光电传感器应用技术 教学课件 作者 王庆有 第13章 第1节.ppt

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1、第13章图像传感器的典型应用实例13.1图像传感器用于一维尺寸的测量图像传感器的应用范围很广，应用方法也很多。为深入学习和掌握图像传感器技术，介绍一些典型应用实例，其中包括在物体外形尺寸测量，物体振动、位置、位移的测量，光学图形、图像的测量，光学镜头传递函数测量，光谱、色谱的探测与分析等领域的典型应用的实例等。13.1.1玻璃管内、外径尺寸测量控制仪器的技术要求(1)被测的玻璃管外径尺寸分为Φ20mm，Φ28mm两种，整个测量仪器的测量范围应大于28mm；(2)仪器测量精度的要求分别为外径Φ20土0.3mm，Φ28土0.4mm，壁厚1.2土0.05mm，2土0.07mm

2、；13.1.2仪器的工作原理(3)仪器显示内容分别为实测玻璃管的直径、玻璃管的壁厚值、上下偏差值及超差报警；(4)仪器执行的过程控制为玻璃管拉制速度、吹气量及玻璃管产品的质量的筛选等控制。玻璃管的外径、壁厚测量控制仪器的结构原理如图13-1所示。SLLCCDFF、12图13-1玻璃管壁厚、外径测量仪结构原理由于透射率和光在不同形状介质中的折射的不同使得通过玻璃管的像在上下边缘处形成两条暗带，中间部分的透射光相对较强，形成亮带，两条暗带的最外边的边界距离为玻璃管外径所成的像，中间亮带的宽度反映了玻璃管内径像的大小，而暗带宽则是玻璃管的管壁所成的像。线阵CCD图像传感器在驱

3、动脉冲的作用下完成光电转换并产生如图13-2所示波形的输出信号。经过二值化电路进行二值处理，分出外径和壁厚信号。将外径、壁厚信号送入到计算机数据采集系统，并在软件的支持下计算出玻管外径和壁厚值，再与公差带值比较，得到偏差量。一方面保存所测的偏差量，另一方面根据偏差的情况给出调整玻璃管的拉制速度和吹气量等参数，调节玻璃管，另外进行分选，将不合格的玻璃管淘汰。13.1.3线阵CCD的选择测量范围和测量精度是选择CCD的主要依据。采用同一只线阵CCD测量玻管外径和壁厚，因而，测量范围应大于28.4mm，相对测量精度应高于1.756‰，即应选择像元数超过1000像元的线阵CCD

4、才能满足测量系统对精度的要求。当考虑到系统应该具有更大的视场，并满足测量精度的要求。为此，应选用具有2160个有效像元的线阵CCD，TCDl206UD型为光电检测器件。它的测量范围应大于28.4mm，相对精度高于0.5‰。13.1.4光学系统设计光学系统的作用是将被测玻璃管成像在CCD光敏面上。为消除拉制温度及背景光的影响，应配备带通滤光片，只允许照明系统的光谱能量通过光学成像系统。光学系统由成像系统和照明系统两部分组成，光学系统的光路如图13-3所示。1．照明系统玻璃管能否得到均匀照明对测量结果有很大影响。由于成像系统采用了物方远心光路，因此照明系统需用柯拉照明方式与

5、之相匹配。在图13-3中，由灯丝2y0、集光镜L1、聚光镜L2和光阑P1、P3组成柯拉照明系统。应满足下面关系：灯丝2y0经集光镜L1成像于聚光镜L2的物方焦平面F2处，再经聚光镜L2成像于无限远且与成像系统的入射光瞳重合。被灯丝照亮的集光镜L1(或光阑P3)经聚光镜L2成像于物平面AB处。设被照明的物体直径为2y，物镜的物方孔径角为U，灯丝长度为2yo，则根据以上成像关系，照明系统的外形尺寸可根据图13-3计算得出。(1)聚光镜L2的口径DL2为使玻璃管位置变化时，仍使玻璃管AB得到均匀的照明；则聚光镜L2的口径要足够大，由图可知（13-1）式中，l'2为物面到聚光镜

6、L2的距离。此式说明聚光镜L2的口径与成像物镜L的数值孔径(或者说物方孔径角U)、被照明物方线视场2y及l`2有关，从而可选择聚光镜L2。(2)光阑P1的口径D1根据系统应满足拉赫不变量的要求及物镜L的物方孔径角U，有式中，Jj为聚光镜的拉赫不变量，Jw为物镜的拉赫不变量。n2＝n＝1，并由图可知，代入上式可得（13-3）（13-2）(3)光阑P3的位置和大小紧靠集光镜L1的光阑P3与物面AB是聚光镜L2的一对共轭面，因此由式可得（13-4）式中，l2即为光阑P3到聚光镜L2的距离。光阑P3的口径大小，可由放大率公式求得，即所以(4)集光镜L1的计算集光镜L1的作用是将

7、灯丝2yo成一放大实像于光阑P1处。因此可由方程组（由结构尺寸决定）三式联立求解出集光镜L1的焦距和外形尺寸l、l。、集光镜口径的确定应满足系统拉赫不变量的要求，即Jo＝n0U0yonUy＝Jw，由此集光镜的孔径角故集光镜的口径从公式可以算出该系统的参数，聚光镜L2选为f‘2＝130mm的物镜，(13-5)2．光学成像系统由图13-3可见，光学成像系统由物镜L、光阑P2和CCD器件组成。光阑P2设在成像物镜L的像方焦平面F'处。光阑P2为系统的孔径光阑，形成物方远心光路，控制轴外物点主光线的方向，使AB在光敏面上的像点位置不变。从而消除玻