光電技術(shù) 第5版 課件 第12章12.1 光電信息綜合實驗

第12章光電信息綜合實驗與設計本章目的是在學習完“光電技術(shù)”理論課與實驗課以后再通過光電技術(shù)課程設計讓學生加深對光電技術(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)的基礎上逐漸掌握系統(tǒng)的設計技巧。系統(tǒng)學習“電子技術(shù)”、“工程光學”、“圖像傳感器應用技術(shù)”、“機器視覺技術(shù)”和其他光電技術(shù)專業(yè)課后再通過“光電信息綜合實驗”掌握本專業(yè)應該掌握的基本技能，才能為最后一個教學環(huán)節(jié)“畢業(yè)設計”打好基礎。本章內(nèi)容不作為“光電技術(shù)”課的教學內(nèi)容安排，而作為“光電技術(shù)課程設計”與“光電信息綜合實驗”的參考案例。12.1光電信息綜合實驗綜合實驗題目要思路清晰，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驗，又不能過于繁復。綜合實驗課時間安排與執(zhí)行方法也應該與其他實驗課不同，需要一定的連貫性，要根據(jù)學生動手搭建與調(diào)試的能力適當安排更長的連續(xù)操作時間。為此，選擇“非接觸測量物體位置與振動參數(shù)實驗”12.1.1實驗原理1.物體位置測量原理如圖12.1-1所示，主要由照明光源、被測物、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)換成光強發(fā)布的時序脈沖信號呢？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)。被測物做垂直于光軸運動，n1與n2將發(fā)生變化，測量出n1與n2就能計算出被測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還不能給出實際物體中心的有用位置，需要通過標定才能獲得在一定坐標系下的位置。坐標系的設定通常以光學測量系統(tǒng)的光軸為參考坐標，并設其為y0，線陣CCD相機結(jié)構(gòu)基本使y0與像敏陣列中心像元n0位置，因此，常用n0為測量的參考點。則物體像的位置y(t)′時間函數(shù)為出現(xiàn)正與負數(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)′為負值，根據(jù)物象關(guān)系得到實際物體的中心位置位于光軸之上。2、光學系統(tǒng)放大倍率的標定利用已知被測物外徑D與實測像方直徑D′之比進行標定。上述公式能夠完成被測物體瞬時位置的測量。3、時間坐標問題時間段指線陣CCD的“積分時間”，既指轉(zhuǎn)移脈沖SH或同步脈沖FC的周期。即線陣CCD的積分時間ting。ting可以用示波器測量SH脈沖的周期TSH或FC脈沖的周期TFCtCR為驅(qū)動脈沖的周期，與頻率fCR成反比，N為一個轉(zhuǎn)移脈沖SH時間內(nèi)必須給出的驅(qū)動脈沖CR的數(shù)量與線陣CCD像元數(shù)有關(guān)。提高物體位置測量速度的關(guān)鍵是（1）采用驅(qū)動頻率較高的器件，（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非接觸測量物體位置與振動參數(shù)實驗的內(nèi)容根據(jù)原理圖圖12.1-1與圖12.1-2搭建出實驗系統(tǒng)。它應該由具有遠心照明特性的光源、被測物夾持與移動機構(gòu)和具有光學成像系統(tǒng)的線陣CCD相機等部件構(gòu)成。顯然是比較復雜的綜合實驗系統(tǒng)，需要分成幾個分項實驗來進行，使它既具有整體性又具有可拆分性的綜合性質(zhì)的實驗。分幾個相對獨立的實驗進行搭建與調(diào)試，合起來構(gòu)成一個完整的光電信息綜合實驗。1、搭建遠心照明光源的實驗搭建出具有遠心照明特性的照明光源，要求光源的出光口徑大于被測物的移動（振動）范圍。（1）實驗系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)是要選擇合適的聚光透鏡與準直透鏡，并要掌握透鏡焦距的測量方法。圖12.1-4為搭建遠心照明光源的實驗示例圖，圖中沒有給出所選器件的參數(shù)和器件之間的位置參數(shù)。目的是給指導教師與學生自己設計選用的空間，參數(shù)的變化會直接影響遠心照明光源的性能與參數(shù)。由圖12.1-4很容易總結(jié)出所用的實驗器材。當然要根據(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遠心照明實驗示例圖（2）實驗步驟將所有被選用的器件安放在平臺上，并使光學元件的中心等高，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，測量出聚光鏡的焦點位置，然后根據(jù)準直物鏡的焦距安裝準直物鏡。像屏是用來查看準直物鏡發(fā)出的光斑是否有大小變化，如果沒有，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，內(nèi)容包括聚光鏡與準直物鏡的口徑與焦距；以光源為參考點，測量兩只透鏡的位置；分析搭建出的遠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）畫出系統(tǒng)光路圖要求根據(jù)實驗數(shù)據(jù)畫出遠心照明光源的光路圖，并在圖上標注出每個光學器件的位置參數(shù)。（5）調(diào)整、記錄與分析更換聚光鏡，觀察遠心光源結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化及對其準直特性的影響；更換LED燈，如將其換成單色LED光源，觀察遠心照明光源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化與對其準直特性的影響；更換準直物鏡的焦距與口徑觀察遠心光源結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化及對其準直特性的影響；要想使準直物鏡焦距變長，遠心照明光源的其他部件將做哪些變化？2、搭建被測物夾持機構(gòu)與移動機構(gòu)的搭建實驗實驗室的條件和選用的具體被測物的形位尺寸與位移或運動的要求搭建出被測物的夾持實驗機構(gòu)。必須考慮實驗過程中是否要求被測物體做有規(guī)則的運動，如果要求被測物體做規(guī)則運動，就必須考慮拖動問題，夾持機構(gòu)的復雜性必然提高。（1）能夠沿水平方向定量移動的夾持機構(gòu)如圖12.1-5所示的移動架裝置可以將被測物（目標物）安裝在其上螺孔上，在千分尺帶動下被測物能夠做定量的移動。被測物安裝在能夠垂直調(diào)整高度的調(diào)整架上，通過螺栓固定到圖12.1-5移動裝置上，構(gòu)成如圖12.1-6所示能夠移動被測物。圖12.1-5微動移動裝置圖12.1-6被測物做定量移動的裝置將圖12.1-6所示的裝置安放到位移量測量實驗系統(tǒng)中，能夠成像使被測物在線陣CCD像敏陣列上做平行于陣列方向的移動，完成測量物體定量移動的實驗。（2）能夠在水平方向做周期運動的機構(gòu)為完成利用線陣CCD測量物體振動的實驗，需要設置能夠?qū)崿F(xiàn)讓物體在水平方向上做有規(guī)則運動的裝置。如圖12.1-7所示為一款能夠帶動被測物體完成正弦規(guī)律運動的裝置。振動實驗裝置上安裝的被測物在內(nèi)部電機的帶動下可以在水平方向上做位移，并與時間成正弦函數(shù)關(guān)系的往復運動，電機的速度（或正弦函數(shù)的頻率）可以通過調(diào)速旋鈕進行調(diào)整。圖12.1-7

