CCD提升钢丝绳直径检测系统设计光学系统及机械结构设计

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1、摘要在我国，无论是煤矿还是冶金矿所使用的提升设备都普遍存在着钢丝绳磨损的问题，尤其是斜井提升设备上使用的钢丝绳，最突出的问题就是钢丝绳磨损，直径变细。我国 煤矿安全规程 规定，矿用提升钢丝绳断面积减小 5% 时，不能用来提升工作人员；断面积减小 10% 时，不能用来提升矿用物资。而提升钢丝绳的提升能力及使用状态对于提升设备的安全可靠运行至关重要，因此，每天必须对提升钢丝绳进行检测，以确保提升设备的安全可靠运行。目前，厂矿企业仍然沿用传统的人工检测方法，即人工使用游标卡尺进行抽点检测。这种检测方法存在着很大的弊端，它检测精度低，不能进行连续的实时在线检测，漏检的情况也时有发生，这就给提升安全带来

2、严重隐患。同时，这种方法劳动强度大，检测速度慢。另外，在进行人工检测时，提升钢丝绳必须停止提升，这样会降低工作效率和设备利用率。而且人工检测全凭实际工作经验，精度、效率也会随之降低，既不能完成非接触检测，又不能实现在线检测，同时还增加了检测时给工作人员所带来的危险性。针对这种现状，国内外各高校及研究部门对提升钢丝绳直径的连续实时在线检测进行了大量的研究工作。从检测方法看，主要有两类：磁通检测法、激光扫描法，但这两种检测方法都存在着较大的缺点。磁通检测法检测精度低、设备笨重；激光扫描检测法虽然检测精度高，但是设备复杂、成本高。在这种情况下，利用CCD技术本文提出了一种新的提升钢丝直径测量方法 C

3、CD 实时在线非接触式线径测量数码管显示 具有测量快速高效 自动化程度高 示直观等特点 并能克服人工检测所具有的缺点.关键词 钢丝绳磨损；光电技术；非接触式测量；CCD技术AbstractIn our country, whether or metallurgical coal mine upgrade equipment used by the wire rope wear is prevalent problem, particularly the inclined shaft upgrade equipment used wire rope, the most prominent is

4、the issue of wire rope wear, small diameter. Chinas coal mine safety regulations, mine hoisting cable basal area decreased 5%, should not be used to enhance staff; basal area decreased 10 percent, can not be used to upgrade mine supplies. Wire Rope for upgrading and enhancing capacity and the use of

5、 state equipment to upgrade the safe and reliable operation of utmost importance, therefore, must be to upgrade the rope daily testing to ensure that lifting equipment safe and reliable operation. At present, mining enterprises are still using the traditional methods of detection, the use of a verni

6、er caliper pumping detection. This test is the presence of large defects, it detects low accuracy but not continuous real-time detection, missed the situation occurred from time to time, which to enhance security serious hidden dangers. At the same time, this method labor intensity, slow detection.

7、Meanwhile, in artificial testing, must stop hoisting cable upgrade, which will reduce efficiency and equipment utilization. Detection entirely artificial and practical work experience, accuracy and efficiency will also be reduced, neither complete non-contact detection, and detection can not be achi

8、eved online, at the same time also increased the detection of staff to the dangers posed by sexual. In view of this status quo, and colleges and universities at home and abroad and research departments to upgrade the diameter of the wire rope for real-time detection of a large amount of research wor

9、k. From the detection method, there are mainly two categories: the magnetic flux detection, laser scanning method, but the two detection methods exist more weaknesses. Detection of magnetic flux detection of low accuracy, heavy equipment, laser scanning detection Although the detection of high preci

10、sion, but the complex equipment, high costs. In such circumstances, the paper using CCD technology, a new upgrade wire diameter measurement method - CCD-line non-contact measurement of diameter measurement with digital display quickly and efficiently show a high degree of automation and intuitive fe

11、atures, such as artificial overcome Detection by the drawbacks. Keywords rope wear photovoltaic technology on-contact measurement CCD technologyII徐州工程学院毕业设计(论文)目 录1绪论 11.1课题的意义和目的 31.2 CCD检测系统的特点和分析 41.3 基于CCD技术的钢丝绳检测系统. 42钢丝绳的选用 62.1钢丝绳的计算及合理参数 . 62.2钢丝绳的使用 . 82.3钢丝绳的养护和报废 . 92.4钢丝绳直径的计算. 113 CCD工作

12、原理及选用. 133.1电荷的存储. 133.1.1电荷的耦合 163.2电荷的注入和检测. 173.2.1电荷的注入. 173.2.2电荷的检测. 173.2.3 CCD 的特性参数.183.3 CCD选型.193.4 CCD工作原理.204光学系统的设计 214.1光学成像基本计算公式. 214.1.1 理想光学系统的基本参数 214.1.2 理想光学系统成像的物像关系 224.1.3 理想光学系统的放大率 234.2光学中光阑的作用. 244.2.1 孔径光阑、入射光瞳和出射光瞳. 244.2.2 视场光阑 . 254.3 照明系统设计 . 254.3.1 照明方法. 254.3.2 聚

