光电显示与检测实验五 线阵CCD应用实验
（八） 用线阵 CCD 测量物体的振动
一、实验目的
1. 线阵CCD 测量物体的位移；
2. 线阵CCD 测量物体的振动；
二、实验设备
1. LCCDAD-Ⅱ-A 型线阵 CCD 应用开发实验仪一台； 2. 装有 VC++软件及相关实验软件的 PC 计算机一台；
三、实验原理
物体振动的测量常需要测量的振动参数为振幅、频率和相位。用线阵CCD 测量这些
参数的测量原理结构如图8-1所示。利用安
装在光学成像物镜像面上的线阵CCD对振
动过程中的物进行成像并其边界信息连续地采样输出，测量电路不断地找出被测物体像的中心在线阵CCD向面上的位置，显然，它
是时间的函数，设其为W(t)。如果物体做周
期运动，则函数W(t)为周期函数，周期T的
倒数为物体振动的频率f；W(t)最大值与最小值之差的一半应该为物体的振动幅度。如何采
集物体像在线阵CCD像面上位置的函数W(t)是测量物体振动的关键。
线阵CCD在驱动脉冲的作用下周期性地输出每个像元所接收的光强信息，其周期为行
同步脉冲Fc的周期，也为线阵CCD 的积分时间ting。在同步脉冲 Fc的周期内利用二值化数
据采集方法或A/D数据采集方法总能够测出被测物体像中心在 CCD像敏面上的位置，它便
是时间的函数W(t)。而Fc的周期或ting为采样的间隔时间，它相当于显示曲线坐标架的横轴
刻度，其纵轴坐标应为物体中心的位置值。因此，连续不断地采集物体图像的中心位置便可以获得函数W(t)，测出物体的振动状况。
利用LCCDAD-Ⅱ-A型线阵CCD 应用开发实验仪很容易改装成如图 8-2所示模拟物体
振动的实验装置，它用直流调速电机驱动偏心轮转动机构，带动被测杆件做左右方向的往复运动，其运动规律为正弦曲线。能够模拟以一定的正弦频率振动物体的运动规律。系统结构由线阵CCD传感器、驱动器、成像物镜、模拟物体振动的被测杆件（目标物）和远心照明
光源等部件组成。
实验时先将扫描装置的4个螺钉取下，把模拟物体振动的试件拧在测试件上构成如图
8-2所示的实验装置。
光电显示与检测实验五 线阵CCD应用实验
启动计算机，选中“物体振动实验”软件，执行后弹出如图8-3所示的测量软件界面，先
观察线阵CCD输出信号的波形，看其是否需要调整。选中界面上的“连续”菜单，出现所采
／ 集的信号波形，调整积分时间与驱动频率使信号如图中所示则最佳。
当启动电机使装置振动时，被测杆件将产生以频率为f 的振动，测量系统能够连续测出
／ 它在CCD感光面上的位移为W (t)，假设物镜的放大倍数为β ，则被测物体的位移W(t)为：
W(t)=β W(t) （8-1）
由此可以测得被测物的振幅，并从振动波形曲线可以计算出它的振动频率和相位。
四、实验内容
1. 测量被测杆件做正弦运动时的振动状态，画出振动波形图； 注意螺丝要拧紧！ 2. 根据振动波形图计算出它的振动周期、振幅与初相位。
五、实验步骤
1. 将实验仪的数据端口和计算机或 GDS-Ⅲ型光电综合实验平台的 USB端口用专用
USB 数据线缆连接好，合上实验仪主电源开关； 2. 打开计算机电源，待系统完成启动后进入下一步操作； 3. 确认已经正确安装实验软件。否则，请首先安装实验软件；
4. 实验仪器的上盖打开，将紧固扫描滚筒的螺钉拧下后取下滚筒，从备件中找到振动
测量杆件并将它拧到到振动测量机构上，构成如图 8-2 所示振动测量实验装置； 5. 运行振动测量软件后，远心照明光源被自动点亮，计算机弹出如图 8-3 所示的振
动测量软件界面；
