第12章12.1光电信息综合实验与设计

技术。 利用SH、FC行同步脉冲和二值化数据采集系统很容易提 取出n1与n2等边界数据。
得到n1与n2后，便可计算出物体的中心在线阵CCD像敏阵
列上的位置n。
n
n1 n 2
2
找物体中心在线阵CCD像敏阵列上的位置n还不能给出实际 物体中心的有用位置，需要通过标定才能获得在一定坐标系下 的位置。
（3） 记录与讨论 调整好后要记得将系统参数记录下来，内容包括聚光镜与 准直物镜的口径与焦距； 以光源为参考点，测量两只透镜的位置； 分析搭建出的远心照明光源的有效工作距离有多少？有效 孔径是多少？
讨论调整哪些参数能够改善与提高其性能参数？
（4） 画出系统光路图 要求根据实验数据画出远心照明光源的光路图，并在图上 标注出每个光学器件的位置参数。 （5） 调整、记录与分析 更换聚光镜，观察远心光源结构参数的变化及对其准直特 性的影响； 更换LED灯，如将其换成单色LED光源，观察远心照明光 源系统结构参数的变化与对其准直特性的影响； 更换准直物镜的焦距与口径观察远心光源结构参数的变化 及对其准直特性的影响；
需要借助线阵CCD工作原理的波形图分析理解。 如图12.1-2所示的原理图中，被测物经成像物镜在线阵CCD 像敏阵列上形成图像，图中n1与n2分别为图像边缘处的像元数。
被测物做垂直于光轴运动，n1与n2将发生变化，测量出n1与 n2就能计算出被测物体在垂直于光轴方向的位置。 利用图12.1-3能
够理解n1与n2的提取
5、非接触测量物体振动的实验 非接触测量物体振动的实验系统结构如图12.1-11所示，它
由远心照明光源、线阵CCD相机与被测物体构成。
图12.1-11 测量物体振动系统结构图
物体振动实验系统调试好后便可打开“用线阵CCD测量物体
振动” 实验软件，弹出如图12.1-12所示的测量软件界面，先观 察线阵CCD输出信号的波形，看其是否需要调整。
图12.1-12振动测量实验软件界面
②若输出信号波形不够陡直，则应调整成像物镜调焦环， 使被测物在线阵CCD上成的像尽量清晰，曲线的边界陡直。
③如果发现输出波形的幅度太低，可以适当增大积分时间，
利用积分时间调整对话框进行选择。 ④波形调整好后再调整二值化的幅度，在“阈值设置”菜
单里有2各操作按钮可以选择，“浮动阈值”与“固定阈值”，
由图12.1-4很容易总结出所用的实验器材。 当然要根据自己手里容易找到的器材而不要模仿，要注重 创新，也许你采用的器材要好于示例图所用器材。
（2） 实验步骤 将所有被选用的器件安放在平台上，并使光学元件的中心 等高，再按如图12.1-4所示结构安装。 建议先安装LED光源，并让其发光，再安装聚光镜，找出 光轴，测量出聚光镜的焦点位置，然后根据准直物镜的焦距安 装准直物镜。 像屏是用来查看准直物镜发出的光斑是否有大小变化，如 果没有，则为调整到位。
图12.1-6 被测物做定量移动的装置
将图12.1-6所示的装置安放到位移量测量实验系统中，能够
成像使被测物在线阵CCD像敏阵列上做平行于阵列方向的移动， 完成测量物体定量移动的实验。 （2）能够在水平方向做周期运动的机构 为完成利用线阵CCD测量物体振动的实验，需要设置能够 实现让物体在水平方向上做有规则运动的装置。 如图12.1-7所示为一款能够带动被测物体完成正弦规律运 动的装置。 振动实验装置上安装的被测物在内部电机的带动下可以在
图中选择了“浮动阈值”，在选择浮动阈值后还需选择其浮动 量，用百分比表示，图中选择了50%。 若选择“固定阈值”则须设置0~255的数值。设置好以后， 阈值线（黄色线）将显示在坐标系上。 ⑤上述调整过程完成后便可以进入测量成像物镜放大倍率 的设置步骤，在软件界面上按着界面提示的内容与步骤一步步 地进行操作，便可以自动计算出光学系统的放大倍率。