被測物做正弦移動的裝置振動方向垂直于紙面，線陣CCD像敏陣列方向也應垂直于紙面。3、線陣CCD光電傳感器的調(diào)整實驗線陣CCD光電傳感器應該包括成像物鏡、線陣CCD與驅(qū)動器三部分的組合體。成像物鏡需要通過接圈與線陣CCD相機相連接才能確保通過成像物鏡使被測物準確的成像到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。做實驗時需要根據(jù)所成圖像的質(zhì)量對光圈、調(diào)焦環(huán)進行適當?shù)恼{(diào)整，以便獲得最佳的輸出波形，確保測量準確。振動測量系統(tǒng)安裝時必須確保被測物體的運動方向與線陣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相機外形如圖12.1-9所示。線陣CCD相機內(nèi)部裝有線陣CCD芯片與驅(qū)動器，并將同步脈沖與輸出的視頻信號通過電纜送到安裝有線陣CCD采集卡的計算機內(nèi)（光電綜合實驗平臺內(nèi)部含有計算機系統(tǒng)與采集卡），再通過相應軟件可以完成用線陣CCD非接觸測量物體振動的實驗。4、物體位置與位移測量實驗物體位置與位移測量實驗屬于靜態(tài)實驗，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量系統(tǒng)。5、非接觸測量物體振動的實驗非接觸測量物體振動的實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖12.1-11所示，它由遠心照明光源、線陣CCD相機與被測物體構(gòu)成。圖12.1-11

測量物體振動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖物體振動實驗系統(tǒng)調(diào)試好后便可打開“用線陣CCD測量物體振動”實驗軟件，彈出如圖12.1-12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。調(diào)整步驟如下：①先點擊“曲線”菜單，觀察線陣CCD的輸出信號，根據(jù)輸出信號波形判斷是否需要調(diào)整光學成像物鏡和CCD的工作參數(shù)，若CCD的輸出信號波形已經(jīng)是如圖12.1-12所示，邊沿比較陡直，則沒必要再調(diào)整成像物鏡的光圈與焦距，如果輸出信號的寬度太窄，則應該調(diào)整成像物鏡的光圈使物體在運動過程中不會超出輸出信號波形的高電平范圍（視場）。圖12.1-12振動測量實驗軟件界面

②若輸出信號波形不夠陡直，則應調(diào)整成像物鏡調(diào)焦環(huán)，使被測物在線陣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，可以適當增大積分時間，利用積分時間調(diào)整對話框進行選擇。④波形調(diào)整好后再調(diào)整二值化的幅度，在“閾值設置”菜單里有2各操作按鈕可以選擇，“浮動閾值”與“固定閾值”，圖中選擇了“浮動閾值”，在選擇浮動閾值后還需選擇其浮動量，用百分比表示，圖中選擇了50%。若選擇“固定閾值”則須設置0~255的數(shù)值。設置好以后，閾值線（黃色線）將顯示在坐標系上。⑤上述調(diào)整過程完成后便可以進入測量成像物鏡放大倍率的設置步驟，在軟件界面上按著界面提示的內(nèi)容與步驟一步步地進行操作，便可以自動計算出光學系統(tǒng)的放大倍率。然后再選擇“連續(xù)”菜單，點擊執(zhí)行，放大倍率與測量數(shù)據(jù)等會分別顯示在對話框內(nèi)。⑥軟件能夠?qū)斍拔矬w振動的波形在界面上描繪出來，直觀的顯示在實驗者眼前。⑦調(diào)整驅(qū)動電機速度旋鈕（LCCDAD-Ⅱ-B型線陣CCD應用開發(fā)實驗儀的工作臺上裝有），使電機的轉(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)的振動波形會跟隨，所測數(shù)據(jù)變化。⑧點擊界面的“停止”菜單，振動將停止，可將振動測量結(jié)果抄錄下來，或采用“保存”菜單將測量結(jié)果數(shù)據(jù)保存到相應的文件夾內(nèi)。12.1.3數(shù)據(jù)分析與實驗總結(jié)1、實驗數(shù)據(jù)內(nèi)容（1）位移測量實驗靜態(tài)測量，數(shù)據(jù)主要由給定值與測量值（n1與