6. 先点击“曲线”菜单，观察线阵 CCD 的输出信号，根据输出信号波形判断是否需要
调整光学成像物镜和 CCD 的工作参数，若 CCD 的输出信号已经是如图 8-3 所示那样较好（边沿陡直），就没必要再调整成像物镜的光圈与焦距，如果输出信号的宽度太窄，应该调整成像物镜的光圈使物体在运动过程中不会超出输出信号波形的高电平范围（视场）；如果输出信号的边界不够陡直，要调整成像物镜的调焦环，使边界的变化尽量陡直；
7. 然后，设置适当的驱动频率与 CCD 的积分时间，使输出信号的幅度达到视窗的
中间偏上位置，但不能进入饱和区；
光电显示与检测实验五 线阵CCD应用实验
8. 再设置与调整二值化电平，可以选择浮动二值化的浮动量或直接用固定阈值使阈值
电平线（图 8-3 中的黄线）处于波形曲线的中间偏上位置；
9. 上述调整过程完成后便进入测量成像物镜放大倍率的步骤，按着软件界面提示的内
容与步骤一步步地进行操作便计算出光学系统放大倍率。然后再选择“连续”菜单，点击执行；
10. 振动波形出来后，在适当时候点击“停止”菜单，将振动测量结果抄录下来，或用“保
存”菜单将测量结果数据保存到相应的文件夹内；
11. 调整振动频率变化旋钮（实验仪工作台上的旋钮），使电机的转速发生变化，观察
界面上波形曲线所反映的振动频率的变化，再点击“停止”菜单，将振动测量结果抄录下来，或用“保存”菜单将测量结果数据保存到相应的文件夹内。 注意振幅不可调。
12. 测出 3 组以上数据后便可以结束实验（电机调速变3次）。
注意：电机工作过程中，由于外界的扰动，偏心圆的转动不稳会引起正弦曲线的变形，属
于暂时现象。
六、实验总结
1. 写出实验总结报告，分析影响物体振动测量精度的主要因素。
2. 在振动测量实验中采用“固定阈值”与“浮动阈值”对振动测量的结果有无影响？用不同
的“固定阈值”进行实验，观察测量结果是否发生变化？
3. 调整拖动振动实验装置的电机转速，观察振动曲线的变化情况，然后改变线阵CCD 的
积分时间再观察测量结果，分析影响振动测量的主要因素是什么？
4. 在调整电机转速时发现振动频率与周期的确发生变化，但是振动幅度不变，为什么？
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（九）利用线阵 CCD 进行图像扫描
一、实验目的
在光电技术、机器视觉技术中数字图像的产生与分解是非常重要的基础知识，掌握图像的产生与分解对于如何利用图像，从图像中解析出我们所要检测的目的信号无疑是机器视觉技术最为重要的环节。本实验利用彩色线阵CCD图像传感器对彩色实物进行扫描而获得数
字图像，并对扫描图像的解析方法、图像的形成方法和数字图像的特点等重要内容深入学习，掌握数字图像的产生过程。
二、实验仪器
（1） LCCDAD-Ⅱ-A 型线阵CCD应用开发实验仪一台；
（2） 装有VC++软件及相关实验软件的PC计算机一台。
三、实验步骤
1. 实验预备
（1） 首先将实验仪的数据端口和计算机或GDS-Ⅲ型光电综合实验平台的USB端口用
专用USB数据线缆连接好并合上实验仪的主电源开关。
（2） 打开计算机电源，完成系统启动后进入下一步操作。
（3） 确认已经正确安装实验仪软件。否则，请首先安装实验仪软件。 2. 图像扫描
（1）将要扫描的图片贴于仪器的扫描滚筒上；
（2）打开仪器顶盖，将贴好图片的扫描滚筒安装在扫描支架上，锁紧螺钉，使实验装置组成如图9-1所示的彩色图像扫描实验结构；
（3）打开计算机电源，找到《图像扫描实验》软件，在计算机显示屏上弹出如图9-2所
示的图像扫描实验软件主界面；
