CCD应用技术实验指导

CCD应用技术实验指导

天津市耀辉光电技术有限公司

天津大学精密仪器与光电子工程学院

2006年11月

实验规则及注意事项

为了确保线阵CCD应用技术实验的顺利进行，保障人身安全，避免设备损坏，并且达到实验目的，要求实验人员必须严格遵守下述实验规则及注意事项，在指导教师的指导下有秩序、按步骤的进行。

1、 在实验之前，实验人员必须阅读本实验指导书中所要求的实验准备内容，并阅读必 要的参考资料。明确实验目的，了解实验内容的详细步骤，达到要求后方能进行实验。

2、 实验进行过程中，必须严格按照指导教师制定的步骤进行实验，不得自行随意进行，否则可能会损坏实验仪，造成严重后果。

3、 要爱护实验仪器和示波器、计算机等实验设备，不允许将其它不相关的仪器在未经许可的情况下与实验仪进行连接。

4、 所有与本实验仪相关的线缆如电源线、示波器地线、计算机USB数据连接线等必须在断电的情况下连接良好，严禁带电插拔所有线缆。

5、 实验时应集中精力，认真实验；遇到问题时，应找指导教师解决；不许自作主张。

6、

所有实验设备应当在确定所有地线良好连接后方可开机上电。

7、 一旦发生意外事故或者实验出现异常现象时，应当立即切断实验设备电源，并如实向指导教师汇报情况。故障排除之后方可继续实验。

8、 使用彩色线阵CCD多功能实验仪之前，应仔细阅读本手册的 “软件使用说明”。

所有需要利用测量片夹的实验，安放测量片夹时应注意安放方向和位置：从CCD方向观看，测量片夹上的字母应正向向上；做“利用彩色线阵CCD进行振动测量实验”和“利用彩色线阵CCD进行图像扫描实验”实验时，测量片夹应安放在远离光源的片夹夹具，其它实验，应安放在靠近光源的片夹夹具上。空白片夹用于自行设计实验内容。

2

目 录

实验一 线阵CCD原理及驱动 4 实验二 线阵CCD特性测量实验 7 实验三 线阵CCD输出信号的二值化 9 实验四 线阵CCD的A/D数据采集 13 实验五 线阵CCD的软件二值化与图像边缘信号的提取 16 实验六 利用线阵CCD进行简单角度测量 19 实验七 用线阵CCD测量物体尺寸 22 实验八 利用彩色线阵CCD进行颜色识别 24 实验九 利用彩色线阵CCD进行振动测量 27 实验十 利用彩色线阵CCD进行图像扫描实验 29 实验十一 编写线阵CCD的A/D数据采集程序 31 实验十二 利用外置相机进行实物外形尺寸测量 33 附录一 TCD2252D手册 35

