像面的測量精度為±2（CCD像元尺寸），根據(jù)光學(xué)放大倍數(shù)，分析本實(shí)驗(yàn)測量角度的精度情況。2、同上條件，假設(shè)被測物體本身的寬度變化為8 ± 0.2mm，再分析角度測量的精度情況。 實(shí)驗(yàn)（四）利用線陣CCD 進(jìn)行物體外形尺寸的測量一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^本實(shí)驗(yàn)掌握利用線陣CCD 進(jìn)行非接觸測量物體尺寸的基本原理和方法，用實(shí)例探討影響測量范圍、測量精度的主要因素，為今后設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)。二、實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備內(nèi)容利用線陣CCD 進(jìn)行非接觸測量物體

25、尺寸的基本原理線陣CCD 的輸出信號包含了CCD各個(gè)像元所接收光強(qiáng)度的分布和像元位置的信息，使它在物體尺寸和位置檢測中顯示出十分重要的應(yīng)用價(jià)值。CCD 輸出信號的二值化處理常用于物體外形尺寸、物體位置、物體震動(dòng)（振動(dòng)）等的測量。如圖1所示為測量物體外形尺寸（例如棒材的直徑D）的原理圖。將被測物體A 置于成像物鏡的物方視場中，將線陣CCD 像敏面恰好安裝在成像物鏡的最佳像面位置上。圖1 線陣CCD測量尺寸物體外徑原理圖當(dāng)被均勻照明的被測物體A通過成像物鏡成像到CCD的像敏面上時(shí)，被測物體像黑白分明的光強(qiáng)分布使得相應(yīng)像敏單元上存儲載荷了被測物尺寸信息的電荷包，通過CCD及其驅(qū)動(dòng)器將載有尺寸信息的電

26、荷包轉(zhuǎn)換為如圖1右側(cè)所示的時(shí)序電壓信號（輸出波形）。根據(jù)輸出波形，可以測得物體A在像方的尺寸，再根據(jù)成像物鏡的物像關(guān)系，找出光學(xué)成像系統(tǒng)的放大倍率，便可以用下面公式計(jì)算出物體A 的實(shí)際尺寸DD=D /¢=（1-1）b顯然，只要求出，就不難測出物體A 的實(shí)際尺寸D。 D¢線陣CCD 的輸出信號UO隨光強(qiáng)的變化關(guān)系為線形的，因此，可用UO模擬光強(qiáng)分布。采用二值化處理方法將物體邊界信息（圖1中的N1與N2）檢測出來是簡單快捷的方法。有了物體邊界信息便可以進(jìn)行上述測量工作。三、實(shí)驗(yàn)所需儀器設(shè)備1、LCCDAD-A 型線陣CCD 應(yīng)用開發(fā)實(shí)驗(yàn)儀一臺；2、裝有VC+軟件及相關(guān)實(shí)驗(yàn)軟件的

27、PC 計(jì)算機(jī)或GDS-型光電綜合實(shí)驗(yàn)平臺一臺；四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟1實(shí)驗(yàn)內(nèi)容:建立非接觸測量物體外形尺寸的基本結(jié)構(gòu)；2實(shí)驗(yàn)步驟（一）實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備(1) 將示波器地線與實(shí)驗(yàn)儀上的地線連接良好，并確認(rèn)示波器的電源和多功能實(shí)驗(yàn)儀的電源插頭均插入交流220V插座上；(2) 打開儀器上蓋，旋下旋轉(zhuǎn)滾筒軸上的禁錮螺釘，將旋轉(zhuǎn)滾筒拿下來，使實(shí)驗(yàn)儀的測試臺像如圖2所示的尺寸測量系統(tǒng)，然后將被測干件插入如圖2所示的安裝位置上；圖2 線陣CCD應(yīng)用開發(fā)實(shí)驗(yàn)儀(3) 打開實(shí)驗(yàn)儀電源開關(guān)，啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，并進(jìn)入物體尺寸測量軟件，將在屏幕上彈出如圖3所示的物體外形尺寸測量實(shí)驗(yàn)軟件界面；圖3 所示的物體外形尺寸測量實(shí)驗(yàn)軟件界面 實(shí)

28、驗(yàn)時(shí)點(diǎn)擊“連續(xù)”菜單，儀器便執(zhí)行連續(xù)采集線陣CCD 的輸出信號；其中“單次”是只采集線陣CCD 輸出一行的信號，并將其顯示在計(jì)算機(jī)界面上； 界面中的“數(shù)據(jù)”與“曲線”菜單分別用來以數(shù)據(jù)方式或是以曲線波形的方式顯示所采得的數(shù)據(jù)信號； 界面中的“0ms”為曲線波形在計(jì)算機(jī)界面上停留的最短時(shí)間，以便實(shí)驗(yàn)者能夠快速地觀測到信號波形的變化，但是，它不可能為“零”，否則人們無法觀測到波形曲線，它與計(jì)算機(jī)的性能等參數(shù)有關(guān)。它右邊的“三角箭頭”是顯示時(shí)間的選擇的下拉菜單，點(diǎn)擊菜單上的下拉箭頭可以選擇更長的顯示時(shí)間便于觀察；“積分時(shí)間”和“驅(qū)動(dòng)頻率”等菜單右側(cè)也都提供了下拉選擇箭頭，可以進(jìn)行設(shè)置和選擇，積分時(shí)間