光电显示与检测实验五 线阵CCD应用实验
（4）先点击界面中的“曲线”菜单，观察彩色线阵CCD 输出的R、G和B输出波形曲线
（在显示屏上分别用R、G、B三种颜色显示），再根据曲线的特点决定对光学成像系统是否
进行调试；
（5）调试过程为先调整光圈，使其输出幅度居中偏高一些，以便扫描出来的图像灰度阶更为丰富；但是不能使CCD输出信号进入饱和区，否则将出现高亮度区域偏白而无法显示图像颜色；如果曲线已经如图 9-3所示曲线边沿较陡，看上去比较“毛糙”，说明已经调好
了焦，图像的高频细节已经显现，就不要再调；
（6） 然后再调整成像物镜的焦距，使观测到的曲线尽量陡直或如图9-3所示的波形显
得比较毛糙（是高频分量较好的表现），才为调试到较为理想状况；当然准确调焦后扫描出来的图像视觉效果可能并不理想，图像的细节表现明显，图像的缺陷暴露无疑。所以有时为了视觉效果常有意进行“离焦处理”以便掩盖图像本身的缺陷。在产品表面质量检测中应尽量提高图像的清晰度，尽量使成像物镜调整到最佳理想像面。
当观察到的输出波形（曲线波形）说明光学成像系统已经调好（曲线斜率越陡直说明光学成像系统的焦距调整的越好），信号的幅度也能满足扫描要求，便可以进行下一步扫描实验。若幅度不满足需要，则应调整成像物镜的光圈、CCD的积分时间与驱动频率等参数，使曲线的幅度达到扫描图像的要求；
（7） 波形曲线调好后执行停止菜单，在如图9-2所示的菜单中选中“图像”菜单，将弹
出如图9-4所示的图像扫描设置与控制主菜单，菜单中的“预扫描”用于找到起始扫描信息，
点击“预扫描”，扫描机构运转，当转鼓转动一周后便可退出；
（8） 选中图9-4所示软件界面上的“开始扫描”菜单，执行后，扫描电机将带动滚筒转
动，程序自动进入判断扫描起始点并进入自动扫描工作过程，并不断在界面上显示正在扫描的行数；界面上同时弹出扫描进度条，完成整幅画面的扫描后将在屏幕上自动显示出如图9-5
所示的整幅图像；
（9） 利用如图 9-4所示的扫描界面上的“水平方向”与“垂直方向”的缩、放控制键进行
x、y两个方向的缩放调整，使所显示的图像适于观看；
（10） 利用扫描界面上的“保存图像”与“打开图像”菜单能够将扫出的图像存入指定文件夹内或从指定文件夹内调出所存图像打开；
（11） 整扫描电机的转速（提高或降低），然后再次进行图像扫描，观察扫描出来的图像，分析扫描速度与图像质量的关系；
（12） 过上述参数的设置与变化，总结出用线阵CCD扫描实际运动图像（画面）时
为什么要强调扫描速度要恒定，通过实验，是否能够充分认识到图像扫描的关键技术；
光电显示与检测实验五 线阵CCD应用实验
3. 结束与关机
（1）先退出实验程序，关实验仪的电源开关；
（2）将所作实验的数据与图像可靠地存储到指定的文件夹内，退出实验系统软件， 关闭计算机系统； （3）关掉总电源；
（4） 整理好所有实验器材与工具，放回原处。
四、实验总结
1. 为什么将被扫描图像设计成如此图样？为什么一周要有黑白直条？为什么用了“三
原色”的色条，而且每种颜色的条纹宽度都有所变化？（从光学传递函数方面考虑）
2. 试分析所扫出的图像亮度不均匀的原因，能否提出解决用线阵CCD 扫描图像时遇
到的图像亮度不均匀问题的方法或方案？（从成像物镜的像面照度分布问题考虑）
3. 试分析下面情况，若要扫描的对象是以速度v做匀速直线运动的物体表面（如钢板表面），在扫描过程中物体运动的速度发生变化时所扫出的图像将会怎样？ 4. 实验过程中你是否进行了拖动转鼓电机转速的调整？调整转速后扫描图像将发生
怎样的变化？为什么？ 5.