附录二 TCD1251D手册 38

附录三 彩色线阵CCD多功能实验仪说明 42

3

实验一 线阵CCD原理及驱动

一、实验目的

1、 掌握本实验仪的基本操作和功能。

2、 掌握用双踪迹示波器观测二相线阵CCD驱动脉冲的频率、幅度、周期和各路驱动脉冲之间的相位关系等的测量方法。

3、 通过对典型线阵CCD驱动脉冲的时序和相位关系观测，掌握二相线阵CCD的基

本工作原理，尤其是复位脉冲CCD输出电路中的作用；转移脉冲与驱动脉冲间的相位关系，掌握电荷转移的过程。

二、实验前准备内容

1、 学习线阵CCD的基本工作原理（参考《图像传感器应用技术》教材），阅读双踪迹示波器的使用说明书。

2、 学习TCD2252D线阵CCD基本工作原理与驱动波形图（参考附录）。

3、 掌握双踪迹示波器的基本操作方法，尤其是它的同步、幅度、频率、时间与相位的测量方法。

4、 根据线阵CCD的基本工作原理，观测转移脉冲SH与F1（CR1）、F2（CR2）的

相位关系，理解线阵CCD的并行转移过程。观测F1与F2及F1与CP、SP、RS间的相位关系，理解线阵CCD的串行传输过程和复位脉冲RS的作用。

5、 测量CCD在不同驱动频率的情况下的F1与F2、F1、RS的周期与频率值，以及它的行周期（FC）值。 三、实验所需仪器设备

1、 双踪迹同步示波器（带宽50MHz以上）一台。

2、彩色线阵CCD多功能实验仪YHLCCD－IV一台。 四、实验内容及步骤

1．实验预备

（1） 首先将示波器地线与实验仪上的地线连接良好，并确认示波器和实验仪的电源插头均已插入交流220V的电源插座上；

（2） 取出双踪迹同步示波器，将电源线插入交流220V的电源插座上，测试笔（或称探头）分别接入测试输入端口；打开示波器的电源开关，选择自动测试方式，调整显示屏上出现的扫描线处于便于观察的位置；

（3） 将示波器的两个测试笔分别接到示波器的标准输出信号输入端子上进行校准；

（4） 打开YHLCCD－IV的电源开关，观察仪器面板显示窗口，数字闪烁表示仪

器初始化，闪烁结束后显示为“00 0”字样，前两位数表示积分时间档次值，末位数表示CCD的驱动频率档位值。积分时间共分为32档，显示数值范围由“00”~“31”，数值越大表示积分时间越长。积分时间的设置由仪器数值显示板下方的四个按键开关控制，

4

分为十位键与个位键控制，按标有“+”号的键将使对应的显示积分时间的挡位加一操作，按动标有“－” 号的键将使对应的显示积分时间的挡位减一操作；CCD的驱动频率档位值共有4档，分别显示数值为“0”~“3”，“0”挡位下的驱动频率最高，“1”挡位数下的驱动频率是“0”挡位下的驱动频率的一半，显然，“3”挡位数下的驱动频率是“0”挡位下的驱动频率的1/8；

2．驱动脉冲相位的测量

（1） 将示波器测试笔CH1和CH2的扫描线调整至适当位置后，用CH1为同步信号输入端。对照“附录一”TCD2252D的驱动波形进行下面的实验。

（2） 用测试笔CH1接到仪器表面上（转移脉冲）上，仔细调节触发脉冲电平旋钮使显示波形稳定（同步），使SH脉冲宽度适当（将示波器的扫描频率调至2?s左右）以便于观察。用测试笔CH2分别接到仪器表面标有“F1”与“F2”（驱动脉冲）字样的测试端口，观测SH与F1、F2的相位关系；

（3） 再用测试笔CH1测量F1信号， CH2探头分别测量F2、RS、CP、SP信号，观测F1与F2、RS、CP、SP信号之间的相位关系。

（4） 用测试笔CH1探头测量CP信号，CH2探头分别测量RS、SP，观测CP与RS、SP信号之间的相位关系。

（5） 将以上所测的波形与相位关系与“附录一”所示TCD2252D的驱动波形相对照。

3．驱动频率和积分时间测量

（1）用示波器分别测量4档位下的驱动脉冲F1、F2、复位RS信号的周期、幅度，并计算出它们的频率填入表1-1。

驱动频率 0档 1档 2档 3档 表1-1 驱动频率与周期

F1 项目 周期（μs） 频率（KHz） 周期（μs） 频率（KHz） 周期（μs） 频率（KHz） 周期（μs） 频率（KHz） F2 RS （2）将CCD的驱动频率设置为“0”档，积分时间也设置为“00”档。用测试笔CH1测FC（以它作同步），用测试笔CH2测量SH，观察两者的周期是否相同，记录FC信号的周期。通过实验仪面板上的积分时间和驱动频率的调整按钮进行调节，并将不同驱动频率档和积分时间档次下的FC周期填入下表1-2中。表1-2只列出16档，其余档次可以自行添加测量。

5

驱动频率0档 积分时FC周期间（档） （ms） 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 积分时间（档） 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 表1-2 积分时间的测量 驱动频率1档 FC周期（ms） 驱动频率2档 积分时间（档） 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 FC周期（ms） 驱动频率3档 积分时间（档） 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 FC周期（ms） 4．CCD输出信号的测量

（1） 将实验仪积分时间设置为“00”档，驱动频率设置在“0”档。

（2） 用示波器CH1探头测量FC信号，调节示波器显示至少2个FC周期； CH2 探头测量实验仪的UG输出端子，打开实验仪顶部盖板，调节镜头光圈。观察UG输出是否有变化，如没有任何变化，请通知实验指导教师调整。

