光電傳感器實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

1、光電傳感器技術(shù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)太原理工大學(xué)物理與光電工程學(xué)院 太原理工大學(xué)測(cè)控技術(shù)研究所2014年10月21日 實(shí)驗(yàn)一 光敏電阻特性參數(shù)及其測(cè)量1、光敏電阻伏安特性實(shí)驗(yàn)1.1、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?通過(guò)本實(shí)驗(yàn)，認(rèn)識(shí)并學(xué)習(xí)光敏電阻，掌握光敏電阻的基本工作原理，變換電路和它的光照特性和伏安特性等基本參數(shù)及其測(cè)量方法。達(dá)到會(huì)用光敏電阻器件進(jìn)行光電檢測(cè)方面應(yīng)用課題的設(shè)計(jì)。1.2、實(shí)驗(yàn)儀器 GDS-(或)型光電綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)1 臺(tái)； LED 光源1 個(gè)； 光敏電阻 1 個(gè)； 通用光電器件實(shí)驗(yàn)裝置 2 只 光電器件支桿 2 只； 連接線 20 條； 示波器探頭2 條； 注意事項(xiàng)：LED發(fā)光二極管正負(fù)極性問(wèn)題（從側(cè)面觀察兩條引出

2、線在管體內(nèi)的形狀，較小的是正極），與之對(duì)應(yīng)的通用光電器件實(shí)驗(yàn)裝置中，白螺釘一端為正極，黑螺釘一端為負(fù)極。通用光電器件引線紅色為正，黑色為負(fù)。1.3、實(shí)驗(yàn)原理 某些物質(zhì)吸收了光子的能量后，產(chǎn)生本征吸收或雜質(zhì)吸收，從而改變了物質(zhì)電導(dǎo)率的現(xiàn)象稱為物質(zhì)的光電導(dǎo)效應(yīng)。利用具有光電導(dǎo)效應(yīng)的材料（如硅、鍺等本征半導(dǎo)體與雜質(zhì)半導(dǎo)體，硫化鎘、硒化鎘、氧化鉛等）可以制成電導(dǎo)(或電阻)隨入射光度量變化器件，稱為光電導(dǎo)器件或光敏電阻。 當(dāng)光敏電阻受到光的照射時(shí)，其材料的電導(dǎo)率發(fā)生變化，表現(xiàn)出阻值的變化。光照越強(qiáng)，它的電阻值越低。因此，可以通過(guò)一定的電路得到輸出信號(hào)隨光的變化而改變的電壓或電流信號(hào)。測(cè)量信號(hào)電壓或電流很

3、小。當(dāng)光敏電阻受到一定波長(zhǎng)范圍的光照時(shí)，它的阻值（亮電阻）將急劇變化，因此電路中電流將迅速增加。便可獲得光敏電阻隨光或時(shí)間變化的特性，即光敏電阻的特性參數(shù)。1.4、實(shí)驗(yàn)步驟 利用圖1實(shí)驗(yàn)裝置可以測(cè)量出光敏電阻的伏安特性，并能夠畫出其伏安特性曲線。 實(shí)驗(yàn)過(guò)程可以采用如下步驟：下面利用光電綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供的硬件資源，模擬示波、模擬伏安特性以及其功能軟件，直接對(duì)光敏電阻進(jìn)行伏安特性的測(cè)量實(shí)驗(yàn)，在計(jì)算機(jī)界面上直接得到光敏電阻的伏安特性曲線。 具體實(shí)驗(yàn)步驟如下： a. 電路接通無(wú)誤后將LED與光敏電阻閉合、固定，接通平臺(tái)電源，進(jìn)入如平臺(tái)軟件的主界面，在主界面中點(diǎn)擊“伏安特性實(shí)驗(yàn)”選項(xiàng)。在參數(shù)設(shè)置框中對(duì)伏