13、光镜的作用. 274.3.3 照明系统的设计原则. 284.4 远心光路的应用 284.5 光学系统的设计 . 294.5.1成像系统的设计. 294.5.2照明系统的设计参数 . 305 机械结构的设计 . 355.1 机械设计的原理和要求 .355.2 支架的作用 . 366 CCD在线的实验 . 376.1 实验准备 376.2 实验方案 376.3实验系统设计. 386.4数据采集 . 396.4.1系统标定 396.4.2影响测量的几个因素及改进方法 40结论和展望. 41致谢. 43参考文献. 43附录. 46附录1 . 46451 绪论1.1 课题的意义和目的提升机是国内外竖井煤

14、矿生产的咽喉1。井下煤炭的输出、生产人员与设备的出入井等，它是唯一的运输工具，因此，它的运行状态直接关系到人身安全和煤炭生产。一个罐笼一次最多可提升 150 人，他们的生命都寄托于钢丝绳悬挂的罐笼。井上的物料和井下的矿石也无一不是用不同的提升装备每天运送的。但更换钢丝绳的成本对运行费用影响极大。因而，保持钢丝绳间的载荷一致，对延长钢丝绳的寿命、减轻衬垫磨损、保证设备安全运行有着很重要的意义。根据煤矿安全规程第 399 条规定，摩擦提升装置中任一根提升钢丝绳的载荷与平均载荷之差不得超过10%。一旦超过（即失衡）就潜伏下了危险，如不能及时调整就可能发生重大事故。在此之前，煤矿系统只能按照现行的安全

15、规程，定期停产检查调整或者更换价格昂贵的钢缆。这样不仅影响正常的煤炭生产，又造成很大的浪费，更重要的是不能从根本上保证提升机运行的安全。国内几乎年年都发生提升机“坠井”的重大恶性事故，造成重大经济损失和人员伤亡，成为煤炭生产中的一项重大技术难题。因此，要从根本上预防事故的发生，必须随时、自动地监测各钢丝绳的载荷变化状况。但由于矿井特殊环境和煤矿生产条件的制约，国内外多年来的研究成果都难以实用化，除了理论估算和预算外，没有一个实用有效地自动监测手段。因此，对钢丝绳的承载大小及各钢丝绳之间平衡情况的掌握和监测方法的研究，就成为实现煤矿安全提升很重要的一个环节。矿井提升过中，随着矿井深度的增加和一次

16、提升量的加大，由于多绳摩擦式提升设备体积小、重量轻、提升能力大、安全性能好、常用于深井等优点，成为我国很多矿井生产中的主要提升设备。但由于多绳摩擦提升中存在各钢丝绳张力分配不均的特殊问题，解决不好不但影响生产，同时也给设备的安全运行带来隐患，因此对该问题进行研究并加以解决具有现实意义。1.2 CCD检测系统的特点和分析CCD（Charge Coupled Devices）电荷耦合器件是20世纪70年代初发展起来的新型半导体集成光电器件，是由美国贝尔试验室的W.S.Boyle和G.E.Smith于1970年首次提出的。在经历了一段时间研究之后，建立了以一维势肼模型为基础的非稳态CCD理论并逐渐完

17、善，发展成为一种新型的固体成像器件。实际上，CCD是在大规模硅集成电路工艺基础上研制而成的模拟集成电子芯片，它既具有光电转换的功能，又具有信号电荷的存储、转移和读出的功能。而且，它具有体积小、重量轻、高灵敏度、高精度、抗震好、寿命长和可靠性高等优点。CCD从结构上讲，可分为面阵CCD和线阵CCD两种。面阵CCD主要用于图像记录、储存等方面；线阵CCD主要用于产品外部尺寸的非接触检测、控制和分类、产品表面质量评定、自动化及机器人视觉中的精确定位等1。CCD技术在光电扫描技术、图像处理技术和非接触检测等领域应用广泛。诸如冶金部门中各种管、线、带材轧制过程中的尺寸测量，光纤及纤维制造中的线径尺寸测量

18、、控制，机械产品尺寸测量、分类，产品表面质量评定，文字与图形识别，光谱测量以及空间测量等；它还可以应用于数码摄相、复印、扫描等。而以CCD技术为核心的数码相机的发展之迅猛令人难以想象。自1991年第一架数码相机问世以来，数码相机的发展可谓日新月异，其像素数由原来的几十万增加到几百万乃至上千万。而应用CCD技术的扫描仪和复印机更是现代办公必不可少的设备，极大提高了工作效率。同时，CCD不但广泛应用于民用范围，也广泛应用于军事工业1920。CCD图像技术可用于特定的场合，如侦察、探测等，借助军用PDA（Personal Digital Assistant）的存储、处理和传输功能来达到相应的军事目的