（3） 逐步缩小镜头光圈，观测UG的波形变化，当UG的输出在小于3V时停止调整镜头光圈，盖上仪器盖板。

（4） 保持CH1探头不变，增加积分时间，用CH2探头分别测量UG、UR和UB信号，观测这三个信号在积分时间改变时的信号变化。

（5） 调节示波器扫描速度，展开SH信号，观测SH波形和CCD输出波形之间的相位关系。重复上述步骤观测FC波形和CCD输出波形之间的相位关系。

（6） 打开实验仪上盖板，将测量片夹B插入到后端片夹夹具中，适当开大镜头光圈，通过示波器观测CCD输出波形的变化。 5．关机结束

（1）关闭实验仪。

（2）关闭示波器。 （3）关闭电源。

五、实验总结

1、 写出实验总结报告，注意说明TCD2252D的基本工作原理。

2、 说明RS脉冲、SP脉冲和CP脉冲的作用，输出信号与F1、F2周期的关系。

3、解释为何在同样的光源亮度下会出现UR、UG、UB信号的幅度差异。

6

实验二 线阵CCD基本特性的测量实验

一、实验目的

通过对典型线阵CCD在不同驱动频率和不同积分时间下输出信号的测量，进一步掌握线阵CCD的基本特性，加深积分时间对CCD输出信号的影响，掌握驱动频率和积分时间设置与改变的意义。正确理解线阵CCD器件的光照灵敏度的概念与饱和“溢出”的效应。

二、实验准备内容

1、 学习掌握线阵CCD的基本工作原理（参考《图像传感器应用技术》教材的相关章节）。

2、 学习掌握TCD2252D线阵CCD基本工作原理（参考附录一中的特性参数表）。

3、通过对典型线阵CCD的输出信号和驱动脉冲相位关系的测量，掌握线阵CCD的

基本特性。特别注意对积分时间、驱动频率、输出信号幅度等的测量结果的分析。找出积分时间、驱动频率、输出信号幅度间的关系，FC脉冲与输出信号的相位关系，说明FC脉冲的作用。

三、实验所需仪器设备

1、 双踪迹同步示波器（带宽50MHz以上）一台。

2、 彩色线阵CCD多功能实验仪YHLCCD－IV一台。 四、实验内容及步骤

1．实验预备

（1） 首先将示波器的地线与多功能实验仪上的地线连接好，并确认示波器和多功能

实验仪的电源插头均插入交流220V插座上。

（2） 打开示波器电源开关，调整好示波器。

（3） 打开YHLCCD－IV的电源开关，测量F1、F2、FC、RS、SP、CP各路驱动脉

冲信号的波形，并与“附录一”中所示波形对比。应该与附图3所示的波形基本相符，表明仪器工作正常，继续进行下面实验；否则，应请指导教师检查。

2．驱动频率变化对CCD输出波形影响的测量

（1） 将示波器CH1和CH2的扫描线调整至适当位置，设置CH1所测信号为同步信号。

（2） 将实验仪CCD的驱动频率设置为“0”档，积分时间设置为“00”挡。 （3） 用CH1探头测量FC脉冲，仔细调节使之同步稳定，调节示波器使示波器显示至少2个稳定的FC周期，用测试笔CH2测量Uo(泛指UR、UG、UB)信号。

（4） 调整CCD成像物镜镜头的光圈，观测Uo信号幅度的变化，将光圈调整至UG

信号接近“0V”位置处停止调整光圈，将测量片夹B插入后端片夹夹具中，盖上盖板。

（5） 维持示波器探头不动，使FC脉冲始终保持显示至少2个周期，改变驱动频率，设置为“1”档，观测CCD输出信号的变化。

（6）继续调节驱动频率至“2”档和“3”档，观测输出信号UG的变化。并做相

7

应记录。

3．积分时间与输出信号测量

（1） 保持实验仪其他设置不变，只将实验仪驱动频率设置恢复为“0”档，并确认积分时间设置处于“00”档。

（2） 用CH1探头测量FC脉冲，调节示波器使之同步稳定，并至少显示两个周期。用CH2探头测量Uo信号。

（3） 调节积分时间设置按钮逐步增加积分时间，测出输出信号Uo的幅度(VH是高电平，VL是低电平)值，添入表2-1。表2-1添满后，以积分时间为横坐标，以输出信号Uo的幅度为纵坐标，画输出特性曲线，观察CCD的输出信号与积分时间的关系，当CCD出现饱和后，积分时间与输出的信号有为如何？