4、安特性實(shí)驗(yàn)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，主要有兩項(xiàng)，分別是采樣頻率（250Hz）階梯波與掃描鋸齒波的工作頻率，和發(fā)出鋸齒波的級(jí)數(shù)選擇(4級(jí))。點(diǎn)擊示波器進(jìn)行觀測(cè)。 b. 執(zhí)行“返回”，更換采集方式。返回到主界面后，單擊“數(shù)據(jù)采集”菜單，顯示屏將顯示出光敏電阻的伏安特性曲線，保存數(shù)據(jù)。1.5、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 測(cè)量光敏電阻伏安特性。 思考：圖1中R2、R3的作用。2、光敏電阻時(shí)間響應(yīng)特性實(shí)驗(yàn)2.1、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?通過(guò)本實(shí)驗(yàn)，認(rèn)識(shí)并學(xué)習(xí)光敏電阻，掌握光敏電阻的基本工作原理，變換電路和它的光照特性和伏安特性等基本參數(shù)及其測(cè)量方法。達(dá)到會(huì)用光敏電阻器件進(jìn)行光電檢測(cè)方面應(yīng)用課題的設(shè)計(jì)。2.2、實(shí)驗(yàn)儀器 GDS-(或)型光電

5、綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)1 臺(tái)； LED 光源1 個(gè)； 光敏電阻 1 個(gè)； 通用光電器件實(shí)驗(yàn)裝置 2 只 光電器件支桿 2 只； 連接線 20 條； 示波器探頭2 條；2.3、實(shí)驗(yàn)原理(1) 弱輻射條件下的時(shí)間響應(yīng) 設(shè)入射輻射如右圖上方的方波所示光脈沖，其輻射通量e 表示為： 光敏電阻的光電導(dǎo)率和光電流Ie 隨時(shí)間變化的規(guī)律為如上圖下方所示的輸出波形，其變化規(guī)律為：式中0 與Ie0 分別為弱輻射作用下的光電導(dǎo)率和光電流的穩(wěn)態(tài)值。 顯然，當(dāng)t >> r 時(shí)，=0，Ie =I e0；當(dāng)t = r 時(shí)， =0.630，I =0.63I e0； r 定義為光敏電阻的上升時(shí)間常數(shù)，即光敏電阻的光電流上升

6、到穩(wěn)態(tài)值Ie0 的63%所需要的時(shí)間。 停止輻射時(shí)，入射輻射通量e 與時(shí)間的關(guān)系為： 同樣，可以推導(dǎo)出停止輻射情況下的光電導(dǎo)率和光電流隨時(shí)間的變化規(guī)律 當(dāng)t =f 時(shí)，0 下降到 =0.370，I e0 下降到I =0.37I e0；當(dāng)t >>f 時(shí)，0 與I e0 均下降到0；可見，在輻射停止后，光敏電阻的光電流下降到穩(wěn)態(tài)值的37%所需要的時(shí)間稱為光敏電阻的下降時(shí)間常數(shù)，記為f。 顯然，光敏電阻在弱輻射作用下的上升時(shí)間常數(shù)r 與下降時(shí)間常數(shù)f 近似相等。（2）強(qiáng)輻射條件下的時(shí)間響應(yīng) 如右圖所示為較強(qiáng)的輻射通量e（圖的上方）脈沖作用于光敏電阻時(shí)的輸出波形（圖的下方波形），無(wú)論對(duì)本征

7、型還是雜質(zhì)型的光敏電阻，光激發(fā)載流子的變化規(guī)律由下式表示，其中，設(shè)入射輻射為方波脈沖光敏電阻電導(dǎo)率 的變化規(guī)律為：其光電流的變化規(guī)律為： 顯然，當(dāng)t>>時(shí)，=0，Ie=I e0；當(dāng)t=時(shí)，=0.760，Ie=0. 76 Ie0。在強(qiáng)輻射入射時(shí)，光敏電阻的光電流上升到穩(wěn)態(tài)值的67%所需要的時(shí)間r定義為強(qiáng)輻射作用下的上升時(shí)間常數(shù)。 當(dāng)停止輻射時(shí)，由于光敏電阻體內(nèi)的光生電子和光生電荷需要通過(guò)復(fù)合才能恢復(fù)到輻射作用前的穩(wěn)定狀態(tài)，而且隨著復(fù)合的進(jìn)行，光生載流子數(shù)密度在減小，復(fù)合幾率在下降，所以，停止輻射的過(guò)渡過(guò)程要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于入射輻射的過(guò)程。停止輻射時(shí)光電導(dǎo)率和光電流的變化規(guī)律可表示為：2.4、

