声光效应线阵ccd测试仪毕业论文.doc
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1、声光效应线阵ccd测试仪毕业论文声光效应线阵ccd测试仪毕业论文摘 要本论文在探讨CCD的基本结构、工作原理、信号处理及其在光电传感器中的应用的基础上,对光电检测技术,特别是基于线阵CCD的特征标志光电检测技术进行了较为广泛和深入的理论研究。本设计是现代检测技术中光电检测的应用,对声光效应和图像传感器有机结合的一套测试仪。传统光电检测技术己难以满足检测要求。因此,特征标志光电检测技术的理论研究及应用研究具有一定学科前沿性,同时,也具有重要和广泛的实际应用前景。本测试仪包括以下几个部分:1、半导体激光发生器,2、超声波发生器,3、线阵CCD器件,4、电路部分,5、数据采集系统,6、计算机系统。半
2、导体激光器产生激光通过受超声波扰动的介质后发生衍射,衍射光进入线阵CCD器件转化为电信号,电信号经过放大处理和A/D 转化后输入到单片机中,最后经过USB100输入到计算机系统进行数据处理。关键词:声光效应,线阵CCD,光电检测, 半导体激光发生器AbstractThis thesis focuses on the photoelectric testing technology, especially the technology on the characteristic symbol of linear CCD on the base of deep discussing on the
3、structure and principle of CCD、the signal processing and the application of the photoelectric sensor. This design which is the application of modern photoelectric testing technology is the measuring instrument on synthesizing of the acousto-optic effect and the image sensor. The fundamental and appl
4、ied research on the characteristic symbol photoelectric testing technology is certainly on the leading edge of the discipline because that it is hard for traditional photoelectric testing technology to satisfy the testing request. Simultaneously,it also has the important and widespread practical app
5、lication prospect. This measuring instrument mainly includes several parts: 1、Semiconductor laser generator,2、ultrasonic generator, 3、linear CCD, 4、electric circuit parts, 5、data acquisition system , 6、computer system. The laser which produced by the Semiconductor laser generator creates diffraction
6、 after receiving the supersonic wave disturbance in the medium. The diffraction light transforms to the electrical signal by entering the linear CCD. The electrical signal enters in the monolithic integrated circuit after enlargement processing and transforming by the A/D transformation component. F
7、inally, the signal inputs to the computer system through USB100 for data processing.Key words: acousto-optic effect, linear CCD, photoelectric testing technology, Semiconductor laser generator目录摘 要IABSTRACTII目录III第一章 绪论11.1引言11.2课题研究的背景和意义21.3国内外研究现状及发展趋势21.4 本设计的目的及内容3第二章 测试系统的设计52.1测试系统总体描述52.1.1测