（4） 驱动频率（即调节驱动频率设置按钮，从“0”至“3”），重复上述实验，观测波形变化情况并做相应记录。

（5） 写出实验报告，说明CCD输出信号与积分时间的关系，并解释之。

驱动频率0档 积分时FC周期间（档） （ms） 00 02 04 06 08 10 12 14 驱动频率2档 00 02 04 06 08 10 12 14 表2-1 输出信号幅度与积分时间的关系

输出信号Uo 驱动频率1档 输出信号Uo 输出幅输出幅度（VH） 度（VL） 输出信号Uo 输出幅输出幅积分时FC周期度（VH） 度（VL） 间（档） （ms） 00 02 04 06 08 10 12 14 输出信号Uo 驱动频率3档 00 02 04 06 08 10 12 14 4．关机结束

（1） 关闭实验仪。 （2） 关闭示波器。 （3） 关闭电源。

五、实验总结

1、 解释为什么驱动频率对积分时间会有影响？

2、 解释为什么在入射光不变的情况下积分时间的变化会对输出信号有影响？这对CCD的应用有何指导意义？进一步增加积分时间以后，输出信号的宽度会变宽吗？为什么？这对CCD的应用又有何指导意义？

8

实验三 线阵CCD输出信号的二值化

一、实验目的

通过本实验进一步掌握线阵CCD的输出特性，用线阵CCD测量物体尺寸和位置的基本方法。掌握CCD积分时间对物体尺寸和位置测量的影响。

二、实验准备内容

1. 二值化的基本工作原理

线阵CCD的输出信号包含了CCD各个像元所接收光强度的分布和像元位置的信息，使它在物体尺寸和位置检测中显示出十分重要的应用价值。

CCD输出信号的二值化处理常用于物体外形尺寸、物体位置、物体震动（振动）等的测量。如图3-1所示为测量物体外形尺寸（例如棒材的直径D）的原理图。将被测物体A置于成像物镜的物方视场中，将线阵CCD像敏面恰好安装在成像物镜的最佳像面位置上。

当被均匀照明的被测物体A通过成像物镜成像到CCD的像敏面上时，被测物体像黑白分明的光强分布使得相应像敏单元上存储载荷了被测物尺寸信息的电荷包，通过CCD及其驱动器将载有尺寸信息的电荷包转换为如图3-1右侧所示的时序电压信号（输出波形）。根据输出波形，可以得到物体A 在像方的尺寸D?设光学放大倍率为β，则可以用下面公式计算出物体A的实际尺寸D为

D?D?/? （3-1）

显然，只要求出D?，就不难测出物体A的实际尺寸D。

线阵CCD的输出信号UO随光强的变化关系为线形的，因此，可用UO模拟光强分布。采用二值化处理方法将物体边界信息检测出来是简单便捷的方法。有了物体边界信息便可以进行上述测量工作。

2．二值化处理方法的波形

图3-2所示为典型CCD输出信号与二值化处理的时序图。图中FC信号为行同步

脉冲，FC的上升沿对应于CCD的第一个有效像元输出信号，其下降沿为整个输出周期的结束。UG为绿色组分光的输出信号，它为经过反相放大后的输出电压信号。为了提取图3-2所示UG的信号所表征的边缘信息，采用如图3-3所示的固定阈值二值化处理电路。该电路

9

中，电压比较器LM393的正相输入端接CCD输出信号UG，而反相器的输入端通过电位器接到可调电平（阈值电平）上，该电位器可以调整二值化的阈值电平，构成固定阈值二值化电路。经固定阈值二值化电路输出的信号波形定义为TH。