8、實(shí)驗(yàn)步驟 利用圖1實(shí)驗(yàn)裝置可以測(cè)量出光敏電阻的時(shí)間響應(yīng)特性，并能夠畫出其時(shí)間響應(yīng)特性曲線。 具體實(shí)驗(yàn)步驟如下： a. 電路接通無(wú)誤后將LED與光敏電阻閉合、固定，接通平臺(tái)電源，進(jìn)入如平臺(tái)軟件的主界面，在主界面中點(diǎn)擊“時(shí)間響應(yīng)實(shí)驗(yàn)”選項(xiàng)。然后，再?gòu)臅r(shí)間響應(yīng)實(shí)驗(yàn)欄的“采樣頻率”選項(xiàng)中設(shè)置適當(dāng)?shù)念l率，最后，采用兩個(gè)示波探頭CH1 與CH2 分別接在電阻Re 端測(cè)量方波輸入脈沖和光敏電阻變換電路的輸出上，然后點(diǎn)擊“采集數(shù)據(jù)”菜單。 “時(shí)間相應(yīng)測(cè)量結(jié)果的界面”，界面分為兩部分，上部顯示加在光敏電阻上的輸入方波脈沖的波形，其橫軸為時(shí)間坐標(biāo)，顯示以方波脈沖光作用到光敏電阻上，下部分為光敏電阻變化電路的輸出信

9、號(hào)，對(duì)比上下兩部分波形，觀測(cè)光敏電阻的時(shí)間響應(yīng)特性。 b.調(diào)節(jié)R2，使得方波信號(hào)工作在非飽和狀態(tài)。測(cè)量光敏電阻在強(qiáng)（R1=510）、弱（R1=1M）兩種輻射作用下時(shí)間響應(yīng)特性。例如，弱輻射的上升時(shí)間測(cè)量方法為：上升曲線邊緣處點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，在上升到穩(wěn)態(tài)50%點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，弱輻射條件下光敏的上升時(shí)間為兩者差，可從界面右下角處直接讀出。 2.5、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 測(cè)量光敏電阻在強(qiáng)、弱兩種輻射作用下時(shí)間響應(yīng)特性，并分別計(jì)算出對(duì)應(yīng)的上升、下降時(shí)間，將結(jié)果進(jìn)行比較。關(guān)機(jī)與結(jié)束 所測(cè)的數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果（包括實(shí)驗(yàn)曲線）保存好，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果的合理性，如不合理，則要重新補(bǔ)作上述實(shí)驗(yàn)；若合理，可以進(jìn)行關(guān)機(jī)； 先將實(shí)驗(yàn)平

10、臺(tái)的電源關(guān)掉，再將所用的配件放回配件箱； 將實(shí)驗(yàn)所用儀器收拾好后，請(qǐng)指導(dǎo)教師檢查，批準(zhǔn)后離開實(shí)驗(yàn)室。實(shí)驗(yàn)二 光電二極管的特性參數(shù)及其測(cè)量1、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?硅光電二極管是最基本的光生伏特器件，掌握了光電二極管的基本特性參數(shù)及其測(cè)量方法對(duì)學(xué)習(xí)其他光伏器件十分有利。通過(guò)該實(shí)驗(yàn)，要熟悉光電二極管的光電靈敏度、時(shí)間響應(yīng)、光譜響應(yīng)等特性。2、實(shí)驗(yàn)儀器 GDS-(或)型光電綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)1 臺(tái)； LED 光源1 個(gè)； 光電二極管 1 只； 通用光電器件實(shí)驗(yàn)裝置 3 只； 光電器件支桿 2 只； 連接線 20 條； 示波器探頭2 條；注意事項(xiàng)：LED與光電二極管的區(qū)別以及正負(fù)極性問(wèn)題（從頂端看去，能夠看出它們的差異

11、，光電二極管的光敏面積，即顯深顏色部分，較大；發(fā)光二極管沒(méi)有）。光電二極管的長(zhǎng)引腳為正、短引腳為負(fù)。通用光電器件引線紅色為正，黑色為負(fù)。3、實(shí)驗(yàn)原理 光電二極管是典型的光生伏特器件，它只有一個(gè) PN 結(jié)。光電二極管的全電流方程為： 式中前一項(xiàng)稱為擴(kuò)散電流，也稱為暗電流，用Id 表示；后一項(xiàng)為光生電流，常用IP 表示。顯然，擴(kuò)散電流Id 與加在光電二極管上的偏置電壓U有關(guān)，當(dāng)U=0 時(shí)，擴(kuò)散電流為0。擴(kuò)散電流Id 與偏置電壓U 的關(guān)系為： 式中，ID 為PN 結(jié)的反向漏電流，與材料中的雜質(zhì)濃度有關(guān)；q 為電子電荷量，k 為波爾曼常數(shù)，T 為環(huán)境的絕對(duì)溫度。顯然，上式描述了光電二極管的擴(kuò)散電流與普