19、。例如美国KH-11侦察卫星，卫星上装有二套相机。其中一套是高分辨率CCD 可见光相机, 它能提供分辨率为0.1m的图片。而应用于海湾战争中使用CCD相机的SPOT卫星，它所提供的数字图像对作战效果的提高是十分明显的, 它使精确制导炸弹的单发摧毁概率由30% 提高到70%，在海湾战争中发挥了极大作用。近年CCD应用技术已成为集光学、电子学、精密机械和计算机技术为一体的综合性技术，在现代光子学、光电检测技术和现代测试技术领域中日趋广泛，而该技术的应用和研究在国内外都发展的很快。1.3 基于CCD技术的钢丝绳检测系统由以上CCD特性分析可知，其用于尺寸测量是非常有效的非接触式检测技术，被广泛应用于

20、在线检测和高精度、高速度的检测技术领域。由CCD光电传感器、光学系统、单片机数据采集和处理系统构成的CCD光电尺寸检测仪器的使用范围和优越性，不仅是人工检测所无法比拟的，也是现有机械式、光学式、电磁式测量仪器都无法比拟的。近年来，利用CCD进行非接触检测在国外已经得到广泛应用，但国内在这方面的应用还处在研制和试用阶段，而在矿用提升钢丝绳直径检测方面还是个空白1。如果用CCD来对提升钢丝绳直径进行非接触实时在线测量，不但可以克服人工测量的缺点，而且还可以克服磁通检测法和激光扫描法的缺点。因此，本项目拟研制开发CCD实时在线非接触式线径测量系统来取代原有的人工测量，对于提升设备的安全可靠运行具有重

21、大意义，并具有较大的社会效益和巨大的经济效益。 图1-1 CCD实时在线非接触式线径测量系统结构图 图1-2 CCD实时在线非接触式线径测量系统原理图本项目研究的CCD实时在线非接触式线径测量系统由照明系统、提升钢丝绳（被测物）、成像系统、CCD光电检测系统和单片机处理系统构成，其系统结构图见图1-1，系统原理图见图1-2。稳压稳流电源为照明系统提供稳定的平行照明光，被照明的提升钢丝绳直径经成像系统成像在线阵CCD的光敏阵列面上。由于钢丝绳为不透明物体，钢丝绳直径所成的像会在CCD光敏阵列面的中间部分形成暗带，两侧形成亮带，暗带的宽度就是钢丝绳直径所成像的大小。线阵CCD在驱动脉冲的作用下完成

22、光电转换并产生视频信号，将光敏面的空间宽度转换成时间宽度信号。此视频信号送到二值化电路中进行二值化（即0和1）处理，产生二值化信号，其二值化信号波形见图1-3。此二值化信号送到单片机系统中进行处理，得到高电平宽度，此高电平宽度即对应着钢丝绳直径在CCD像敏面上所成的像宽，再查标定表和换算即可得到钢丝绳直径的真实宽度。 图1-3 CCD二值化信号图2 钢丝绳的选用2.1 钢丝绳的选用和合理参数随着技术发展 ,钢丝绳的品种日益增多 ,应用范围越来越广 ,要安全经济地使用好钢丝绳 ,除了需要钢丝绳制造企业努力提高质量 、发展品种 、降低成本之外 ,设计部门和使用单位对钢丝绳及其有关装置合理地选择 、

23、正确使用以及妥善养护等关系甚大 ,而合理选择则是正确使用的基础 。实验室试验和现场实践证明 :同样工作条件下由于选择不同品种的钢丝绳 ,使用寿命有成倍差别 21。正确选择钢丝绳要首先在购买钢丝绳前确定钢丝绳的用途 。例如用于立井提升可选用三角股钢丝绳、线接触钢丝绳或多层股钢丝绳 ;用于开凿立井提升 ( 建井用) 可选用多层股钢丝绳或异型股钢丝绳 ; 用于立井罐道及索道承重可选用密封钢丝绳 、三角股钢丝绳 、多层股钢丝绳或普通钢丝绳等 。其次要明确不同用途钢丝绳的安全系数(25)。钢丝绳最小破断拉力应不小于钢丝绳最大工作静拉力与钢丝绳最小安全系数的乘积 。最后进行结构与规格的选择。例如 ,某煤矿

24、主井矿车提物单绳缠绕 ,钢丝绳实际使用长度 250 m ,绳端最大静载荷 49 kN ,矿车平均运行速度 3. 5 m/ s。选择步骤如下 : (1) 根据煤矿安全规程规定 ,单绳缠绕式提升装置专为升降物料的安全系数最低为 6. 5 ,则需选用的钢丝绳破断拉力应不小于 318.5 kN ;(2) 最后选择时还需综合考虑钢丝绳的柔软性 、耐疲劳性 、耐磨性 、耐挤压性以及价格等因素 。一般常用圆股钢丝绳柔软性 、耐疲劳性 、耐磨性三者之间的关系见表 1 。耐挤压性一般来说股内钢丝数少相对稳定 21 ;(3) 由上分析 ,本例选用 26NAT6 + FC 167019ZS 的钢丝绳可满足要求 。表