29、參數(shù)有16 檔，驅(qū)動(dòng)頻率有4 檔可供選擇。（二）光學(xué)成像系統(tǒng)放大倍率的標(biāo)定（1）將直徑為5mm的“試件”插入安裝裝置，執(zhí)行“物體尺寸測量實(shí)驗(yàn)”軟件，彈出如圖3所示的測量尺寸軟件界面；同時(shí)遠(yuǎn)心照明光源被點(diǎn)亮；（2）在尺寸軟件界面上選中“連續(xù)掃描”菜單，計(jì)算機(jī)顯示器出現(xiàn)含有被測“試件”外徑尺寸信息的波形如圖4所示；圖4 尺寸測量軟件界面（3）在測量界面上設(shè)置驅(qū)動(dòng)頻率或積分時(shí)間，使輸出信號的幅度在適宜觀測的程度，但是，一定不要使CCD工作到飽和狀態(tài)；（4）調(diào)整物鏡的焦距使如圖4所示輸出信號曲線的斜率盡量陡；（5）停止采集后，界面進(jìn)入到如圖5所示的光學(xué)放大倍率測量與設(shè)定軟件界面，并在界面的底部用文字方

30、式提示實(shí)驗(yàn)者應(yīng)該執(zhí)行的步驟，如圖5中提示的“請將標(biāo)準(zhǔn)棒插入測試槽中，觀察數(shù)據(jù)曲線?！?，實(shí)驗(yàn)者應(yīng)該按著提示將5的測試棒插入測試槽中。然后根據(jù)曲線波形調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)頻率與積分時(shí)間使信號波形輸出幅度適合測量需要（注意絕對不能使CCD輸出信號波形出現(xiàn)“飽和現(xiàn)象”，否則嚴(yán)重影響測量精度）。如圖5中設(shè)定積分時(shí)間為“6”檔，驅(qū)動(dòng)頻率為“0”檔時(shí)輸出信號波形較為理想；圖5 光學(xué)放大倍率測量與設(shè)置軟件界面（6）選擇適當(dāng)?shù)拈撝?，二值化閾值電平的選擇原則是能夠檢測出物體的真正外形尺寸值。例如，在如圖5所示輸出波形圖上可以看出，波形幅度的一半處能夠反映物體的外形尺寸信息，此處曲線的變化率也最大，為此可以選定閾值為“127”

31、，再執(zhí)行“下一步”，界面彈出下一步操作的提示；（7）調(diào)整光學(xué)成像系統(tǒng)的焦距與光圈，注意觀察輸出信號波形，使信號波形中反映尺寸信息的變化邊緣越陡成像光學(xué)系統(tǒng)調(diào)整得越佳，測量系統(tǒng)的精度越高。調(diào)整好光學(xué)系統(tǒng)后執(zhí)行下一步；（8）在軟件界面的提示下進(jìn)行操作，將用卡尺或千分尺測量的標(biāo)準(zhǔn)被測物尺寸值輸入到如圖6所示的“已知值”輸入框中，再執(zhí)行“下一步”，軟件自動(dòng)計(jì)算出光學(xué)系統(tǒng)的放大倍率并顯示在新彈出如圖7所示的界面上；再點(diǎn)擊“下一步”，出現(xiàn)點(diǎn)擊“完成”，便將測得的放大倍率存入計(jì)算機(jī)內(nèi)存，為本實(shí)驗(yàn)的測量工作使用；實(shí)驗(yàn)6尺寸測量實(shí)驗(yàn)光學(xué)系統(tǒng)放大比率的標(biāo)定圖7尺寸測量系統(tǒng)光學(xué)放大倍率標(biāo)定值標(biāo)定好光學(xué)系統(tǒng)放大倍率后