12、通二管沒(méi)有什么區(qū)別。而與入射輻射有關(guān)的電流Ip 為： 式中， h 為普朗克常數(shù)，為硅材料的吸收系數(shù)，d 為光電二極管在光行進(jìn)方向上的厚度，為入射光的波長(zhǎng)。顯然，對(duì)單色輻射來(lái)講，當(dāng)光電二極管確定后，上述參數(shù)均為常數(shù)。 因此，結(jié)論為光電二極管的光電流隨入射輻射通量e，線性變化，式中的負(fù)號(hào)表明光生電流的方向與擴(kuò)散電流的方向相反。4、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 光電二極管伏安特性的測(cè)量； 光電二極管時(shí)間響應(yīng)特性的測(cè)量；（選作） 5、實(shí)驗(yàn)步驟 光電二極管伏安特性的測(cè)量 a. 將LED、光電二極管接入中通用光電器件實(shí)驗(yàn)裝置（注意正負(fù)極性），按圖1搭建電路。電路檢查無(wú)誤后將LED與光電二極管閉合，避免雜散光的影響，打開實(shí)驗(yàn)平

13、臺(tái)開關(guān)。 b. 調(diào)出光電綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的執(zhí)行軟件界面，在界面上先選中“伏安特性實(shí)驗(yàn)”。點(diǎn)擊界面上的“示波器”，所示的示波器顯示界面，選擇通道1 為紅色，通道2 為藍(lán)色，再點(diǎn)擊“開始”菜單，屏幕上將顯示出各通道輸入信號(hào)的波形。 c. 調(diào)節(jié)電路參數(shù)，使輸出信號(hào)波形的每個(gè)臺(tái)階的高度均有一定的差異，高度尺寸不太小或太大，此時(shí)光電二極管的變換電路調(diào)得比較合適。點(diǎn)擊停止按鍵，然后在主界面上再點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)采集”，保存光電二極管器件的伏安特性曲線圖。 光電二極管時(shí)間響應(yīng)特性的測(cè)量 a. 按圖2搭建電路，電路檢查無(wú)誤后，進(jìn)行“時(shí)間響應(yīng)實(shí)驗(yàn)” 。 b. 調(diào)節(jié)電路參數(shù)，觀測(cè)時(shí)間響應(yīng)特性，并保存。6、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 測(cè)量

14、光電二極管的伏安特性曲線。 測(cè)量光電二極管的時(shí)間響應(yīng)特性曲線。關(guān)機(jī)與結(jié)束 所測(cè)的數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果（包括實(shí)驗(yàn)曲線）保存好，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果的合理性，如不合理，則要重新補(bǔ)作上述實(shí)驗(yàn)；若合理，可以進(jìn)行關(guān)機(jī)； 先將實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的電源關(guān)掉，再將所用的配件放回配件箱； 將實(shí)驗(yàn)所用儀器收拾好后，請(qǐng)指導(dǎo)教師檢查，批準(zhǔn)后離開實(shí)驗(yàn)室。實(shí)驗(yàn)三 PSD位置傳感器實(shí)驗(yàn)1. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?通過(guò) PSD 光電位置傳感器的原理實(shí)驗(yàn)，掌握光伏器件的橫向效應(yīng)和利用橫向效應(yīng)制造出的光點(diǎn)位置傳感器（PSD），并了解有關(guān)PSD 的應(yīng)用技術(shù)。2. 實(shí)驗(yàn)儀器 GDS-（或）型光電綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主機(jī)1 臺(tái)； 一維PSD 光電位置傳感器及其夾持器1 件； 點(diǎn)

15、狀半導(dǎo)體激光器1 只； 二維調(diào)整架1 只；3. 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 將裝載有點(diǎn)光源的被測(cè)物體所發(fā)出的圓形光點(diǎn)落入到一維 PSD 器件上，其兩個(gè)電極分別輸出兩路電流，電流強(qiáng)度的和與差值與光點(diǎn)距器件中心位置的距離有關(guān)，因此，可用電流強(qiáng)度來(lái)度量光點(diǎn)在PSD 上的位置，既用電流測(cè)出被測(cè)物體的位置。4. 實(shí)驗(yàn)原理 如右圖所示為PIN型PSD器件的結(jié)構(gòu)示意圖，它由3層構(gòu)成，上面為p型層，中間為i型層，下面為n型層；在上面的p型層上設(shè)置有兩個(gè)電極，兩電極間的p型層除具有接受入射光的功能外還具有橫向分布電阻的特性。即p型層不但為光敏層，而且是一個(gè)均勻的電阻層。 當(dāng)光束入射到PSD器件光敏層上距中心點(diǎn)的距離為xA時(shí)，在入