图3-3 二值化电路

再进一步进行逻辑处理，便可以提取出物体边缘的位置信息N1和N2。N1与N2的差值即为被测物在CCD像面上所成的像占据的像元数目。物体A 在像方的尺寸L?为

D???N2?N1?L0 （3-2）

式中，N1与N2为边界位置的像元数，L0为CCD像敏单元的尺寸。

因此，物体的外径应为

D?(N2?N1)L0? （3-3）

3．二值化处理电路原理方框图

二值化处理原理图如图3-4所示，若与门的输入脉冲CRt为CCD驱动器输出的采样脉冲SP，则计数器所计的数为（N2－N1），锁存器锁存的数为（N2－N1），将其差值送入（N2－N1）LED数码显示器，则显示出（N2

－N1）值。

同样，该系统适用于检测物体的位置和它的运动参数，设图3-1中物体A在物面沿着光轴做垂直方向运动，根据光强分布的变化，同样可以计算出物体A的中心位置和它的运动速度、震动（振动）等。

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、双踪迹同步示波器（带宽50MHz以上）一台。 四、实验内容及步骤

1．实验内容

（1） 观测二值化处理过程中CCD的输出信号；

（2） 在进行二值化阈值电平调整的过程中，观察阈值电平调整的调整过程； （3） 标定光学放大倍率； （4） 进行被测图形尺寸的测量；

10

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所示的界面中。

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、实验总结

1、 写出实验总结报告。

2、 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），根据光学放大倍数，分析本实验测量角度的精度情况。

3、 同上条件，假设被测物体本身的宽度变化为8mm ± 0.2mm，再分析测量角度的精度情况。

4、 试比较两种测量方法的测量精度，彩色线阵CCD的行间距越宽，测量精度越高吗？若采用两个平行放置的单色CCD能否实现更高精度的测量结果？

5、 参考本实验角度测量原理，试设计一个用两个平行放置的线阵CCD进行圆形棒材直径进行测量的装置，并要求允许棒材产生适当的倾斜，求解测量公式。（选作）

21

实验七 用线阵CCD测量物体尺寸

一、实验目的

用线阵CCD测量物体的外形尺寸是非常广泛的，其原理很简单。《图像传感器应用技术》第12章中用4节讲述不同测量范围和精度要求情况下的测量原理与测量方法。通过本节实验能使学生进一步从实践环节上学习和认识它的测量原理与方法。而且，学会了应用CCD进行尺寸的测量也为学习其他应用打下坚实的基础。

二、实验准备内容

首先应学习用线阵CCD测量物体尺寸的测量原理（参看《图像传感器应用技术》书的12.1节），掌握本节的主要技术参数和尺寸测量的相关技术。

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、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。

（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软件。否则，请安装实验软件。

（4） 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所示的波形基本相符，可继续进行下面的实验；否则，应请指导教师检查实验仪器。

