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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
a) 学习利用彩色线阵CCD测量被测物体角度的基本原理。
b) 掌握利用CCD进行角度测量的方法。

三、实验所需仪器设备
（1） YHLCCD－IV型彩色线阵CCD多功能实验仪一台。
（2） 装有VC++软件及相关实验软件的PC计算机一台；
（3） 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α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α为α＝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α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64mm为已知量（见器件手册），则R、G阵列传感器的边界间隔距离L0＝128mm。
由此可以推导出待测物体的倾斜角度为
α＝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
αmin＝tg-1 ( l0 / L0 ) (6-2)

五、实验内容及步骤
1、实验内容
（1）用单色线阵CCD测量物体的角度
（2）用彩色线阵CCD测量物体的角度
2、实验步骤
i. 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YHLCCD－IV的主电源开关。
ii. 打开计算机电源，完成系统启动后进入下一步操作。
iii. 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。
iv. 认已经正确安装实验仪软件。否则，请首先安装实验仪软件。
v. 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行下面的操作。
（一）角度测量方法之一
（1） 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。
图6-4实验结果的显示
图6-3算法选择
（2） 运行《角度测量实验》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°。
（3） 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，但不能进入饱和状态），且要调整好成像物镜，使输出波形尽量陡直，以便获得更高的测量精度。
（4） 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。
（5） 运行测量软件，并将所显示的测量结果记录在实验报告中。
（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
（1）先退出实验程序，再关闭实验仪的电源；
（2）关闭计算机系统；
（3）关闭示波器电源；
（4）关掉总电源。
（5）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8mm±0.2mm，根据光学放大倍数分析精度（如上图所示）。这种方法比较简单，适用于低精度大尺寸测量，且光学放大倍数不高的场合。再有，对于应用方法二利用彩色线阵CCD测量物体角度，测量精度越高，若实验室并没有彩色线阵CCD，可考虑用两片平行放置的单色CCD，亦可实现较精确测量。