16、射位置上產(chǎn)生與入射輻射成正比的信號(hào)電荷，此電荷形成的光電流通過(guò)電阻p型層分別由電極1與2輸出。設(shè)p型層的電阻是均勻的，兩電極間的距離為2L，流過(guò)兩電極的電流分別為I1和I2，則流過(guò)n型層上電極的電流I0為I1與I2之和。即： 若以PSD器件的幾何中心點(diǎn)O為原點(diǎn)，光斑中心距原點(diǎn)O的距離為xA，則：利用上式即可測(cè)出光斑能量中心對(duì)于器件中心的位置xA，它只與電流I1和I2的和、差及其比值有關(guān)，而與總電流無(wú)關(guān)。5. 實(shí)驗(yàn)步驟 a. 搭建實(shí)驗(yàn)裝置。從實(shí)驗(yàn)平臺(tái)備件箱中取出PSD 實(shí)驗(yàn)裝置，并將其用支持架固定在光電綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上。固定的時(shí)候要求PSD 光敏面與光學(xué)平臺(tái)臺(tái)面平行。然后再將點(diǎn)狀半導(dǎo)體激光器（LD

17、 光源）裝置安裝到下面裝有二維調(diào)整架上，使二維調(diào)整架能夠沿PSD 長(zhǎng)度方向微調(diào)，構(gòu)成右圖所示的結(jié)構(gòu)。 b. 將激光器LD電源正極與Vcc連接，負(fù)極與50電阻串聯(lián)后接地。串聯(lián)電阻的作用為防止電路電流過(guò)大燒壞激光器。 c. PSD器件搭設(shè)。PSD有三個(gè)引腳：紅、黃、黑，紅色引腳接電流表正極，黃色引腳接另一電流表正極，黑色引腳分別接入電流表負(fù)極。 d. 打開試驗(yàn)臺(tái)開關(guān)，調(diào)節(jié)調(diào)整架位置，使激光器的光斑落在PSD的中間位置，分別讀出I1與I2的值。然后調(diào)節(jié)微調(diào)器，使光斑沿PSD敏感面移動(dòng)，邊移動(dòng)邊記錄電流I1與I2的值，從調(diào)整架或微調(diào)器上測(cè)出位移量X，觀測(cè)并記錄位移量與電流變化量的關(guān)系。6. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及

18、分析 畫出X與I1-I2的關(guān)系曲線。思考入射光電大小對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。關(guān)機(jī)與結(jié)束 將所測(cè)的數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果（包括實(shí)驗(yàn)曲線）保存好，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果的合理性，如不合理，則要重新作上述實(shí)驗(yàn)；若合理，可以關(guān)機(jī)； 先退出計(jì)算機(jī)軟件，關(guān)掉計(jì)算機(jī)電源，再將實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的電源關(guān)掉； 最后，將所用的配件放回配件箱；將實(shí)驗(yàn)所用儀器收拾好后，請(qǐng)指導(dǎo)教師檢查，批準(zhǔn)后離開實(shí)驗(yàn)室。實(shí)驗(yàn)四 非接觸物體外形尺寸的測(cè)量實(shí)驗(yàn)1、實(shí)驗(yàn)?zāi)康谋緦?shí)驗(yàn)是在光電綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上利用線陣 CCD 相機(jī)、非接觸測(cè)量物體尺寸的基本部件和成像物鏡等自行搭建的方法來(lái)完成，通過(guò)實(shí)際搭建的測(cè)量系統(tǒng)使學(xué)生的動(dòng)腦分析、動(dòng)手操作的能力大幅度提升，對(duì)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)程度也會(huì)得到