第12章光电信息综合实验与设计
本章目的是在学习完“光电技术”理论课与实验课以后再 通过光电技术课程设计让学生加深对光电技术内容与基本技能
掌握，在能够分析光电系统结构的基础上逐渐掌握系统的设计
技巧。 系统学习“电子技术”、“工程光学”、“图像传感器应
用技术”、“机器视觉技术”和其他光电技术专业课后再通过
调整步骤如下：
①先点击“曲线”菜单，观察线阵CCD的输出信号，根据输 出信号波形判断是否需要调整光学成像物镜和CCD的工作参数， 若CCD的输出信号波形已经是如图12.1-12所示，边沿比较陡直， 则没必要再调整成像物镜的光圈与焦距，如果输出信号的宽度 太窄，则应该调整成像物镜的光圈使物体在运动过程中不会超 出输出信号波形的高电平范围（视场）。
坐标系的设定通常以光学测量系统的光轴为参考坐标，并
设其为y0，线阵CCD相机结构基本使y0与像敏阵列中心像元n0位 置，因此，常用n0为测量的参考点。
则物体像的位置y(t)′时间函数为
y (t ) (n0
n(t )1 n(t )2
2
) l0
出现正与负数值，与线阵CCD的安装方法有关。
需要一定的连贯性，要根据学生动手搭建与调试的能力适当安
排更长的连续操作时间。 为此，选择“非接触测量物体位置与振动参数实验” 12.1.1 实验原理 1. 物体位置测量原理 如图12.1-1所示，主要由照明光源、被测物、成像物镜、线 阵CCD光电传感器和数据采集与处理系统等构成。
怎样将物体的位置信息转换成光强发布的时序脉冲信号呢？
水平方向上做位移，并与时间成正弦函数关系的往复运动，电
机的速度（或正弦函数的频率）可以通过调速旋钮进行调整。 振动方向垂直于纸面，线阵 CCD像敏阵列方向也应垂直于 图12.1-7 被测物做正弦移动的装置 纸面。
3、线阵CCD光电传感器的调整实验 线阵CCD光电传感器应该包括成像物镜、线阵CCD与驱动
12.1.2 非接触测量物体位置与振动参数实验的内容 根据原理图图12.1-1与图12.1-2搭建出实验系统。 它应该由具有远心照明特性的光源、被测物夹持与移动机构 和具有光学成像系统的线阵CCD相机等部件构成。 显然是比较复杂的综合实验系统，需要分成几个分项实验来 进行，使它既具有整体性又具有可拆分性的综合性质的实验。 分几个相对独立的实验进行搭建与调试，合起来构成一个完 整的光电信息综合实验。 1、搭建远心照明光源的实验 搭建出具有远心照明特性的照明光源，要求光源的出光口径 大于被测物的移动（振动）范围。
然后再选择“连续”菜单，点击执行，放大倍率与测量数
据等会分别显示在对话框内。
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⑥软件能够将当前物体振动的波形在界面上描绘出来，直
观的显示在实验者眼前。
⑦调整驱动电机速度旋钮（LCCDAD-Ⅱ-B型线阵CCD应用 开发实验仪的工作台上装有），使电机的转速发生变化，观察
界面上输出波形曲线的变化速率与界面上所出现的振动波形会
线阵CCD相机内部装有线阵CCD芯片与驱动器，并将同步
脉冲与输出的视频信号通过电缆送到安装有线阵CCD采集卡的 计算机内（光电综合实验平台内部含有计算机系统与采集卡），
再通过相应软件可以完成用线阵CCD非接触测量物体振动的实
验。 4、物体位置与位移测量实验 物体位置与位移测量实验属于静态实验，利用上述部件可 以自行搭建出如图12.1-10所示的物体位置与位移的测量系统。
D
ting可以用示波器测量SH脉冲的周期TSH或FC脉冲的周期TFC
ting
1
NtCR
tCR为驱动脉冲的周期，与频率fCR成反比，N为一个转移脉
