光电成像器件8.7节.ppt

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1、8.8 线阵CCD的应用实例 8.8.1 钢板宽度的非接触自动测量 在被测钢板的两边缘处分别安装远心照明光源系统，经探 测器的成像物镜使钢板的边 缘清楚地成像在CCD的像敏 面上。CCD输出信号经计算 机系统内的A/D数据采集卡 转换后，送到计算机系统进 行边界判断和钢板宽度的测 量。探测器1与探测器2分别 安装在同一个支撑架的两端， 它们的中心距为l0。,图8-31 钢板宽度的非接触自动测量系统,1.宽度测量原理 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，CCD1与CCD2,图8-32 钢板宽度测量原理方框图,在同步脉冲的驱动下分

2、别输出信号U 1与U 2。经 二值化处理或A/D转换 提取边界后，得到二值 化信号D 1与D 2。D 1的下 降沿对应于CCD1的第N 1 个像敏单元，D 2的上升 沿对应于CCD2的第N 2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。因此，可以推导出钢板的宽 度的计算公式，为 （8-21）,图8-33 CCD的输出波形,式中，1与2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

3、定方式有关。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1与2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（8-21）取微分，由于系统确定后除像元数N 1与N 2外 的其他参数均为常数，因此 （8-22） 测量精度与CCD的像元长度S 0、光学系统的放大倍率等参数 有关。当光学系统的横向放大倍率1与2均为1时，CCD的像 元长度S 0常为几毫米到十几毫米，因此宽度测量的精度很容易 做到高于0.1mm。 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

4、驱动频率f 决定，通常有,（8-23） 式中，N d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N d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。 一般驱动频率f 为数MHz，测量周期常为ms量级。,板材定长裁剪系统 1.定长裁剪系统的结构 被裁板材经传动轮和从动轮展开，并以一定的速度v 经过 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、光电 器件构成。 裁剪控制系统接 收信号处理系统发出 的执行命令，使剪刀 执行相应的裁剪动作。,图8-34 板材定长裁剪系统,2.定长裁剪原理 设光电系统的中心安装在距

5、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。 当板材被剪掉后，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。 角度传感器可用来计量板材的总传输量。,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

6、射时，光电流I L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。 当光敏面部分被遮挡时，光电 流I L减少，变换电路的输出电位增 高，当它高于阈值电位U th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。,图8-35 光电变换电路,假设光源所发出的光经光学系统后均匀地投射到光电器件 上，光敏面上的照度为E 。当光电器件为矩形硅光电池时，它 输出的光电流I L与入射光照度E 的关系为 I L = S E A （8-24） 其中，S 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的光敏面。 当被裁板材进入视场后

7、，受光面积A 将减少，必将引起光 电流I L的下降。考虑硅光电池的灵敏度S 为常数，光源所发 出的光是稳定的，故也是常数，则光电流I L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 E b L （8-25） 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 E b（L-l） （8-26） 显然，光电流的变化与光电池被遮挡的长度l 有关，对式（8- 26）取微分得 I L = S E b l （8-27） 式中，负号表明光电流随遮挡量的增加而减少。 可以推出图8-35中U 随遮挡量的变化关系为 U = S E

8、b R L l （8-28）,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，由式（8-28）推倒出 的理论控制精度可以达到微米量级。但由于光源的稳定度，和 生产环境（灰尘）、震动、背景光等因素的影响可能带来远远 超过计算的误差。选用PSD、线阵列光电二极管器件或线阵CCD 等传感器为光电探测器，可以克服上述因素带来的误差，使实 际控制精度得到提高。,课 堂 作 业 1.某半导体光电器件的长波限13m，试求其杂志电离能。 2.由输出功率为3W的氦-氖激光器发射的一光束均匀的投射到0.2cm2的白色屏幕上。问屏幕上的光照度为多少?如屏幕的辐射度光谱反射

9、比为0.8，其光出射度为多少? (v()=0.24),作 业 1.设某只CdS光敏电阻的最大功耗为30mW，其光电导灵敏度 Sg=0.5106S/lx，暗电导g0=0。在如图所示的照明灯控制 电路中，用CdS光敏电阻作光电传感器，若已知继电器绕组 的电阻为5k，继电器的吸合电流为2mA，电阻器R=1k时， 问为使继电器吸合所需要的照度为多少lx？要使继电器在3 lx时吸合，问应如何调整电阻器R？,作 业 2.在如图所示的电路中，已知Rb=820，Re=3.3k，UW=4V， 光敏电阻为RP，当光照度为40lx时输出电压为6V，80 lx时为 9V。（设该光敏电阻在30到100lx之间的值不变）

10、试求： 1) 输出电压为8伏时的照度为多 少？ 2) 若Re增加到6k，输出电压仍然为8伏，问此时的照度 为多少？ 3) 若光敏面上的照度为70lx，问Re=3.3k与Re=6k时的 输出电压各为多少？ 4) 该电路在输出8V时的电压灵敏度为多少？,作 业 3,1.光电倍增管GDB44F的阴极光照灵敏度为0.5A/lm，阳极光 照灵敏度为50 A/lm，长期使用时阳极允许电流应限制在2A 以内。问: 1）阴极面上最大允许的光通量为多少lm？ 2）当阳极电阻为75K时，问其最大的输出电压为多少？ 3）若已知该光电倍增管为12级的Cs3Sb倍增极，其倍增系数 为= 0.2(UDD)0.7，试计算它的供电电压值？ 4）当要求输出信号的稳定度为1%时，求高压电源电压的稳 定度应为多少？,