用电位器控制的，所以这种装置本身不用对，也没有振动引起的漂移。
3.6 光电检测技术在光纤通信与光纤传感 领域的应用 3.6.1 概述
近年来光电检测技术已在光纤通信与光纤传感领域得到了广泛的应用。它对整个系统的信号处理影响极大，起着连接传感光路与电路的桥梁作用。光电检测出来的信号通常很微弱M。一般处于纳瓦级．甚至皮瓦级。由于外部光路的扰动、光电二极管的固有噪声．前置放大器的自身噪声等因素的影响悯，很难将有用信号从这些噪声中分开．这对提高光电检测系统的精度和保持信号的完整性带来了一定的难。 3.6.2 光电检测中的噪声分析及电路设计
由于光电探测器本身检测到的光信号非常微弱．所以将其转化后的电信号也非常微弱。这样就要求光电检测的电路部分应选择噪小、偏置电流小、增益大的运放。为了能减小光电二极管的暗电流影响。提高电路的精度．光电检测电路部分的电阻应选择高精度的金属膜电阻．电容应选择漏电流小的电容．前置运放与光电二极管的节点处需要用保护环保护起来。为了降低系统噪声．放大器输入输出要避免交叉布线，光电二极管要进行屏蔽以防止相互耦合。运放的供电电源需要有效的滤波并且供电电源不宜过大．以防止由于系统温度过高增加的热噪声。另外在设计转换电路时，应选择较大的反馈电阻，反馈电阻上应并联小电容，构成滤波器，滤除高频噪声，进一步提高系统的信噪比。
图6 光电转换放大电路
前置运放为高精度、低偏置芯片OPAl29U进行反相放大。以完成光生电流到电压的转换。光电探测器相当于一个电流源，完成光功率到
电流的转化。后级运放选用了低噪声芯片OPAl21KU作为第二级放大。另外．对整个电路进行了有效的屏蔽和滤波，并使用高性能的稳压电源给系统供电。光电转换与放大电路如图6所示。
3.6.3 系统设计和实验结果分析
系统如图7所示。该系统主要由宽带光源、FFP—TF和ARM处理器等器件够成。宽带光源发出的光经过FFP—TF滤波后形成窄带光源。FFP—TF工作在扫描状态．ARM发出的锯齿波扫描电压加在其中的压电组件上调节FFP—TF的腔长．使其窄带在一定范围内扫描。当窄带光扫过某个Bragg波长时，则有相应传感光栅反射的光信号输出．输出的光一部分进入光谱仪进行监测：另一部分经过光探测模块后转化为电信 号，电信号经过放大、滤波后一部分进入示波器进行显示：另一部分通过模数转换器转换为数字信号后送入ARM系统进行数字信号处理。然后．ARM将处理完的数据转换成温度值送到上位机显示．若此温度值超过了警戒温度。ARM则驱动蜂鸣器报警。数模转换器和低通滤波器辅助ARM产生锯齿波扫描电压．同时ARM还对模数转换器和数模转换器进行逻辑控制．使之保持一定的同步。
图7 分布式FBG传感系统框图
中心波长为1530nm和1550nm的光纤光栅在30℃时的反射光谱图如图8所示：中心波长1530nm、1535nm、1540nm和1550nm的光纤光栅在50℃时的反射光谱图如图4所示。从图8和图9中可以清晰看见各点光栅的反射光谱图．进一步说明该系统的光路部分性能良好。从图3和图9中可以看出．各点光纤光栅反射谱的光功率明显不同．这主要是因为在实验过程中使用了连接器将不同的光纤光栅连接起来。可见，连接器对光功率损耗影响很严重。若不用连接器而是将不同的光栅用光纤熔接在一起．通过光谱
仪检测出它们的光功率基本相同．熔接的方法可以有效抑制功率的衰减。
图8 两点光栅在温度为30℃时的光谱图
图9 四点光栅在温度为50℃时的光谱图
3.7 数字同步技术的轴类零件尺寸光电检测 3.7.1 检测系统结构框图
线阵CCD具有分辨力高检测尺寸大在物体运动方向的检测尺寸无限制光学系统的误差易于校正价格相对便宜等优点但是当线阵CCD 与被测物体相对运动对被测物体运动方向进行扫描时在运动方向上的分辨力与运动速度密切相关运动速度快分辨力低运动速度慢分辨力高由此造成二维两个方向上检测分辨力的不同另外在运动维上由于受运动速度控制精度和干扰等的影响造成该维上的分辨力发生变化最终影响其检测精度因此始终保持线阵CCD扫描与被测物体运动之间的严格同步关系是解决问题的关键轴类零件虽然具有轴向对称性 但外形各异检测的位置和参数各不相同并且同种零件在检测中装夹的位置也有差异因此为提高检测效率需要自动确定检测位置和参数数量。