冲SH时间内必须给出的驱动脉冲CR的数量与线阵CCD像元数
有关。 提高物体位置测量速度的关键是 （1）采用驱动频率较高的器件， （2）采用像元数尽量少的器件， （3）减少不必要的转移脉冲数量。
器三部分的组合体。 成像物镜需要通过接圈与线阵CCD相机相连接才能确保通过
成像物镜使被测物准确的成像到CCD像敏阵列上。
如图12.1-8所示为与接圈相连接的成像镜头。 做实验时需要根据所成图像的质量对光圈、调焦环进行适当 的调整，以便获得最佳的输出波形，确保测量准确。 振动测量系统安装时必须确保被测物体的运动方向与线阵 CCD像敏阵列平行，因此在要注意观察线阵CCD像敏阵列的方 向，线阵CCD相机外形如图12.1-9所示。
跟随，所测数据变化。 ⑧点击界面的“停止”菜单，振动将停止，可将振动测量 结果抄录下来，或采用“保存”菜单将测量结果数据保存到相 应的文件夹内。 12.1.3 数据分析与实验总结 1、实验数据内容 （1）位移测量实验 静态测量，数据主要由给定值与测量值（n1与n2）等数据。
（2）振动测量实验
给定值：①线阵CCD的积分时间（要求是实测值）；②镜头的
要想使准直物镜焦距变长，远心照明光源的其他部件将做
哪些变化？
2、搭建被测物夹持机构与移动机构的搭建实验 实验室的条件和选用的具体被测物的形位尺寸与位移或运
动的要求搭建出被测物的夹持实验机构。 必须考虑实验过程中是否要求被测物体做有规则的运动，
如果要求被测物体做规则运动，就必须考虑拖动问题，夹持机
构的复杂性必然提高。 图12.1-5 微动移动装置 （1）能够沿水平方向定量移动的夹持机构 如图12.1-5所示的移动架装置可以将被测物（目标物）安 装在其上螺孔上，在千分尺带动下被测物能够做定量的移动。 被测物安装在能够垂直调 整高度的调整架上，通过螺 栓固定到图12.1-5移动装置上， 构成如图12.1-6所示能够移动 被测物。
光圈值；③被测物的直径（千分尺测量值）；④阈值（浮动的 百分比或固定值）；⑤光学系统的放大倍率等。
测量值：①振幅；②振动频率；③振动周期等。
2、实验总结 （1）总结搭建各个实验系统的体会与收获，尤其是光轴对光电 实验系统的意义； （2）总结光学系统调试过程中的注意事项； （3）总结系统的稳定性对测量精度与重复性的影响； （4）探讨非接触测量系统中标定的意义。
“光电信息综合实验”掌握本专业应该掌握的基本技能，才能 为最后一个教学环节“毕业设计”打好基础。
本章内容不作为“光电技术”课的教学内容安排，而作为
“光电技术课程设计”与“光电信息综合实验”的参考案例。
12.1 光电信息综合实验 综合实验题目要思路清晰，内容要完整，技术层面尽量丰富，
即要有别于通常理论课配备的实验，又不能过于繁复。 综合实验课时间安排与执行方法也应该与其他实验课不同，
如图12.1-2所示，n2＞n1，则中心位于线阵CCD像敏阵列中
心像元n0的下方，得到的位置y(t)′为负值，根据物象关系得到实 际物体的中心位置位于光轴之上。 2、光学系统放大倍率的标定 利用已知被测物外径D与实测像方直径D′之比进行标定。

3、时间坐标问题
(n 2 n1 ) l0
上述公式能够完成被测物体瞬时位置的测量。 时间段指线阵CCD的“积分时间”，既指转移脉冲SH或同 步脉冲FC的周期。即线阵CCD的积分时间ting。
（1） 实验系统 关键技术是要选择合适的聚光透镜与准直透镜，并要掌握 透镜焦距的测量方法。 图12.1-4为搭建远心照明光源的实验示例图，图中没有给 出所选器件的参数和器件之间的位置参数。 目的是给指导教师与学生自己设计选用的空间，参数的变
图12.1-4 远心照明实验示例图 化会直接影响远心照明光源的性能与参数。