32、測量系統(tǒng)就可以對如何安裝在指定位置上的任何物體的外形尺寸進(jìn)行測量實(shí)驗(yàn)，例如對儀器提供的3mm、8mm棒材的外徑尺寸進(jìn)行測量實(shí)驗(yàn)。實(shí)際的物體外形尺寸的測量儀器都需要上述的標(biāo)定過程，只有經(jīng)過上述標(biāo)定才能夠應(yīng)用于實(shí)際工程中。3.結(jié)束與關(guān)機(jī)上述實(shí)驗(yàn)完成，并達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，便可結(jié)束實(shí)驗(yàn)。將軟件程序退出，再關(guān)閉計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；關(guān)閉實(shí)驗(yàn)儀的電源；將總電源關(guān)閉；將實(shí)驗(yàn)儀器及其用具收拾好，工具放到指定位置；將所做實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)交于實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師審查，合格后方可離開實(shí)驗(yàn)室。 實(shí)驗(yàn)（五）利用線陣CCD測量物體的振動(dòng)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康挠镁€陣CCD測量物體的位移及其振動(dòng)是另一項(xiàng)非常重要的應(yīng)用領(lǐng)域。二、實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備內(nèi)容1、學(xué)習(xí)CCD應(yīng)用技術(shù)中有

33、關(guān)振動(dòng)測量的內(nèi)容。2、了解用線陣CCD測量物體振動(dòng)與位移的基本原理和方法，掌握振幅、頻率、相位等參數(shù)測量的相關(guān)因素。三、實(shí)驗(yàn)所需儀器設(shè)備（1） LCCDAD-A型線陣CCD應(yīng)用開發(fā)實(shí)驗(yàn)儀一臺；（2）裝有VC+軟件及相關(guān)實(shí)驗(yàn)軟件的計(jì)算機(jī)或GDS-型光電綜合實(shí)驗(yàn)平臺；四、用線陣CCD測量物體振動(dòng)的原理物體振動(dòng)的測量常需要測量的振動(dòng)參數(shù)為振幅、頻率和相位。用線陣CCD測量這些參數(shù)的測量原理結(jié)構(gòu)如圖1所示。利用安裝在光學(xué)成像物鏡像面上的線陣CCD對振動(dòng)過程中的物進(jìn)行成像并其邊界信息連續(xù)地采樣輸出，測量電路不斷地找出被測物體像的中心在線陣CCD向面上的位置，顯然，它是時(shí)間的函數(shù)，設(shè)其為W(t)。如果物體

34、做周期運(yùn)動(dòng)，則函數(shù)W(t)為周期函數(shù)，周期T的倒數(shù)為物體振動(dòng)的頻率f；W(t)最大值與最小值之差的一半應(yīng)該為物體的振動(dòng)幅度。如何采集物體像在線陣CCD像面上位置的函數(shù)W(t)是測量物體振動(dòng)的關(guān)鍵。圖1 物體振動(dòng)測量原理方框圖線陣CCD在驅(qū)動(dòng)脈沖的作用下周期性地輸出每個(gè)像元所接收的光強(qiáng)信息，其周期為行同步脈沖Fc的周期，也為線陣CCD的積分時(shí)間ting。在同步脈沖Fc的周期內(nèi)利用二值化數(shù)據(jù)采集方法或A/D數(shù)據(jù)采集方法總能夠測出被測物體像中心在CCD像敏面上的位置，它便是時(shí)間的函數(shù)W(t)。而Fc的周期或ting為采樣的間隔時(shí)間，它相當(dāng)于顯示曲線坐標(biāo)架的橫軸刻度，其縱軸坐標(biāo)應(yīng)為物體中心的位置值。因

35、此，連續(xù)不斷地采集物體圖像的中心位置便可以獲得函數(shù)W(t)，測出物體的振動(dòng)狀況。實(shí)驗(yàn)時(shí)把模擬物體振動(dòng)的試件擰在測試件上構(gòu)成如圖2所示的實(shí)驗(yàn)裝置。啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，選中“物體振動(dòng)實(shí)驗(yàn)”軟件，執(zhí)行后彈出如圖3所示的測量軟件界面，先觀察線陣CCD輸出信號的波形，看其是否需要調(diào)整。選中界面上的“連續(xù)”菜單，出現(xiàn)所采集的信號波形，調(diào)整積分時(shí)間與驅(qū)動(dòng)頻率使信號如圖中所示則最佳。當(dāng)啟動(dòng)電機(jī)使裝置振動(dòng)時(shí)，被測桿件將產(chǎn)生以頻率為f的振動(dòng)，測量系統(tǒng)能夠連續(xù)測出它在CCD感光面上的位移為W(t)，假設(shè)物鏡的放大倍數(shù)為，則被測物體的位移W(t)為W(t)=W(t)由此可以測得被測物的振幅，并從振動(dòng)波形曲線可以計(jì)算出它的振動(dòng)頻率和相位。圖2 模擬物體振動(dòng)的實(shí)驗(yàn)裝置圖3振動(dòng)測量實(shí)驗(yàn)軟件界面五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟1. 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（1）測量被測桿件做正弦運(yùn)動(dòng)時(shí)的振動(dòng)狀態(tài)，畫出振動(dòng)波形圖；（2）根據(jù)振動(dòng)波形圖計(jì)算出它的振動(dòng)周期、振幅與初相位。2. 實(shí)驗(yàn)步驟（1）首先將實(shí)驗(yàn)儀的數(shù)據(jù)端口和