25、2-1圆股钢丝绳柔软性 、耐疲劳性 、耐磨性之间的关系柔软性耐磨性耐疲劳性结构软 (A) - 硬 ( E)强 (A) - 弱 ( H)高(A) - 低( H)67EAH619DCG619SEBF619WDCE625FiDCC631SWDCC629FiCDC636SWCDB624 CEG6 41SWBFA637BGG2.2 钢丝绳的使用(1) 解卷将绳盘放在专用支架上 ,也可用钢管穿入绳盘孔 ,两端套上绳索吊起 ,将绳盘缓缓转动抽出钢丝绳 。抽取钢丝绳的同时应采取措施防止钢丝绳打环、扭结 、弯折或粘上杂物 。(2) 剪切钢丝绳剪切前应在距切割处左右各 1020 mm处分别用铁丝扎紧 ,捆扎长度为

26、绳径的 14 倍 ,再用切割工具切断。(3) 安装钢丝绳投入使用前 ,用户应确保与钢丝绳工作有关的各种装置已安装就绪并运转正常 。如果当钢丝绳空载时与机械的某个部位发生摩擦则应将能接触到的部位加以防护 。新钢丝绳不要立即在高速 、重载下直接使用 ,而要在低速 、中载条件下运行一段时间 ,使新绳适应使用状后 ,再逐步提高钢丝绳运行速度和加大提升载荷 ,即新钢丝绳在进行高速 重负荷作业前必须经过初期磨合阶段 。(4) 使用1.钢丝绳和滑轮配合使用时 ,必须注意防止钢丝绳从轮槽中跳出 。如果钢丝绳脱落了轮槽后还在继续使用 ,钢丝绳将会产生挤压变形 、扭结、 断丝、 断股 ,严重缩短钢丝绳使用寿命 ,

27、如果发生断绳现象 , 往往会带来灾难性的后果 。2.钢丝绳在使用时不能受到强烈挤压 ,以免钢丝绳变形 ,导致结构破坏而出现早期断丝 、断股甚至断绳 ,显著降低钢丝绳使用寿命并危及作业安全 。 3.钢丝绳在高速运行时应避免与非匹配轮槽外的其它物体发生摩擦 。因为在高速情况下 ,钢丝绳与这些物体相互运行时所产生的瞬间摩擦热 ,可导致钢丝表层出现马氏体组织 ,而这种组织上的变化虽然无法通过肉眼辨别 ,然而却是引起钢丝早期断裂的主要原因 。4.钢丝绳不能过载使用 ,否则将急速加剧其被挤压变形程度 、内部钢丝之间及外部钢丝与匹配轮槽之间的磨损程度 ,对作业安全性带来严重危害 ,同时缩短滑轮使用寿命 。5

28、.钢丝绳使用过程中 ,如果运行速度频繁发生急剧变化 ,将造成冲击载荷 。每次冲击虽然只是瞬间加载 ,但隐含着极大的危害性 。冲击负荷超过钢丝绳允许使用工作应力时就会产生断绳现象 。即使冲击载荷不一定导致钢丝绳断裂 ,但多次冲击 ,将会严重缩短钢丝绳的使用寿命 。对于已经使用了一段时间的钢丝绳 ,与新绳相比 ,由于伸缩性较小 ,耐冲击性会更低 6.运转速度越低 ,钢丝绳的损伤越少 。随着运转速度的加快 ,钢丝绳的损伤相应增加 。为此 ,应避免在运行中速度急剧变化 ,避免突然 、剧烈加载以及猛烈地刹车 ,这样可以减少钢丝绳的损伤 。钢丝绳在中等运转速度最大负荷下工作与在高速运转中等负荷下工作相比

29、,前者的使用寿命要长得多 。7.钢丝绳在使用中应做到不沾水 ,不在积水和潮湿的沙土中穿过 ,应尽可能地在干燥的环境下使用 。在容易生锈的条件下推荐使用镀锌钢丝绳 。2.3钢丝绳养护与报废(1)油垢的清除 。钢丝绳表面的油脂 ,经过一定时间使用 ,由于落入各种粉尘和其它杂质而逐硬化失效形成油垢 。油垢不仅阻碍新油脂和钢丝绳表面接触 ,而且在钢丝绳磨损时起到磨料作用 ,加速了钢丝之间的磨损 2122。油垢如果龟裂还会起到吸水作用 ,容易造成钢丝锈蚀 。如果没有将油垢及时清除就在上面涂油 ,则不能很好地和钢丝结合 ,所以涂油前应先设法将油垢清除。 (2)钢丝绳的润滑 。钢丝绳在制造时虽已涂了足够的油

30、脂 ,但国内常用的钢丝绳表面脂滴点低 ,附着力差 ,经运行后 ,油脂会逐渐减少 ,且钢丝绳表面会沾有尘埃 、碎屑等污物 ,易引起钢丝绳及绳轮的磨损和钢丝绳生锈 ,影响钢丝绳的使用寿命 ,应定期对钢丝绳进行清洗和加油 ,特别是那些绕过滑轮时经受弯曲的部位 。缺乏维护是钢丝绳寿命短的主要原因之一 ,特别是在腐蚀性环境中工作以及在不能润滑的情况下运转时更是如此 。(3)检查记录 。使用钢丝绳必须定期检查并做好记录 ,定期检查的内容除了上述的清洗加油外 ,还应检查钢丝绳磨损程度 、断丝情况 、腐蚀程度等。钢丝绳的报废在钢丝绳使用过程中 ,为确保使用安全 ,一旦发现异常现象必须及时调整或更换 ( 详细规