图10所示的检测系统由远心光路光源精密滚珠丝杆电动位移台交流位置伺服系统和光栅尺闭环测控系统组成用激光测距仪检测电动位
移台位移误差写入误差补偿数据提高位移精度经修正后的重复性误差和定位精度可达到微级。
图10 检测系统框图
3.7.2 检测原理
1) 被测物体的运动与线阵 CCD 扫描的数字同步：由于 CCD 的行扫描与被测物体的运动是相互独立的因此运动方向上的分辨力与运动速度密切相关另外为了提高检测效率希望在被测物体运动加速恒速减速的过程中都能进行检测即在整个运动过程中不论运动速度如何变化如果使被测物体的运动与线阵CCD扫描保持一种同步关系就能保证扫描的图像具有相当的分辨力和精度本文提出的数字同步方法原理是被测物体按要求的分辨力相对线阵CCD 运动某个距离线阵CCD 就扫描一行它们之间保持这种严格的同步关系。
交流位置伺服系统的工作方式与步进电机相似 每给一个脉冲转动一个角位移当量通过滚珠丝杆的转换行走一个线位移当量然后通过光栅尺检测实际位移D1 D1 是已经误差补偿后的位移。
开发用外同步信号启动CCD 行扫描的驱动电路该线阵CCD 只有在外同步信号作用下才进行行扫描设要求的检测分辨力为 D2 则线位移量 D1 检测分辨力 D2和外同步信号的关系为 2 1 D 3 kD其中 k 为满足上式的最大整数当电动位移台位移kD1 时即k 步时向线阵CCD 发送一个外同步信号启动一次CCD 行扫描这样扫描的分辨力和精度不再受运动速度的影响而只取决于电动位移台的定位精度。
2) 轴类零件二维几何尺寸的自动定位与检测：在轴类零件尺寸检测过程中 通过定制专用夹具可以保证被测零件轴平面与物方焦平面重合但是采集到的零件图像在整个画面中可能有
所平移因此对于小尺寸的检测一般不能按固定的检测位置进行尺寸检测而采用对零件图像边缘进行自动跟踪然后自动确定检测位置进行尺寸检测。
采用模板边缘跟踪方法对零件图像边缘进行自动跟踪，采用用于边缘检测的Kirsch像素模板，用所有边缘模板逐一作用于图像中的每一个像素产生最大绝对值输出值的模板所在的像素位置有边缘存在其模板方向代表了该处的边缘方向当检测到边缘和边缘方向后把模板中心点沿该方向移动模板大小个像素重复以上过程直到边缘跟踪完成。
由于边缘跟踪的精度和抗干扰性能与模板的大小有关为了得到较高精度的边缘信息又具有较好的抗干扰性能论文提出变模板法即根据具体情况来选取大小不同的两种模板其原理是首先利用3像*素3 像素的比较小的边缘模板来进行边缘和方向判别检测到边缘和边缘方向后再利用另一较大的9像素*9像素边缘模板来决定模板中心点移动的像素值当用较大的9像素*9像素边缘模板不能得到可靠的边缘方向信息时系统将自动切换使用较小的3像素*3像素边缘模板进行检测该方法的优点是能够较精确地跟踪零件图像边缘拐点同时减少了用小模板判别边缘和方向的次数由此减少了由于噪声造成方向判别错误的可能性。
经边缘探测后得到的图像拐点处的(Xi, Yi)坐标值也即为拐点特征值它为合理确定检测位置提供了有利的依据由于能根据被测零件的复杂程度自动提取图像拐点特征值因而可以用探测到的特征值作为基准确定检测位置摒弃了固定位置进行检测的弊病。 3.7.3 检测数据及结论
图11 被测物体二值化图
被测物体的二值化图如图11用该检测系统检测其4个直径从下至上分别为直径1~4 ，像素当量为0.00985mm/像素。每个直径检测三次检测结果如表1。
若选用 DALSA 公司的CT-E4-4096 其扫描频率达100MHz 当检测相同尺寸的物体时检测时间不到1秒钟。
表1 检测结果
在搭建的线阵 CCD 轴类零件尺寸检测平台
上开展了检测方法和测试结果验证，证明 1) 研发的专用数字同步技术在保证与被测物体运动方向相垂直方向的高精度检测的同时大大提高了被测物体运动方向的检测速度和精度消除了被测物体运动速度变化对检测精度的响。 2) 采用图像边缘自动跟踪法能自动跟踪图像边缘自动获取边缘参数实现被测物体二维的多尺 寸自动定位和检测。
3) 检测误差<±0.02mm 当被测物体轴向尺寸为100mm时检测时间5s达到设计要求。
通过对基于线阵 CCD 的轴类零件尺寸检测方法和实验系统的研究为工程界寻求一种基于线阵CCD的零件图像检测技术提供了实用和有效的方法和实现手段。
3.8 在钢铁工业中的应用