19、提升與鍛煉。2、實(shí)驗(yàn)所需儀器設(shè)備 GDS-(或GDS-)型光電綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)1 臺(tái)； 線陣CCD 相機(jī)1 臺(tái)； 50mm 焦距的成像物鏡1 只； 被測(cè)物夾持器1 只； 模擬被測(cè)桿件3mm、5mm、8mm 各1 只； 遠(yuǎn)心照明光源1 只； 磁性表座3 只； 若用GDS-型光電綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)時(shí)，必須配置PC 計(jì)算機(jī)1 臺(tái)；3、利用線陣CCD進(jìn)行非接觸測(cè)量物體尺寸的基本原理線陣CCD 的輸出信號(hào)包含了CCD 各個(gè)像元所接收光強(qiáng)度的分布和像元位置的信息，使它在物體尺寸和位置檢測(cè)中顯示出十分重要的應(yīng)用價(jià)值。CCD 輸出信號(hào)的二值化處理常用于物體外形尺寸、物體位置、物體震動(dòng)（振動(dòng)）等的測(cè)量。將被測(cè)物體A 置于

20、成像物鏡的物方視場(chǎng)中，將線陣CCD 像敏面恰好安裝在成像物鏡的最佳像面位置上。圖4-1 線陣CCD測(cè)量尺寸物體外徑原理圖當(dāng)被均勻照明的被測(cè)物體A 通過(guò)成像物鏡成像到CCD 的像敏面上時(shí)，被測(cè)物體像黑白分明的光強(qiáng)分布使得相應(yīng)像敏單元上存儲(chǔ)載荷了被測(cè)物尺寸信息的電荷包，通過(guò)CCD 及其驅(qū)動(dòng)器將載有尺寸信息的電荷包轉(zhuǎn)換為如圖4-1 右側(cè)所示的時(shí)序電壓信號(hào)（輸出波形）。根據(jù)輸出波形，可以測(cè)得物體A 在像方的尺寸D ，再根據(jù)成像物鏡的物像關(guān)系，找出光學(xué)成像系統(tǒng)的放大倍率，便可以用下面公式計(jì)算出物體A 的實(shí)際尺寸DD = D / （4-1）顯然，只要求出D ，就不難測(cè)出物體A 的實(shí)際尺寸D。線陣CCD 的

21、輸出信號(hào)UO 隨光強(qiáng)的變化關(guān)系為線形的，因此，可用UO 模擬光強(qiáng)分布。采用二值化處理方法將物體邊界信息（圖4-1 中的N1 與N2）檢測(cè)出來(lái)是簡(jiǎn)單快捷的方法。有了物體邊界信息便可以進(jìn)行上述測(cè)量工作。4、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 建立非接觸測(cè)量物體外形尺寸的基本結(jié)構(gòu)； 觀測(cè)二值化處理過(guò)程中CCD 的輸出信號(hào)； 在進(jìn)行二值化閾值電平調(diào)整的過(guò)程中，觀察閾值電平的調(diào)整對(duì)測(cè)量值的影響； 進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)放大倍率的標(biāo)定；5、實(shí)驗(yàn)步驟 先從配件箱中找出所需儀器設(shè)備（配件），在光學(xué)平臺(tái)上用磁性表座將遠(yuǎn)心照明光源安裝與固定在平臺(tái)的一側(cè)，可以參考然如圖4-2 所示的結(jié)構(gòu)圖。 再用磁性表座將被測(cè)物固定裝置安放到遠(yuǎn)心照明光源前（距光源2

22、0mm 為最佳），模擬被測(cè)物桿件的頂端應(yīng)高出光源出光的上端（遠(yuǎn)心照明光源正極接+5V,負(fù)極接1K電位器，然后接地）； 再用一個(gè)磁性表座將平臺(tái)提供的TCD1252 線陣CCD 相機(jī)安裝固定到平臺(tái)的另一側(cè)（如圖4-2 所示），安裝時(shí)要注意相機(jī)的中心高度與遠(yuǎn)心照明光源光軸中心盡量等高； 將50mm 成像物鏡連同接圈一起安裝到線陣CCD 相機(jī)上； 用平臺(tái)提供的電源將遠(yuǎn)心照明光源點(diǎn)亮，用白紙觀察被測(cè)物在遠(yuǎn)心光源下所成的像，調(diào)整被測(cè)物的位置，使被測(cè)物的像位于視場(chǎng)中間部位，然后將屏向相機(jī)鏡頭方向移動(dòng)，直到鏡頭，并使器像恰好在鏡頭的中部。到此，目視粗調(diào)完成。圖4-2 平臺(tái)上尺寸測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)圖 在光學(xué)平臺(tái)上

