实验四利用线阵CCD进行物体角度的测量

1、实验四利用线阵 CCD 进行物体角度的测量一、实验目的应用线阵CCD 可以进行物体位置或角度的测量，学习利用线阵CCD 测量被测物体角度的方法能够帮助学生进一步掌握线阵CCD 的应用问题，培养学生充分发挥想象力，增强创新设计能力。二、实验准备内容学习利用彩色线阵CCD 测量被测物体角度的基本原理。掌握利用CCD 进行角度测量的方法。三、实验所需仪器设备YHLCCDIV 型彩色线阵CCD 多功能实验仪一台。装有VC+软件及相关实验软件的PC 计算机一台；带宽 50MHz 以上的双踪迹同步示波器一台；四、利用彩色线阵 CCD 测量物体角度的原理利用线阵CCD 测量被测物体角度的方法有很多，其实质都

2、属于尺寸测量和位移量测量的类型。常用的测量方法有两种。第一种方法如图6-1 所示，图中水平粗线表征线阵CCD 的像敏单元阵列，假设待测物体的轴线与CCD 像元排列方向垂直，线阵CCD 将测出它的宽度为 D，当该物体旋转了角度 后，CCD 测量出来的宽度值也发生变化，变为 S。从图 6-1 可以推导出被测物的倾斜角度 为 sin-1( D / S )。这种测量角度的方法比较简单，适用于低精度测量较大尺寸物体的倾斜角。这种方法要求预先知道被测体垂直放置时的宽度，且光学系统的放大倍数不能太高。当被测物体本身的宽度尺寸 D 有显著变化时，会直接影响角度的测量精度。测量角度的第二种方法实际上是两条具有水

3、平刻度尺的平行线切割被测物体而对其倾角敏感的测量原理。由于彩色线阵 CCD 由 3 条相互平行的像敏单元阵列构成，且制造 CCD 的工艺保证了三条平行的光敏单元阵列的首尾及像元尺寸的高精度一致性，使得其中的任意两行光敏单元阵列能够构成两条具有水平刻度的尺，其像元尺寸可视为尺的分度，像元总长可视为测量范围（当然要考虑光学系统的放大倍率），当被测物与线阵 CCD 像敏单元阵列成角度时，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 6-2 所示，假设被测物在CCD 像面上的投影如灰色部分所示，R、B、G 分别为彩色线阵 CCD 的 R、B、G 三条像敏单元阵列（阵列传感器）。由图

4、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，用分离最远的 R、G 阵列传感器做测量尺， 通过对 R、G 阵列传感器的边界信息的提取测量，便可以测得图中的S。而相邻感光线的间距为 64m 为已知量（见器件手册），则 R、G 阵列传感器的边界间隔距离 L 128m。0由此可以推导出待测物体的倾斜角度为tg-1 ( T / S )(6-1)由于彩色线阵 CCD 的相邻阵列传感器的距离 L0较宽，而同列像元的中心距 l0很小，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tg-1 ( l / L )(6-2)min00五、实验内容及步骤1、实验内容用单色线阵 CCD

5、 测量物体的角度用彩色线阵 CCD 测量物体的角度2、实验步骤首先将实验仪的数据端口和计算机USB 端口用专用USB 数据线缆连接好并合上 YHLCCDIV 的主电源开关。打开计算机电源，完成系统启动后进入下一步操作。用示波器测量 F1、F2、FC、RS、SP、CP 各路脉冲信号的波形是否正确。如果与附图 3 所示的波形相符，继续进行下面实验；否则，应请指导教师检查。v.行下面的操作。认已经正确安装实验仪软件。否则，请首先安装实验仪软件。选择“角度测量实验”文件，点击，弹出角度测量主界面后按界面提示进（一）角度测量方法之一打开实验仪上盖板将测量角度样片 D、E 分别插入测量片夹夹具中。运行角度

6、测量实验软件，在如图6-3 所示的界面工具条上选择算法，点击算法 1 按钮，便可以算法 1 的测量方法测出“物体”（样片 D）的倾角，并将结果显示在如图 6-4 所示的测量框内，例如测得角度为 44.54。调节镜头的光圈、焦距和 CCD 的积分时间设置，使信号达到测量要求（接近饱和状态图，6-但3 算不法能选进择入饱和状态），图且6-要4 实调验整结好果成的像显物示镜，使输出波形尽量陡直，以便获得更高的测量精度。设置阈值为“浮动阈值”方式，数值选为50。选择“压缩”显示，数据采集间隔设为 0s，设置采集次数为 10 次，得到 10 次采集的平均值。运行测量软件，并将所显示的测量结果记录在实验报

7、告中。（二） 角度测量方法之二选择工具条上的算法 2 按钮，实验仪将自动转换为用 TCD2252D 的 UR、UG 两输出信号进行方法 2 测量。将测量角度样片 D、E 图形代替被测物分别插入测量片夹的夹槽中。其他实验步骤如同角度测量方法一的步骤。测量结果也同样显示于如图6-4 所示的界面 3、结束与关机先退出实验程序，再关闭实验仪的电源；关闭计算机系统；关闭示波器电源；关掉总电源。整理好所有的实验器材与工具。六、实验结果七、实验总结1、 CCD 阵列一定要与被测物保持垂直，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果。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 8mm0.2mm，根据光学放大倍数分析精度（如上