由于所用的机器功率高体积大，所以大功率的大型光电传感器在这里倍受青睐，成为有效的控制工具。
钢铁工业的浸酸过程中，需要展开钢板，然后通过酸池除去表面的锈和污物。这是钢在切割和涂漆之前的必要一步。通常是用直径为1.25m的钢索绕在卷轴上控制钢板通过酸池时的张力。
为了防止钢索断时造成危险，需要检测卷索错误。可用高增益的后反射型光眼扫描卷轴边沿，只要反射器和传感器之间的光束不断，则表明卷索过程进展正确。如果卷绕的钢索出现重迭或缺损，则高度将超出正常轴沿而挡住光束，使传感器有输出。用一个积分型延迟定时器可展宽传感器的输出和响应信号。系统的控制器能根据这个宽脉冲解释主光束的中断。 3.9 在造纸工业中的应用
在造纸工业中，检测纸辊上的卷纸量时，一般都采用超声波传感器，而不是光电传感器。超声波传感器是这个过程检测的最佳选择。只要将传感器与纸辊垂直安装、检测目标是良好的声反射体即可。但是如果应用场合存在安装或反射率问题时，就应想到采用光电传感器。
采用光电传感器可以提供也纸辊直径成比例的4—20mA信号。由于超声波传感器与纸辊间严格的角度要求，所以安装偏差将造成声脉冲丢失。而这种场合应用的光电传感器还有一个 额外的优点，就是它不受目标颜色变化的影响。
有些光电传感器是靠光强的起伏变化控制其输出的(目标近光强增，目标远光强减)。而在这里应用的光电传感器是通过相位比较检测目标距离的。它发射的红外光以一个已知的相位角离开传感器，被目标反射回来后相位角将发生偏移，其偏移量与目标距离成比例。利用相位比较法将不受反射信号强度变化和背景亮度变化的影响，因此可保证准确度。 3.10 CCD在工业应用及发展趋势 3.10.1 CCD
自从1969 年，美国贝尔实验室Boyle 和 Smith利用当时己发展得很好的硅技术研制成第 一个CCD以来，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，用耦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的基本工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。
由于大面积高分辨率的面阵CCD制造困难，并且光学镜头造成的面阵图像的畸变修正比线阵CCD 扫描得到的图像的畸变修正复杂很多，因此线阵C C D 比面阵CCD 更适合作为高精度图像传感器。CCD 的突出特点在于它是以电荷作为信号的，它的基本参数是电荷而不是电压或电流，这就使得在器件的外围电路以及信号处理方面引入了新的概念和技术。CCD 的基本功能是电荷的存贮和电荷的转移。因此，CCD 的基本工作原理是信号电荷的产生、存贮、传输和检测。CCD 是在周期脉冲的作用下，通过电荷的存贮和传输来完成它的各种功能的。
由于CCD 具有光电转换、信息存储等能，因而在图像传感、信号处理、数字信息存储三大领域内得到了广泛应用。尤其是在图像传感领域内的应用发展最为迅速，从CCD 概念提出到商品化的电荷耦合摄像机出现仅仅经历了四年。近20年来，由于CCD图像传感技术研究的迅速发展，CCD器件在像素集成度、分辨率、灵敏度、工作速度等指标上取得了突破性进展。
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。 3.10.2 CCD在生产自动化应用领域的发展趋势
CCD应用于自动工作机械，自动售货机，监视等装置。本节对CCD 在焊接自动化领域的应用进行详述。
（1）CCD 用于焊接自动化焊缝跟踪
在焊接自动化系统中，使焊枪同步跟踪焊缝是系统设计的中心问题，其难点是电弧位置的精确测控。CCD跟踪对象可以是辅助图象、电弧及熔池热场。普通CCD 摄像头的分辨可以达到0．05mm，动态跟踪检测精度可达0．06mm，均比采用其他方法检测精度高出一个数量级。图
10是埋弧焊自动跟踪系统的传感器结构图。传感器由光发射和接收两部分组成。系统中采用的线阵CCD器件被置于工件正上方，在垂直方向只接收散射光信号的光路结构。激光从激光二级管发出，经柱面透镜，在工件表面汇聚成宽度很窄的光带。适当选取柱面透镜的焦距。使该光带形成结构光。由于该光平面以一定角度入射到工件上，随着坡口处位置高低的变化， 该光带在工件表面和坡口内部将形成一条空问曲线ABCDE。激光在工件上产生反射和散射，线阵CCD器件在垂直方向上只接收散射光。根据