8、试系统基本原理52.1.2声光效应线阵CCD测试仪52.2光源的选择62.3声光效应与声光调制72.3.1声光效应原理72.3.2声光效应分类92.3.3声光调制器102.4 CCD检测技术112.4.1 CCD的组成部分112.4.2 CCD的工作原理122.4.3 CCD的基本特性参数152.4.4 CCD器件的选择16第三章 测试硬件电路系统253.1 信号处理电路253.2数据采集系统283.3 TLC2543 串行A/D 转换器283.3.1 TLC2543C简介283.3.2 TLC2543C的主要性能293.3.3 TLC2543C的转换过程293.4 USB通讯模块30第四章
9、测试系统软件设计32第五章 实验数据记录及处理34总结和展望38参考文献39致 谢40附录4139第一章 绪论 1.1引言电荷祸合器件(CCD,Char罗CoupledDeviee)是一种以电荷包的形式存储和传递信息的半导体器件,它是由美国贝尔实验室的W.5.Byoel和GE.smiht在 1970年前后发明的。它经历了以研究为主的发展阶段,在五年左右的时间内,建。立了以一维空阱模型为基础的CCD基本理论,这个理论与实验结果大致相符,满足了指导器件进一步发展的需要。与此同时,依靠成熟的MOS集成电路工艺,CCD迅速从实验室走向了市场。CCD在影像传感、信号处理和数字存储等三大领域中的广泛应用,
10、充分显示出它的巨大潜力,在微电子学技术中独树一帜。CCD已被普遍认为是七十年代以来出现的最重要的半导体器件之一。和同样功能的电真空器件相比,CCD作为一种自扫描式光电接收器件,它有体积小、重量轻、分辨率高、灵敏度高、动态范围宽、工作电压低、功耗小、寿命长、抗震性和抗冲击性好、不受电磁场干扰和可靠性高等一系列优点。因此它在科研、教育、医学、商业、工业、军事及消费等诸多领域都得到了广泛应用,已经成为图像采集及数字化处理必不可少的器件。信息时代离不开语言、文字、图像的实时获取与交流。如果把多媒体、各种网络和信息高速公路作为一个整体,那么CCD是它们的眼睛,是全球实时信息技术的关键器件。当前我们的CC
11、D生产技术相对较弱,也缺乏一种完善的测试、评价CCD性能的系统。而CCD的种类越来越多,应用越来越广,如何正确地选择和使用CCD是我们所要面对的问题。根据我们的调查,还没有发现国内关于如何测试和评价CCD性能方面的研究结果。随着科学技术的飞速发展和工业生产自动化程度的提高,高精度,高效率,非接触在线检测已成为检测行业的发展方向。它可以大大地解放劳动力,达到提高生产效率和产品质量、降低成本地目的。CCD伴随着计算机技术地迅速发展,在国防及民用工业等部门引起了人们的极大关注,尤其是CCD所具有的体积小、重量轻、结构简单、功耗低、便于数字化等一系列优点,更使其在检测方面的应用越来越广泛。光电传感器技
12、术是未来探测技术的发展方向。综合利用近代各种先进技术,采用光电方法对各种光的、非光的物理量进行检测是光电检测技术的基本内容。其基本组成部分为:光源(投光器)、被检测对象及光信号的形成、光信号的匹配处理、光电转换、电信号的放大与处理、微机、控制系统和显示等部分,如图1-1所示:图1-1 光电检测系统框图1.2课题研究的背景和意义研究基于 CCD的扫描技术的意义在于,它能快速方便地将真实世界的彩色信息转换为计算机能直接处理的数字信号,为将实物数字化提供了一种手段。如果说我们这个时代的特征是数字化生存,那么,信息数字化技术无疑是这种“生存”的基本前提条件之一。扫描能将真实世界的彩色信息数字化,其对于
13、数字化时代的重要性是不言而喻的。 本研究课题结合学科发展趋势和实际应用需求,提出研究声光效应线阵CCD应用、信号放大处理、A/D装换和计算机处理等关键技术,开发了声光效应线阵CCD测试实验系统,并应用于实际中。因此,本研究课题具有学术研究意义、技术开发价值和产品应用前景。现今,多科学的交叉、融合己是现代科学发展的突出特色和必然途径,CCD图像扫描、处理科学无论是在理论上还是在实践上都存在着巨大的潜力。它的发展将向着高速、高分辨率、立体化、能化和标准化的方向发展。1.3国内外研究现状及发展趋势 自从1969年,美国贝尔实验室Boyle和Smith利用当时已发展得很好的硅技术研制成第一个CCD以来
14、,依靠业已成熟的MOS集成电路工艺,CCD技术得以迅速发展。CCD是一种以电荷量表示光量大小,用祸合方式传输电荷量的器件,具有自动扫描、动态范围大、光谱响应范围宽、体积小、功耗低、寿命长和可靠性高等一系列优点。CCD的基本功能是电荷的存贮和电荷的转移,因此,CCD的基本作原理是信号电荷的产生、存贮、传输和检测。从结构上,CCD可分为线阵CCD和面阵CCD两种,后者主要用于摄取图像,而前者作为一种高灵敏光电传感器在生产线上大量应用于产品外形尺寸非接触测量、分类、表面质量评定和精确定位等。线阵CCD器件是由阵列光敏元曝光一定时间后在相应驱动脉冲作用下,信号电荷转移至移位寄存器,由移位寄存器一位一位
15、地将其输出,从而得到所需的光电信息。线阵CCD灵敏度高、光谱响应宽、动态范围大、操作与维护方便、成本低廉,在工业生产线上,已广泛用于产品外部尺寸非接触检测、控制和分类、自动化及机器人视觉中的精确定位等技术领域。近10年来,CCD的用量以每年20%的速度递增。从1989年日本出版的技术市场杂志获悉,世界上己把CCD列为未来10年可能增益100倍的高技术产品。据国外专家统计,1987年CCD世界市场规划为16亿美元,而实际上1997年为50亿美元,1998年为65亿美元。CCD传感器正沿着提高自身综合性能的方法发展。CCD伴随着计算机技术地迅速发展,在国防及民用工业等部门引起了人们的极大关注,尤其