31、定可见相关标准) 。异常现象包括 : (a) 钢丝绳有超过规定的断丝根数 ; (b) 钢丝绳绳股断裂 ; (c) 由于绳芯损坏而引起的绳径减小 ; (d) 钢丝绳弹性减小 ; (e) 钢丝绳的钢丝磨损严重 ; (f) 钢丝绳的钢丝腐蚀严重 ; (g) 钢丝绳变形 ; (h) 由于热或电弧作用引起的损坏。使用单位应严格按照要求做好维护保养工作并做好检查记录 ,遇有异常情况要及时处理 ,必要时需报废更换 ,如不及时处理就可能造成严重后果 。2.4 钢丝绳的直径计算矿井提升钢丝绳是矿井提升系统的重要组成部份 ,对安全生产起着非常重要的作用 。根据矿井条件选定了钢丝绳的结构之后 ,就需要通过计算来确定

32、钢丝绳的公称直径 。1钢丝绳直径计算的理论依据关于钢丝绳的强度计算理论 ,国内外都作了大量的研究工作 ,取得了一些成绩 ,但由于钢丝绳的结构复杂 ,受力复杂 ,再加上磨损 、锈蚀、 环境等影响因素较多 ,尚未完善地用于工程计算 。因此 , 钢丝绳的强度计算 ,至今仍按煤矿安全规程的规定 :根据其工作中所承受的最大静拉力和钢丝绳中钢丝最小破断拉力总和来计算 ,使它具有一定的安全系数 。其强度条件可写为 : Q 式（2.1）式中 Q j 钢丝绳工作中所承受的 ) 最大静拉力 ,N ;Fh 钢丝绳中钢丝最小破断拉力总和N;b 钢丝绳的安全系数 。式 (2.1 )中的 Fh / b 就是钢丝绳的许用力

33、 。安全系数 b 的值应满足煤矿安全规程的要求 。关于安全系数需要指出的是 ,由于提升钢丝绳的工作应力非常复杂 ,影响钢丝绳使用寿命的因素又很多 ,所以煤矿安全规程中的安全系数并不代表钢丝绳的真正强度安全储备值 ;而仅仅表示经过长期实践证明 ,在规定的安全系数条件下 ,钢丝绳才能安全可靠地运行 。式 (2.1) 并不能直接进行绳径的计算 ,因为最大静拉力不仅与绳端的荷重 ( 提升容器 、人、物及连接装置等的质量) 有关 ,而且与钢丝绳自身的质量有关 。计算之前钢丝绳的质量还是个未知数 ,所以必须从另外的角度来考虑 。图2-1立井提升钢丝绳计算示意图这时在钢丝绳上部截面 A 处承受着的最大静拉力

34、为 : Q j = ( mL + Q 0 ) g 式(2.2)式中 Q i 钢丝绳在 A 处受的最大静拉力 , N;Q 0 钢丝绳终端载荷质量 , kg ;m 每百米长钢丝绳质量 , kg/ m ;L 钢丝绳的悬垂长度 , hm ;g 重力加速度 ,9. 8 m/ s2 。由 GB/ T8918 第 4. 3. 1 条知m = Kd 式(2.3)式中 d 钢丝绳的公称直径 , mm ;K 钢丝绳的质量系数 , kg/ hm 2mm( K 值见 GB/ T8919 表 5) 。将 (2.3) 式代入 (2.2) 式得 Q j = ( Kd + Q 0 ) Lg 式(2.4)根据 GB8706 -

35、 88 钢丝绳术语15.2.1条第和 GB/ T8918 第 5.3.1条 ,钢丝绳最小破断拉力 ( 理论计算的钢丝绳破断拉力最小值) 的计算公式为: F0 = Kd R2 R 式(2.5)式中 F0 钢丝绳最小破断拉力 , N ;d 钢丝绳公称直径 , mm ;R 钢丝绳公称抗拉强度 , M Pa ;K某一指定结构钢丝绳的最小破断拉力系统( K见 GB/ T8918 表值5) 。根据 GB/ T8918 第 5.3.2条 ,钢丝绳中钢丝最小破断拉力总和( GB8706 - 88 第15. 2.3 条称为钢丝计算破断拉力总和)可用下式表达 ,即 F = K RF 式(2.6) 式中K ( 破断

36、拉力)换算系数(该符号是自己设定的,其值见GB/T8918 表 14 表31下注)。将(2.5)式代入(2.6)式得 Fh = KhKd R2 R 式(2.7)将(2.4)式和(2.7)式代入(2.1)式得Kh Kd R2R( Kd + Q 0 ) Lg, bKh Kd R2 R2Kd+ Q 0 Lgg bKh K d 2 RR得： d 式（2.8）矿井钢丝绳的计算及选择已知条件 ： 主井井深 450m 箕斗容量 8吨计算钢丝绳每米的重量P p= 式（2.9）Q 一次提升量，Q=8吨；Q8吨箕斗的自重，由表1-3查得Q=5500kg矿井提升设备 钢丝绳钢丝的极限抗拉强度，取=m 安全系数，煤矿