瑞利定律可知散射光的强度随观察方向变化。 选择最佳入射角．使得在垂直方向上的散射光最为理想，故确定该值为传感器发射与接收光路间的夹角。工件表面上的散射光带作为光源，经过圆透镜成像。该像也为一空间曲线。当圆透镜的焦距足够大时，该光学系统的景深也相应较长。可认为像曲线为一平面曲线
abcde。将线阵CCD放置在像平面上，使其感光部分与像曲线的直线部分ab和de重合。这样来自工件表面的光能落在CCD 上并使其感光，而坡口内的光带所成的像bc和cd落在CCD的感光部分之外，不能使CCD对应的位置感光，由此可以提取焊缝坡口位置信息。焊缝坡口内的部分与工件表面高度差别越大的点，所成的像离CCD相应的感光部分越远。CCD所能接收到的光也就越少，甚至接收不到光路中的滤光片用以增强系统抗杂光干扰的能力。
采集到信号后对焊缝坡口信号进行计算机处理：图像处理，跟踪控制锋法，焊矩高度的自适应控制等等，最终达到埋弧焊的自动跟踪控制。踪控制。
（2）工业机器人视觉传感器
机器人视觉涉及三个方面的问题，即视觉敏感器、照明、视觉信息处理的硬件和软件。其原理比较复杂。目前用于激光扫描三角测量的视觉敏感器主要有二维面型PSD 、线型PSD和CCD。高性能的CCD 器件同其他类型的传感器相比，CCD传感器具有很多优点：
a)获取的信息量大，精度高(最高精度可以达到gn级)。可以获得精确的几何形状和空间位置信息；
b)检测空间范围大，误差容限大(35谱响应范围可达到380～1100rim，检测误差为on级) ： c)具有智能化特点，可以自动检测和选定所要检测位置的起点和终点：
d)通用性好，适合于多种机器人视觉系统： e)实时性能好。 3.10.3 CCD应用前景
目前，随着大规模微细加工技术的展，CCD像素高密度集成技术取得了突破性的进展。器件像素的中心距已做到0．004～0．007mm，线阵CCD可达5000个像素，这就为计量领域应用CCD打下了良好的基础。CCD作为一种易于与计算机连接的传感器，在位移检测、运动速度测
量、热加工温度场模拟、激光加工研究、光谱分析、无损探伤等方面都有广泛的应用前景，尤其是数字CCD传感器的开发，CCD传感器与信号采集电路的大规模集成，新型快速图蒙处理软件的开发，使得CCD传感器在工业检测与自动控制应用中将发挥更重要的作用。CCD传感器在焊缝跟踪自动化系统中，已成功地应用于平面的焊缝跟踪，在未来的发展趋势中，运用CCD传感器在进行船体、储汽罐等复杂几何形状、三维几何形状的焊接跟踪实时控制中，更易于实现焊接实时控制，而且可以实现任意形状的焊缝实时跟踪，将起到更重要的作用。它在三维测量系统的开发和应用。CAD，CAM，多煤体应用和虚拟现实系统中都有广阔的应用前景。它将促使铝4造业向机器人自动检测与控制、智能化测量、柔性集成制造系统、无人加工车间方向发展更进一步。随着电脑网络系统的发展，CCD传感器作为电脑前端和图象输入系统，它将以不可阻挡的发展势头深入到各种电脑应用的方方面面。在军事上，CCD图像传感器(尤其是非可见光图像传感器，如X射线成像器，电子束成像器。红外线成像器)的应用会越来越广。它主要应用于夜视(微光夜视、红外夜视)、实时或近实时战术侦察 机载预警、导弹自动跟踪、高速飞行目标的轨迹测量等方面。并必将对现代军事工程技术产生巨大的影响。
CCD经过长达35年的发展，大致的形状和运作方式都已经定型。CCD 的组成主要是由一个类似马赛克的网格、聚光镜片以及垫于最底下的电子线路矩阵所组成。目前有能力生产 CCD 的公司分别为：SONY、Philips、Kodak、
Matsushita、Fuji和Sharp，大半是日本厂商。国内对CCD等精密仪器的加工工艺还有待进一步发展和改善。随着我国经济的发展，我国在精密仪器的生产制造和引进外国新技术、新工艺方面还会有长足的发展。CCD的应用前景仍十分广阔。
3.10.4 现有技术的优缺点及改进方法
近年来国内外出现的CCD印刷标志边缘高 精度检测方法具有代表性的有概率论法、解调 法、插值法和空间拟合函数法。概率法的主要思想是用线阵CCD 进行边缘检测时，改变测量条件，即在检测过程中使对象和CCD 在线阵方向上往复运动，累计多个周期的脉冲取得平均