23、找到LCCD（線陣CCD）的7 針插座，將相機(jī)的電纜線上的7 孔插座插到其上； 啟動(dòng)光電綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的計(jì)算機(jī)電源，進(jìn)入“帶實(shí)驗(yàn)裝置”文件夾，點(diǎn)擊之，彈出如圖各種實(shí)驗(yàn)軟件選項(xiàng)，找到尺寸測(cè)量軟件；在被測(cè)夾持器中夾入5mm被測(cè)桿件，計(jì)算放大倍率并進(jìn)行標(biāo)定；6、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 建立非接觸測(cè)量物體外形尺寸的基本結(jié)構(gòu)； 對(duì)二值化處理過(guò)程中CCD 的輸出信號(hào)進(jìn)行觀測(cè)； 在進(jìn)行二值化閾值電平調(diào)整的過(guò)程中，觀察閾值電平的調(diào)整對(duì)測(cè)量值的影響； 寫出實(shí)驗(yàn)總結(jié)報(bào)告，解釋為何不同閾值下測(cè)量結(jié)果有差異，造成這種差異的原因有幾點(diǎn)。關(guān)機(jī)與結(jié)束 所測(cè)的數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果（包括實(shí)驗(yàn)曲線）保存好，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果的合理性，如不合理，則要重

24、新補(bǔ)作上述實(shí)驗(yàn)；若合理，可以進(jìn)行關(guān)機(jī)； 先將實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的電源關(guān)掉，再將所用的配件放回配件箱； 將實(shí)驗(yàn)所用儀器收拾好后，請(qǐng)指導(dǎo)教師檢查，批準(zhǔn)后離開實(shí)驗(yàn)室。實(shí)驗(yàn)五 利用線陣CCD測(cè)量物體的傾斜角度1、實(shí)驗(yàn)?zāi)康膽?yīng)用彩色線陣 CCD 可以測(cè)量物體的傾斜角度，學(xué)習(xí)利用線陣CCD 測(cè)量被測(cè)物體傾斜角度的方法能夠幫助學(xué)生進(jìn)一步掌握線陣CCD 的基本應(yīng)用問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生充分發(fā)揮想象力，增強(qiáng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。2、實(shí)驗(yàn)所需儀器設(shè)備 GDS-（或）型光電綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)1 臺(tái)； TCD1251D 相機(jī)1 臺(tái)； 模擬物體傾斜角度實(shí)驗(yàn)裝置 1 臺(tái)； 50mm 焦距成像物鏡1 臺(tái)； 遠(yuǎn)心照明光源 1 只； 磁性表座底座 3 只；3、

25、利用彩色線陣CCD測(cè)量物體傾斜角度的原理利用線陣 CCD 測(cè)量物體傾斜角度的方法有很多，其實(shí)質(zhì)都屬于尺寸測(cè)量和位移量測(cè)量的類型。常用的測(cè)量方法有兩種。第一種方法為用單色線陣CCD 的測(cè)量方法，在如圖5-1所示中的水平粗線代表線陣CCD 的像敏單元陣列，假設(shè)被測(cè)物體的軸線與像元排列方向垂直，線陣CCD 將測(cè)出它的直徑寬度為D，當(dāng)該物體旋轉(zhuǎn)了角度 后，CCD 測(cè)量出來(lái)的寬度值也發(fā)生變化，變?yōu)镈S。被測(cè)物的傾斜角度 的計(jì)算公式為cos-1 ( D / DS ) （5-1）圖5-1 測(cè)傾斜方法4、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容學(xué)習(xí)利用彩色線陣 CCD 測(cè)量被測(cè)物體傾斜角度的基本原理。掌握利用彩色線陣 CCD 測(cè)量?jī)A角的方法

26、。5、實(shí)驗(yàn)步驟 從平臺(tái)備件箱中取出3 只磁性表座、支桿、模擬物體傾斜角度實(shí)驗(yàn)裝置、遠(yuǎn)心照明光源和TCD1251D 相機(jī)； 在 GDS-型平臺(tái)上搭建時(shí)，應(yīng)該參考如圖5-2所示的結(jié)構(gòu)進(jìn)行搭建，同樣，傾斜實(shí)驗(yàn)裝置應(yīng)該靠近遠(yuǎn)心照明光源；圖5-2 在型平臺(tái)上搭建傾角測(cè)量系統(tǒng) 將遠(yuǎn)心照明光源用平臺(tái)上的電源將其點(diǎn)亮（可以利用平臺(tái)上的所有資源），使模擬傾斜的被測(cè)物圖像能夠被線陣CCD相機(jī)所接收； 將 50mm 成像物鏡安裝到相機(jī)上； 將相機(jī)的電纜線與平臺(tái)的“LCCD”接口接好； 將 GDS-型光電綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的計(jì)算機(jī)啟動(dòng)，并調(diào)出事先裝好的角度測(cè)量實(shí)驗(yàn)軟件，彈出如圖5-3 所示的軟件界面；圖5-3 平臺(tái)上搭建傾

