利用线阵CCD非接触测量物体的角度

1、利用线阵CCD非接触测量物体的角度/,(LS)2007年第1期安验室科学2007年2月出版利用线阵CCD非接触测量物体的角度贺喜齐龙(天津大学精密仪器与光电子工程学院300072)摘要:介绍两种分别利用单像敏阵列及彩色线阵CCD测量物体角度的原理和方法,并初步讨论影响其测量精度的因素及注意事项.关键词:彩色线阵CCD;角度测量CCD(ChargeCoupledDevices)电荷耦合器件是二十世纪七十年代初发展起来的新型半导体集成光电器件.经历了三十多年的发展,CCD元件及其应用技术的研究取得了巨大的成就,特别是在图像传感及非接触测量领域,进展更为迅速.本实验介绍利用线阵CCD对物体角度进行测

2、量的原理和方法,可以加深对CCD工作原理的认识,掌握测量角度的方法.1.实验原理利用线阵CCD测量被测物体角度的方法有很多,其实质都属于尺寸测量和位移量的测量.常用的有两种方法.1.1.第一种方法如图1所示.图中水平粗线为线阵CCD像敏单元阵列,假设待测物体在CCD像面上的贝0量宽度为D,当该物体旋转角度Ot后,CCD感光线上测量的宽度值也发生了相应变化,变为5.从图1可以推导出待测角度Ot=sin(D/S).测体T,l,:DNa,r/,_D图lCCD测角方法之一这种方法比较简单,适用于低精度大尺寸测量,且光学放大倍数不高的场合,并且必须保证被测物RBG图2用彩色线阵CCD的测角原理体的宽度是

3、已知的.当待测物体本身的宽度尺寸D有显着变化时,会影响测量精度.1.2.测量角度的第二种方法是利用彩色线阵CCD测量物体角度.彩色线阵CCD由3条相互平行的像敏单元阵列构成,当被测物与线阵CCD像敏单元阵列成角度Ot时,可以利用彩色线阵CCD两条平行的阵列传感器进行角度测量.如图2所示,假设被测物在像面的投影如灰色部分所示,尺,B,G分别为彩色线阵CCD的尺,B,G三条像敏单元阵列(阵列传感器).由图中可以看出,三条阵列传感器对待测物体成像后的边界是相互错开的,通过对R,G阵列传感器的边界信息提取测量,便可以测得图中的5.而相邻感光线的间距为64gm为已知量,则R,G阵列传感器的边界间的距离L

4、0=128gin.由此可以推导出待测角度为Ot=留(T/S)由于彩色线阵CCD的相邻阵列传感器的距离加较宽,而同列像元的中心距,11tl,因此用这种方法测角可以获得较高的精度.这种方法测角的角度分辨率为otmin=留(1o/Lo)一67/,(LS)2007年第1期IABORATORYSCIENCE2007年2月出版此外,为使对比度清晰,实验常用黑白相间的镀膜塑胶片夹作为被测物,其优点是简便,灵活,可成套使用.如本实验可用两张分别刻划60度与45度的片夹.2.实验仪器设备彩色线阵CCD多功能实验仪一台双踪迹示波器一台(带宽50MHz以上)实验用计算机及相关的实验软件一套3.实验内容3.1.实验预

5、备1)首先将实验仪的数据端口和计算机并行端口通过专用数据电缆连接良好.提前将计算机并行端口设置为EJpJp(增强型并行接口)工作模式.2)打开计算机电源,完成系统启动后进入下一步操作.3)打开彩色线阵CCD的主电源开关,用示波器测量CCD各管脚脉冲信号的波形是否正确.如果与图3所示的波形相符,继续进行下面实验;否则,应做检查.4)确认已经正确安装实验仪软件.否则,请首先安装实验仪软件.怖1卜+IIIIIflII_1fII¨II】f口qnr_.一I嚣:一图3驱动波形与输出脉冲波形3.2.角度测量方法之一1)打开实验仪上盖板将45度测量片夹插入后端片夹夹具中.2)运行角度测量实验软件,选

6、择工具条上的算法1按钮,可选择绿色UG为阵列传感器的输出信号.3)调节镜头光圈,焦距和积分时间设置等使信号达到测量要求(接近饱和状态,但不能进入饱和状态),且要调整好成像物镜,使输出波形尽量陡直,以便满足测量精度的要求.一684)设置阈值为”浮动阈值”方式,数值选为5O.选择”压缩”显示,数据采集间隔设为Os,设置采集次数为10次,采集方式为10次采集取平均值.5)运行测量软件,并将所显示的测量结果(如图4所示)记录在实验报告中.图4实验结果的显示3.3.角度测量方法之二采用UR,UG作为输出信号进行测量.被测物用60度片夹代替.选择工具条上的算法2按钮,可选择两条(UR,UG)作为阵列传感器

7、的输出信号.实验步骤如同角度测量方法一.3.4.结束关机1)关闭实验仪.2)关闭计算机.3)关闭示波器.4)关闭电源.4.实验总结与讨论该实验简便,易行,大多数繁琐的计算由计算机进行,充分体现了线阵CCD在计算机辅助下进行非接触测量的优势.此外,笔者对影响该实验测量精度的因素作了如下讨论:1)CCD阵列一定要与被测物保持垂直(如图1),否则会影响测量准确性.对于本实验,应确保可旋转CCD的水平状态.2)CCD像面的测量精度与被测物体本身的宽度变化会影响结臬.例如假设本实验测量物体宽度为4mm,CCD像面的测量精度为±2(CCD像素点),或被测物体本身的宽度变化为8mm±0.2mm,根据光学放大倍数分析精度情况.再有,对于应用方