37、安全规程规定，主井箕斗提升m取m=6.5sHc 钢丝绳最大悬垂长度 Hc=Hs+H+H=450+32+18=500m式中H井架高度 , 暂取32mP= 式（2.10） 选择标准钢丝绳 （查表1-2）由于提升的量不是的太大且井的深度不是太深，可考虑选用普通的钢丝绳圆股绳6型钢丝绳 普通圆形股6（19）型新钢丝绳的主要规格是：钢丝绳直径d=40mm 钢丝直径 钢丝绳每米重量p=5.717 钢丝绳钢丝的极限抗拉强度 全部钢丝绳断裂力之和Q=102500以上数据由钢丝绳规格表中选取现验算 m=由于实际的安全系数大于6.5上述的钢丝绳不可以，可取p =m 故可以钢丝绳直径d=40mm; 钢丝直径；钢丝每

38、米重：5.717钢丝绳公称抗拉强度: 故按照煤矿安全规程规定 由于实际安全系数大于6.5上述钢丝绳可用故选用6（19）型钢丝绳 。3 CCD工作原理及选用CCD 的突出特点是以电荷作为信号,而不同于其他大多数器件是以电流或电压为信号。CCD的基本功能是电荷的存储和电荷的转移 ,它的工作过程中的主要问题是信号电荷产生存储、传输和检测。CCD 有两种基本类型: 一是电荷包存储在半导体与绝缘层之间的界面, 并沿界面传输这类器件称为表面沟道 CCD, 简称 SCCD；二是电荷包存储在离半导体表面一定深度的体内，并在半导体体内沿一定方向传输， 这类器件称为体沟道或埋沟道器件，简称 BCCD 。我以 SC

39、CD 为例来说明 CCD 工作原理 。3.1电荷存储对于 SCCD 构成 CCD 的基本单元是 MOS 金属-氧化物-半导体结构如图 3-1(a),所在栅极施加正偏压 UG 之前 p 型半导体中空穴多数载流子的分布是匀的,当栅极施加正偏压 UG ,此时 UG 小于p 型半导体的阈值电压 Uth 后,空穴被排斥产生耗尽区.如图 3-1(b)所示,偏压继续增加,耗尽区将进一步向半导体内延伸,当 UGUth 时,半导体与绝缘体界面上的电势常称为表面势,用S 表示.变得如此之高以致于将半导体内的电子少数载流子吸引到表面形成一层极薄的10-2 m ,但电荷浓度很高的反型层 ,如图 3-1(c)所示 ,反

40、型层电荷的存在表明了, MOS 结构存储电荷的功能 ,然而 ,当栅极电压由零突变到高于阈值电压时, 轻掺杂半导体中的少数载流子很少 .不能立即建立反型层在不存在反型层的情况下, 耗尽区将进一步向体内延伸, 而且栅极和衬底之间的绝大部分电压降落在耗尽区上,如果随后可以获得少数载流子时,那么耗尽区将收缩表面势下降 ,氧化层上的电压增加.当提供足够的少数载流子时,表面势可降低到半导体材料费密能级F的两倍例如: 对于掺杂为 1015cm-3 的 p型半导体费密能级为 0.3V 耗尽区收缩到最小时 ,表面势S 下降到最低值 0.6V ,其余电压降在氧化层上表面势S 随反型层电荷浓度 QINV 栅极电压

41、UG 的变化而变化 ,当掺杂一定时 ,对于氧化层的不同厚度在不存在反型层电荷时,表面势S与栅极电压UG的关系曲线以及表面势S与反型层电荷密度的关系曲线直线性好说明表面势S与反型层电荷浓度QINV有着比例线性.图 3-1单个 CCD 栅极电压变化对耗尽区的影响关系，这种线性关系很容易用半导体物理中的势阱概念描述，电子是因为那里的势能最低 在没有反型层电荷时，势阱的深度与栅极电压UG的关系恰如S与UG 的线性关系 。如图 3-2(a)空势阱的情况，图3-2(b)为反型层电荷填充 1/3 势阱时，表面势收缩当反型层电荷足够多使势阱被填满时S 降到 2F，此时表面势不再束缚多余的电子电子将产生溢出现象

42、，这样表面势可作为势阱深度的度量， 而表面势又与栅极电压 UG 氧化层的厚度dOX有关。即与MOS电容容量，COX 与UG 的乘积有关。图 3-2势阱3.1.1电荷耦合观察图3-3中的CCD中四个彼此靠得很近的电极将有助于理解CCD中势阱及电荷如何从一个位置迁移到另一个位置假定开始时有一些电荷存储在偏压为 10V 的第一个电极下面的深势阱里 其他电极上均加有大于阈值的较低电压例如 2V ,设图 3-3(a)为零时刻 初始时刻 经过 t1 时刻后 各电极上的电压变为图 3-3(b)所示 第一个电极仍保持为10V 第二个电极上的电压由 2V 变为 10V 因为这两个电极靠得很紧 间隔只有几微米 他