2、测量尺寸

（1） 打开实验仪上的盖板，将准备好的被测信号（黑底白色条的测量样片B、F等）插入测量片夹夹具中。

（2） 运行《尺寸测量实验》软件，计算机界面的右下方出现与测量步骤相关的实验注意事项，按照文字提示进行实验工作。

（3） 调节镜头光圈、焦距和积分时间设置，使CCD的输出信号幅度达到测量要求（信号接近饱和且调焦准确）。

（4） 将标定光学系统放大倍数的样片F插入测量片夹夹槽中，点击放大倍率计算按钮，仪器将自动计算出光学成像系统的放大倍率并显示于界面。

（5） 设置“浮动阈值”为50，选择收缩图显示，数据采集间隔设为0s，设置采集次数为10次，采集方式为10采集取平均值。

（6） 标定完成后，便可以直接进行尺寸测量；

22

（7） 若直接点击测量按钮，在很短时间内将测出校正放大倍率F片的黑、白条的宽度尺寸值，在界面上弹出数据框。

（8） 若将测量样片B置于测量片夹夹具中，点击测量按钮，在很短时间内将测出被测物样片B的黑、白条的宽度尺寸值，在界面上弹出数据框。

（9） 点击如图7-1所示的“结果”按钮，也能弹出如图7-2所示测量结果框。记录

或保存所测的结果值。多次测量后将测量值与样片上所标定的尺寸值相比较，观察测量值的重复性和它的测量误差。

（10） 注意在测量实验过程

中不能调整光学成像系统的焦距等参数，否则放大倍率的测量值将失去意义，随之产生较大的测量误差。

图7-1 打印结果

3、关机结束

（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。

五、实验总结

（1）写出尺寸测量实验的总结报告。 （2）试找出影响尺寸测量精度的因素。

（3）说明CCD的工作状态对尺寸测量结果的影响。

图7-2 测量结果数据框

23

实验八 用线阵CCD测量物体的振动

一、实验目的

用线阵CCD测量物体的位移及其振动是另一项非常重要的应用领域，测量位移与振动的基本原理和方法在《图像传感器应用技术》12.7节已经详细的说明。

二、实验准备内容

1、学习CCD应用技术中有关振动测量的内容（《图像传感器应用技术》12.7节）。 2、了解用线阵CCD测量物体振动与位移的基本原理和方法，掌握振幅、频率、相位等参数测量的相关因素。 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、用线阵CCD测量物体振动的原理

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测量这些参数测量原理结构图如图8-1所示。利用安装在成像物镜像面上的线阵CCD将被测物的振动过程中图像位置连续地采样，找出线阵CCD不同瞬间被测物体像的中心位置，显然，它是时间的函数W(t)，函数W(t)周期T的倒数为物体振动的频率f，其最大值与最小值差的一半应该为其振幅。可见如何采集物体像位置的函数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位置在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为其采样的间隔时间相当于显示曲线作标架的横轴刻度，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位置图像中心的位置便可以获得函数W(t)，也便能够测出物体的振动状况。

YHLCCD－IV型彩色线阵CCD多功能实验仪设计了模拟物体振动的实验装置，它用电机驱动凸轮带动测量样片做往复的上下运动，相当于物体以一定的频率振动。安装有成像物镜的光学系统与线阵CCD构成如图8-1所示的基本测量结构，当启动电机使装置振动时，被测物（测量样片）将产生周期性的位移为W(t)，成像后在CCD感光面上的位移为W(t)，假设物镜的放大倍数为β，则

W(t)=βW(t)

由此可以测得被测物的振幅、频率和相位。

24

／

／

五、实验内容及步骤

1. 实验内容

（1）测量模拟物（样片B）振动时的振动状态，画出振动的波形图； （2）计算出它的振动周期、振幅与初相位。

2. 实验步骤

（1） 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。

（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仪软件。否则，请首先安装实验仪软件。

（4） 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所示的波形基本相符，继续进行下面实验；否则，应请指导教师检查实验仪器。

3. 振动及位移的测量

（1） 打开实验仪的上盖板，将CCD相机旋转90度（松开右侧的禁锢螺丝，转动相机，使相机上的“红”点位于正上方）。将测量样片B的透光条水平插入振动测量片夹夹具中。

（2） 按下实验仪上的振动开关，启动振动装置，电机将带动样片B做垂直方向的运动（模拟振动）。

（3） 运行《振动测量实验》实验软件，弹出软件的界面，根据界面右下方的中文提示即可以进行振动实验。

（4） 调节镜头光圈、焦距和积分时间的设置，使CCD输出信号（输出幅度接近饱和，波形边沿陡直）满足测量要求。

（5） 按界面提示的内容完成光学系统放大倍率的计算；

（6） 设置“浮动阈值”为50，“采样数”为500（如图8-2所示），点击“开始” 采集按钮（如图8-3所示），数据采集便开始进行。

图 8-2 “浮动阈值”的设置

（7） 浮动阈值的设置软件界面（如图8-4 所示），用幅值的百分数设置浮动阈值。观察 振动波形适当地选取阈值后，便可以获得位 移曲线，所设数据点数采集完成后，软件将自动弹出测量结果数据表，表中示出物体振动的振幅与频率（或周期），记录振动幅度和周期。

图8-4浮动阈值的设置界面

图8-3 “开始”采集

（8） 观测振动的初相位，根据所划的振动曲线，很容易获得物体振动的初相位，通过观测初相位使学生对测量振动问题的认识，也使其更进一步认识初相位的概念。

25

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/1e77.html