16、是CCD所具有的体积小、重量轻、结构简单、功耗低、便于数字化等一系列优点,更使其在检测方面的应用越来越广泛。光电传感器技术是未来探测技术的发展方向。综上所述,本论文课题的理论研究应用研究具有一定科学前沿性,同时,也具有重要和广泛的实际应用前景。 1.4 本设计的目的及内容 本研究课题结合学科发展趋势和实际应用需求,在参考大量文献和剖析实际应用领域的CCD数据采集系统的基础上,着眼于基于线阵CCD扫描技术的声光效应测试仪器的研究。主要研究内容:(1)研究光电检测技术,在深入了解CCD、特别是线阵CCD及其传感器的基本工作原理,驱动方式和特点的基础上,对其在线性光电扫描技术中的应用及与其他应用技术
17、的结合方法进行研究。(2) 研究声光效应的基本原理,并对声光效应进行初步了解和探讨。通过分析选择合适的与CCD相匹配的组成器件。(3) 深入研究线阵CCD智能检测方法。依据欲选用的线阵CCD,提出在CCD信号采集、二值化及结果显示等方面的思路和方法,实现初步的图像检测。(4)设计制作出线阵CCD扫描装置,并开发设计出一套线阵CCD图像检测系统,为线阵的CCD图像扫描技术与其他测试系统结合提供一个平台。 第二章 测试系统的设计2.1测试系统总体描述2.1.1测试系统基本原理本设计研究的主要是基于声光效应线阵CCD测试仪的测试系统,其基本原理如图: 图2-1 测试系统基本原理示意图该测试系统利用光
18、通过某一受超声波扰动的介质发生的衍射现象,用线CCD图像传感器将激光的衍射条纹转换成电信号,再通过低通滤波处理、信号放大、A/D数据采集后,送入计算计进行相应数据处理和分析。2.1.2声光效应线阵CCD测试仪声光效应线阵CCD测试仪主要有以下几个部分组成:激光发生器、超声波发生器、声光器件,线阵CCD,如图2.2:声光功率信号源激光器转角平台光强分布测量仪频率计USB采集盒接计算机 图2-2 声光效应线阵CCD测试仪示意图2.2光源的选择通常情况下,使用激光作为传感器的光源,主要是因为激光具有如下的特性:1、高定向性:激光光束发散角小,可以集中在狭窄的范围内,向特定方向发射。2、高单色性:激光
19、光束的单色性好,谱线频带窄,因此,在测试系统中使用时,可以通过滤色等手段,有效滤除和减少测量过程中环境杂散光对于系统的影响。3、高辐射密度:激光光束能量集中,即使功率很小的激光发射器,其光强也足够用于测量,保证了测量系统的安全性。激光器基本上是由激光工作物质、激励(泵浦)系统和光学共振腔组成。激光工作物质是激光器的核心,可以为固体(如红宝石)、气体(如He-Ne 气体、CO2)、半导体(如砷化镓)等,它在外能作用下,具有粒子数反转的特性。激励系统是将能量输入工作物质,使其实现粒子数反转,常用的有光泵、气体放电激励、化学反应激励、热激励等。光学共振腔的作用是提供光学反馈能力,以形成受激发射的持续
20、振荡,并对振荡光束的方向和频率进行限制,保证输出激光的高定向性和高单色性。激光器的种类很多,迄今为止已有好几百种,在光电检测技术中,He-Ne 气体激光器和半导体激光器用的最多,因此下面对这两种激光器做一下简要介绍。1、 He-Ne 气体激光器He-Ne 激光器具有连续输出激光的能力,输出幅度和频率较稳定,激光波长有632.8nm、1.15m 和3.39m 三种12。工作电源一般可以采用稳定的直流,工频或射频交流,在精密测量中,采用直流稳压电源,以获得稳定的激光。它输出的激光光束的相干性和方向性很强,居各类激光器之首。但是,He-Ne 激光器发光效率低,与其他光源相比,需要的电压较高,电源较复
21、杂,体积也较大。2、 半导体激光器半导体激光器是一种注入式电致发光器件,不但单色性好、方向性强、发散角小、能量高度集中,而且体积小、重量轻、结构简单、抗震性强、发光效率高,并可通过选择不同材料获得不同频率的激光。但是,半导体激光器对电流要求比较高,受电源波动影响较大。综上所述,虽然He-Ne 激光器准直性好,发散角小,光斑受距离影响小,可以保证长距离测量时光斑不受距离影响,保证了测量精度。但是He-Ne 激光器体积大,且预热时间长,发光效率差,操作不便,可供选择激光波长少,不能根据CCD 的响应灵敏度进行选择。半导体激光器同样具有准直性好,发散角小的优点,而且体积小、结构简单、抗震性强、发光效
22、率高,激光波长多,所以比He-Ne 激光器更适合作为激光三角测距传感器的光源。我们所选用的激光器为半导体激光器。2.3声光效应与声光调制 2.3.1声光效应原理光通过某一受到超声波扰动的介质发生的衍射现象,这种现象是光波与介质中声波相互作用的结果。当超声波在介质中传播时,将引起介质的弹性应变作时间和空间上的周期性的变化,并且导致介质的折射率也发生相应的变化。当光束通过有超声波的介质后就会产生衍射现象,这就是声光效应。有超声波传播的介质如同一个位相光栅。用正弦高频功率信号源驱动一声光晶体,在晶体中往返传输的超声波相互叠加形成驻波。激光通过这个晶体时将会发生衍射现象。通过观察和测量,由声光相互作用
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