27、斜角度測(cè)量實(shí)驗(yàn)軟件界面 先將被測(cè)量的桿件至于垂直放置，在軟件界面“尺寸測(cè)量”框中點(diǎn)擊“寬度D”，測(cè)量出桿件的直徑D，然后，再將桿件調(diào)到傾斜一定的角度，再點(diǎn)擊“寬度DS”，測(cè)量出傾斜放置時(shí)的DS 值，此時(shí)，在角度測(cè)量窗內(nèi)就可以讀到傾角角度值。6、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 根據(jù)彩色線陣 CCD 測(cè)量被測(cè)物體傾斜角度的基本原理，對(duì)被測(cè)桿件進(jìn)行角度測(cè)量； 寫出實(shí)驗(yàn)總結(jié)報(bào)告，思考光源與被測(cè)物間的距離變化會(huì)有什么樣的影響？ 關(guān)機(jī)與結(jié)束 所測(cè)的數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果（包括實(shí)驗(yàn)曲線）保存好，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果的合理性，如不合理，則要重新補(bǔ)作上述實(shí)驗(yàn)；若合理，可以進(jìn)行關(guān)機(jī)； 先將實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的電源關(guān)掉，再將所用的配件放回配件箱； 將實(shí)驗(yàn)所

28、用儀器收拾好后，請(qǐng)指導(dǎo)教師檢查，批準(zhǔn)后離開實(shí)驗(yàn)室。實(shí)驗(yàn)六 用線陣CCD測(cè)量物體的振動(dòng)1、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?通過(guò)搭建物體振動(dòng)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)掌握系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與構(gòu)成； 通過(guò)實(shí)驗(yàn)掌握系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。 學(xué)習(xí)用線陣CCD 測(cè)量物體振動(dòng)參數(shù)的方法。2、所需器材 GDS-（或）型光電綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)1 臺(tái)； TCD1251D 相機(jī)1 臺(tái)； YHZD-型振動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置1 臺(tái)； 遠(yuǎn)心照明光源1 只； 磁性表座 2 只； 支桿 2 只； PC 計(jì)算機(jī)（在只有GDS-型平臺(tái)情況）1 臺(tái)；3、實(shí)驗(yàn)原理物體振動(dòng)的測(cè)量常需要測(cè)量的振動(dòng)參數(shù)為振幅、頻率和相位。用線陣 CCD 測(cè)量這些參數(shù)的測(cè)量原理結(jié)構(gòu)如圖6-1 所示。利用安裝在光

29、學(xué)成像物鏡像面上的線陣CCD 對(duì)振動(dòng)過(guò)程中的物進(jìn)行成像并其邊界信息連續(xù)地采樣輸出，測(cè)量電路不斷地找出被測(cè)物體像的中心在線陣CCD 向面上的位置，顯然，它是時(shí)間的函數(shù)，設(shè)其為W(t)。如果物體做周期運(yùn)動(dòng)，則函數(shù)W(t)為周期函數(shù)，周期T 的倒數(shù)為物體振動(dòng)的頻率f；W(t)最大值與最小值之差的一半應(yīng)該為物體的振動(dòng)幅度。如何采集物體像在線陣CCD 像面上位置的函數(shù)W(t)是測(cè)量物體振動(dòng)的關(guān)鍵。圖6-1振動(dòng)測(cè)量原理圖線陣 CCD 在驅(qū)動(dòng)脈沖的作用下周期性地輸出每個(gè)像元所接收的光強(qiáng)信息，其周期為行同步脈沖Fc 的周期，也為線陣CCD 的積分時(shí)間ting。在同步脈沖Fc 的周期內(nèi)利用二值化數(shù)據(jù)采集方法或A/D 數(shù)據(jù)采集方法總能夠測(cè)出被測(cè)物