第10章光电信息变换技术的典型应用PPT课件
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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。
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
IL很大，变换电路的输出为低电位， 用做整形的非门电路输出为高电平。
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因此，可以推导出钢板宽度的计算公式，为
L
l0
(
N1S0
1
N 2 S0
2
)
(10-1)
式中，β1与β2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。
的光敏面。
考虑硅光电池的灵敏度Sφ为常数，光源所发出的光 是稳定的，故也是常数，则光电流IL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 EbL
(10-5) 10
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 Eb(L l )
L
S0
1
N1
S0
2
N 2
(10-2)
显然，测量精度与CCD的像元长度S0、光学系统的
放大倍率β等参数有关。
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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，
T (N Nd) f
(10-3)
式中，Nd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Nd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。
1
⒈ 宽度测量原理 如图10-2所示为宽度测量的原理方框图。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。
2
CCD1与CCD2在同步脉冲的驱动下分别输出如图103所示的信号U1与U2。
输出信号经二值化处理或A/D转换在提取边界(软件 二值化处理)，得到如图10-3所示的二值化信号D1与D2。 D1的下降沿对应于CCD1的第N1个像敏单元，D2的上升 沿对应于CCD2的第N2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。
所示。被裁板材经传动轮和从 动导轮展开，并以一定的速度 v经裁减装置(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(图中未 画)和光电器件构成。
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2. 定长裁剪原理 当板材进入光电系统，遮挡光路到一定程度时，光
电器件输出的信号经处理系统(图中省略)后，发出执行 命令信号。剪刀在裁剪控制系统接受执行命令操作裁剪 系统执行裁剪动作。
第10章 光电信息变换技术的典型应 用
10.1 长度量光电测量的应用实例
本节介绍应用光电信息变换技术测量长度量的实例,
以便系统掌握测量长度的基本方法。
10.1.1 钢板宽度的非接触自动测量
如图10-1所示为采用两个线 阵CCD图像传感器对钢板宽度进 行非接触自动测量系统原理图。 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(如图所示)为l0。
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由式(10-1)可见，钢板的宽度L直接与l0有关，若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β1与β2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(10-1)取微分，由于系统确定后除像元数N1与 N2外的其他参数均为常数，因此
(10-6)
显然，光电流的变化与光电池被遮挡的长度l有关， 对式(10-6)取微分得
I L S Ebl
(10-7)
式中的负号表明光电流随遮挡量的增加而减少。
可以wenku.baidu.com出图10-5中U随遮挡量的变化关系为
U S EbRLl
(10-8)
上式表明，控制精度与反向电路的电压鉴别量有关，
采用电压比较器模块可以获得微伏级的鉴别精度，由
当光敏面部分被遮挡时，光电流IL减 少，变换电路的输出电位增高，当它
高于阈值电位Uth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。
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当光电器件为矩形硅光电池时，它输出的光电流
IL与入射光照度E的关系为
I L S EA
(10-4)
其中，Sφ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
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。
式(10-8)推倒出的理论控制精度可以达到微米量级。11
10.3 利用激光准直技术测量物体的直线度与同轴度
1. 激光准直测量原理 激光准直仪具有拉钢丝法的直观性、简单性和普通
光学准直的精度，并可实现自动控制。激光准直仪主要 由激光器、光束准直系统和光电接收及处理电路三部分 组成。激光准直仪还可以按工作原理可分为振幅测量法、 干涉测量法和偏振测量法等。
下面仅介绍振幅(光强)测量法。 振幅测量型准直仪的特征是以激光束的强度中心作为直 线基准，在需要准直的点上用光电探测器接收它。光电 探测器一般采用光电池或PSD(位置敏感探测器)。将四 象限光电池固定在靶标上，靶标放在被准直的工件上,当 激光束照射在光电池上时，产生电压U1，U2，U3和U142。
如图10-11所示，用两对象限 (1和3)与(2和4)输出电压的差值就 能决定光束中心的位置。若激光 束中心与探测器中心重合时，由 于四块光电池接收相同的光能量， 这时指示电表指示为零；当激光 束中心与探测器中心有偏离时， 将有偏差信号Ux和Uy。
一般驱动频率f为数MHz，N与Nd之和为几千单元, 为此，测量周期常为ms量级。
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10.1.2 板材定长剪切系统
在板材的生产、加工过程中，经常遇到定长度的剪 切的工作。采用光电非接触测量系统可以使板材定长加 工自动化，并获得高精度、高速度、质量稳定的效果。
1. 板材定长裁剪系统的结构 裁剪系统的结构如图10-4