43、们各自的对应势阱将合并在一起 原来在第一个电极下的电荷变为这两个电极下势阱所共有 如图 3-3(b)和(c)所示 若此后电极上的电压变为图 3-3(d)所示 第一个电极电压由 10V 变为 2V 第二个电极电压仍为 10V,则共有的电荷转移到第二个电极下面的势阱中如图 3-3(e)所示，由此可见，深势阱及电荷包向右移动了一个位置，通过将一定规则变化的电压加到 CCD各电极上 电极下的电荷包就能沿半导体表面按一定方向移动。通常把 CCD 电分为几组， 每一组称为一相并施加同样的时钟脉冲，CCD的内部结构决定了使其正常工作所需要的相数，图3-3所示的结构需要三相时钟脉冲，其波形图如图3-3f 所示

44、这样的CCD称为三相CCD，三相CCD的电荷耦合传输方式必须在三相交叠脉冲的作用下，才能以一定的方向逐单元地转移。另外必须强调指出 CCD电极间隙必须很小，电荷才能不受阻碍地从一个电极下转移到相邻电极下,这对图 3-3 所示的电极结构是一个关键问题。如果电极间隙比较大 两相邻电极间的势阱将被势垒隔开不能合并,电荷也不能从一个电极向另一个电极完全转移 CCD 便不能在外部脉冲作用下正常工作， 能够产生完全耦合条件的最大间隙一般由具体电极结构，表面态密度等因素决定理论计算和实验证实,为了不使电极间隙下方界面图 3-3三相 CCD 中电荷的转移过程处出现阻碍电荷转移的势垒 间隙的长度应小于3m 这大

45、致是同样条件下半导体表面深耗尽区宽度的尺寸，当然如果氧化层厚度 表面态密度不同 结果也会不同 但对绝大多数CCD1m 的间隙长度是足够小的以电子为信号的CCD称为 n 型沟道CCD简称为 n 型CCD而以空穴为信号电荷的CCD称为 p 型沟道，CCD简称为 p 型CCD由于电子的迁移率 单位场强下的运动速度 远大于空穴的迁移率， 因此 n 型 CCD 比 p型CCD的工作频率高得多。3.2电荷的注入和检测3.2.1电荷的注入在 CCD 中， 电荷注入的方法有很多归纳起来， 可分为光注入和电注入两类。 在 CCD 实时在线非接触式线径测量系统中，我使用的 CCD 器件是 TCD1206SUP,C

46、CD 器件的电荷注入方式是光注入 。当光照射到CCD 硅片上时， 在栅极附近的半导体体内产生电子-空穴对其多数载流子被栅极电压排开， 少数载流子则被收集在势阱中形成信号电荷光注入电荷。QIP= q neo ATC 式（3.1）式中 : 为材料的量子效率； q 为电子点荷量； neo 为入射光的光子流速率 ；A 为光敏单元的受光面积； TC 为光注入时间 。由式(3.1)可以看出 ,当 CCD 确定以后 q 及 A 均为常数, 注入到势阱中的信号电荷 QIP与入射光子流速率neo 及注入时间 TC成正比 .注入时间 TC 由 CCD 驱动器的转移脉冲的周期 TSH 决定 ,当所设计的驱动器能够保

47、证其注入时间稳定不变时 ,注入到 CCD 势阱中的信号电荷只与入射辐射光子流速率neo 成正比 .3.2.2 电荷的检测 (输出方式)在 CCD 中 ,有效地收集和检测电荷是一个重要问题. CCD 的重要特性之一是信号电荷在转移过程中与时钟脉冲没有任何电容耦合 ,而在输出端则不可避免.因此 ,选择适当的输出电路可以尽可能的减小时钟脉冲容性地馈入输出电路的程度. 目前 CCD 的输出方式有电流输出、浮置扩散放大器输出和浮置栅放大器输出。我所选用的 CCD 器件是 TCD1206SUP,它的电荷检测方式是电流输出 ，电流输出如图 3-4 所示 ，当信号电荷在转移脉冲的驱动下向右转移到末极电极 ，图

48、3-4 中2电极下的势阱中后，2 电极上的电压由高变低时，由于势阱提高，信号电荷将通过输出栅， 加有恒定的电压下的势阱进入反向偏置的二极管。图中（ n+区）。由UD 、电阻 R、衬底 p 和 n+区构成的反向偏置二极管相当于无限深的势阱进入。，到反向偏置的二极管中的电荷， 将产生输出电流 ID，且 ID 的大小与注入到二极管中的信号电荷量成正比，而与电阻 R 成反比 。电阻 R 是制作在 CCD 内的电阻 ，阻值是常数。所以输出电流 ID 与注入到二极管中的电荷量成线性关系 。由于 ID 的存在， 使得 A 点的电位发生变化。ID 增大，A 点电位降低。所以可以用 A 点的电位来检测二极管的输

49、出电流 ID，用隔直电容将A 点的电位变化取出， 再通过放大器输出 。图 3-4 中的场效应管 。TR为复位管它的主要作用是将一个读出周期内输出。二极管没有来得及输出的信号电荷通过复位场效应输出 。因为在复位场效应管复位栅为正脉冲时复位场效应管导通，它的动态电阻远远小于偏置电阻R使二极管中的剩余电荷被迅速抽走，使 A 点的电位恢复到起始的高电平。图3-4电荷的输出3.2.3CCD 的特性参数转移效率和转移损失率 ：电荷转移效率是表征 CCD 性能好坏的重要参数。一次转移后到达下一个势阱中的电荷与原来势阱中的电荷之比称为转移效率。如在 t=0 时,注入到某电极下的电荷为 Q(0)； 在时间 t

50、时 ,大多数电荷在电场作用下向下一个电极转移，但总有一小部分电荷由于某种原因留在该电极下。若被留下来的电荷为 Q(t)，则转移效率为=Q(0)-Q(t)/Q(0)=1-Q(t)/Q(0) 式（3.2）如果转移损失率定义为 =Q(t)/Q(0) 式（3.3）则转移效率和转移损失率的关系为 =1- 式（3.4）理想情况下应等于1 ，但实际上电荷在转移过程中有损失， 所以 总小于 1 的(常为 0.9999 以上) 。一个电荷为 Q(0)的电荷包， 经过 n 次转移后， 所剩下的电荷为 Q(n)=Q(0)n 式（3.5） 这样 ，n 次转移前后电荷量之间的关系为Q(n)/Q(0)=e-n 式（3.6

51、）如果 =0.99 ，经 24次转移后等于78%而经过192次转移后，等于14%。由此可见，提高转移效率是电荷耦合器件能否实用的关键 。我所选用的 CCD 器件是 TCD1206SUP,它的转移效率 是 92% 。 工作频率 fCCD 器件有工作频率下限和工作频率上限。为了避免由于热产生的少数载流子对注入信号的干扰 ，注入电荷从一个电极转移到另一个电极所用的时间 t 必须小于少数载流子的平均寿命。 即：t 式（3.7）在正常工作条件下 对于三相 CCD t=T/3=1/3(f1/3 式（3.9） 可见 ，工作频率下限与少数载流子的寿命有关 。而当工作频率升高时， 若电荷本身从一个电极转移到另一

52、个电极所需要的时间t 大于驱动脉冲使其转移的时间 T/3 ，那么， 信号电荷跟不上驱动脉冲的变化， 将会使转移效率大大下降， 为此， 要求 tT/3， 即： f1/3t 式（3.10）这就是电荷自身的转移时间对驱动脉冲频率上限的限制我所选用的 CCD 器件是 TCD1206SUP,它的工作频率的上限是 2MHz,典型值是 1MHz 。3.3 CCD 选型该系统要求的测量范围为15-45mm，测量精度和相对精度要求较高，所以，应该选择1000像元以上的线阵CCD才可以满足本测量系统的精度要求，而线阵CCD芯片TCD1206SUP 满足以上要求，所以，本系统选择TCD1206SUP型线阵CCD它的

53、有效像元数为2160像元，尺寸为0.014 0014mm ，像元中心距为0.014mm，足以满足本测量系统的要求：该器件的主要技术指标 ：像敏单元数2160像元总长为30.24mm像元中心距 14m驱动频率1MHz行周期 2.5ms灵敏度 45V/lx.s在 1MHz 数据率情况下工作时， 有效像元输出时间为 2.3ms,钢丝绳直径信号产生于 2.3ms 期间 ，输出信号的暗电平可控制在 1.0V 左右,而高电平可接近 10V 相差比较大 当光学系统调整得比较好时 ，图像边缘的信号比较陡 ，测量误差较小 。3.4 CCD 工作原理TCD1206SUP 在图 3-5 所示的驱动脉冲作用下工作。图

54、 3-5TCD1206SUP 驱动脉冲波形图当SH 脉冲的高电平到来时 ，正值1 电极下均形成深势阱 ，同时SH的高电平使1 电极下的深势阱与 MOS 电容存储势阱沟通。 如图 3-6 所示 ，MOS 电容中的信号电荷包通过转移栅转移到模拟移位寄存器的1 电极下的势阱中。 当SH 由高变低时 SH 低电平形成的浅势阱将存储栅下势阱与1 电极下的势阱隔离开。存储栅势阱进入光积分状态 ，而模拟移位寄存器将在1 与2 脉冲的作用下驱使转移到1 电极下势阱中的信号电荷向左转移 ，并经输出电路由 OS 电极输出。由于结构上的安排，OS端首先输出13个虚设单元信号，再输出 51个暗信号，然后才连续输出 S

55、1 到 S2160的有效像素单元信号。第 S2160信号输出后，又输出9个暗信号，再输出2个奇偶检测信号，以后便是空驱动。空驱动数目可以是任意的。由于该器件是两列并行分奇、偶传输的，所以在一个SH周期内至少要有1118个1 脉冲，即TSH1118T1R为复位级的复位脉冲，复位一次输出一个信号。 图 3-6光生电荷向1 电极下势阱转移4 光学系统设计4.1光学成像的基本计算公式在光电光学系统中，光学系统的作用是把物体或待处理的图像成像(或投影) 到光电器件 (如 CCD 器件)上，因此，在确定系统原理方案时，首先要进行光学系统的外形尺寸计算 。而光学系统的外形尺寸计算是根据理想光学系统的有关公式进行的。4.1.1