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。
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
IL很大，变换电路的输出为低电位， 用做整形的非门电路输出为高电平。
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因此，可以推导出钢板宽度的计算公式，为
L
l0
(
N1S0
1
N 2 S0
2
)
(10-1)
式中，β1与β2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。
的光敏面。
考虑硅光电池的灵敏度Sφ为常数，光源所发出的光 是稳定的，故也是常数，则光电流IL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 EbL
(10-5) 10
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 Eb(L l )
L
S0
1
N1
S0
2
N 2
(10-2)
显然，测量精度与CCD的像元长度S0、光学系统的
放大倍率β等参数有关。
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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，
T (N Nd) f
(10-3)
式中，Nd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Nd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。
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⒈ 宽度测量原理 如图10-2所示为宽度测量的原理方框图。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。
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CCD1与CCD2在同步脉冲的驱动下分别输出如图103所示的信号U1与U2。
输出信号经二值化处理或A/D转换在提取边界(软件 二值化处理)，得到如图10-3所示的二值化信号D1与D2。 D1的下降沿对应于CCD1的第N1个像敏单元，D2的上升 沿对应于CCD2的第N2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。
所示。被裁板材经传动轮和从 动导轮展开，并以一定的速度 v经裁减装置(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(图中未 画)和光电器件构成。
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2. 定长裁剪原理 当板材进入光电系统，遮挡光路到一定程度时，光
电器件输出的信号经处理系统(图中省略)后，发出执行 命令信号。剪刀在裁剪控制系统接受执行命令操作裁剪 系统执行裁剪动作。
第10章 光电信息变换技术的典型应 用
10.1 长度量光电测量的应用实例
本节介绍应用光电信息变换技术测量长度量的实例,
以便系统掌握测量长度的基本方法。
10.1.1 钢板宽度的非接触自动测量
如图10-1所示为采用两个线 阵CCD图像传感器对钢板宽度进 行非接触自动测量系统原理图。 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(如图所示)为l0。
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由式(10-1)可见，钢板的宽度L直接与l0有关，若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β1与β2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(10-1)取微分，由于系统确定后除像元数N1与 N2外的其他参数均为常数，因此
(10-6)
显然，光电流的变化与光电池被遮挡的长度l有关， 对式(10-6)取微分得
I L S Ebl
(10-7)
式中的负号表明光电流随遮挡量的增加而减少。
可以wenku.baidu.com出图10-5中U随遮挡量的变化关系为
U S EbRLl
(10-8)
上式表明，控制精度与反向电路的电压鉴别量有关，
采用电压比较器模块可以获得微伏级的鉴别精度，由
当光敏面部分被遮挡时，光电流IL减 少，变换电路的输出电位增高，当它
高于阈值电位Uth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。
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当光电器件为矩形硅光电池时，它输出的光电流
IL与入射光照度E的关系为
I L S EA
(10-4)
其中，Sφ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
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。
式(10-8)推倒出的理论控制精度可以达到微米量级。11
10.3 利用激光准直技术测量物体的直线度与同轴度
1. 激光准直测量原理 激光准直仪具有拉钢丝法的直观性、简单性和普通
光学准直的精度，并可实现自动控制。激光准直仪主要 由激光器、光束准直系统和光电接收及处理电路三部分 组成。激光准直仪还可以按工作原理可分为振幅测量法、 干涉测量法和偏振测量法等。
下面仅介绍振幅(光强)测量法。 振幅测量型准直仪的特征是以激光束的强度中心作为直 线基准，在需要准直的点上用光电探测器接收它。光电 探测器一般采用光电池或PSD(位置敏感探测器)。将四 象限光电池固定在靶标上，靶标放在被准直的工件上,当 激光束照射在光电池上时，产生电压U1，U2，U3和U142。
如图10-11所示，用两对象限 (1和3)与(2和4)输出电压的差值就 能决定光束中心的位置。若激光 束中心与探测器中心重合时，由 于四块光电池接收相同的光能量， 这时指示电表指示为零；当激光 束中心与探测器中心有偏离时， 将有偏差信号Ux和Uy。
一般驱动频率f为数MHz，N与Nd之和为几千单元, 为此，测量周期常为ms量级。
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10.1.2 板材定长剪切系统
在板材的生产、加工过程中，经常遇到定长度的剪 切的工作。采用光电非接触测量系统可以使板材定长加 工自动化，并获得高精度、高速度、质量稳定的效果。
1. 板材定长裁剪系统的结构 裁剪系统的结构如图10-4