CCD实验报告

《光电系统课程设计》

实验报告

班级： 学号：姓名：

2010年 12

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月

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.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，尤其是复位脉冲在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YHCCD－IV一台。

三、 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插入交

流220V插座上。

2） 打开示波器电源。

3） 打开YHCCD－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，前两位表示积分时间档次值，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。末位表示CCD的驱动频率，分4档，显示数值范围“0”~“3”，数值越大表示驱动频率越低。

2.驱动脉冲相位的测量

1） 将示波器CH1和CH2扫描线调整至适当位置，同步设置为CH1。对照“附录”中TCD2252D的驱动波形进行下面的实验。

2） 用CH1探头测量转移脉冲SH，仔细调节使之稳定（同步），使SH脉冲宽度适当以便于观察。（将示波器的扫描频率调至2μs档左右，便于观察对照）用CH2探头分别观测驱动脉冲F1与F2，这就是SH与F1、F2的相位关系。

3） 用CH1探头测量F1信号，CH2探头分别测量F2、RS、CP、SP信号，这就是F1与F2、RS、CP、SP信号之间的相位关系。

4）用CH1探头测量CP信号，CH2探头分别测量RS、SP，这就是CP与RS、SP信号之间的相位关系。 5） 将以上所测的相位关系与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档驱动频率下F1、F2、RS信号的周期，并计算信号频率填入表1-1。

表1-1 驱动频率与周期 驱动频率 0档 1档 2档

项目 周期（μs） 频率 (KHZ) 周期（μs） 频率 (KHZ) 周期（μs） F1 8 125 16 62.51 32 2

F2 8 125 16 62.49 32 RS 4 250 8 125 16 频率 (KHZ) 3档

周期（μs） 频率 (KHZ) 31.25 64 15.62 31.25 64 15.62 62.5 32 31.25 2） 将实验仪的频率设置恢复为“0”档，同时确认积分时间设置为“00”档。用CH1做观测FC信号的同步（示波器扫描频率调至2ms左右，便于观察），用CH2测量SH信号，观察两者的周期是否相同，记录FC信号周期。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10档，其余档次可以自行添加测量。

表1-2 积分时间的测量

驱动频率0档 驱动频率1档 FC周期（ms） 23.56 25.60 27.64 29.72 31.76 33.80 35.84 37.88 39.92 41.96 驱动频率2档 积分时间（档） 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 FC周期（ms） 47.12 51.20 55.28 59.36 63.52 67.60 71.68 75.76 79.84 84.00 驱动频率3档 积分时FC周期间（档） （ms） 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 94.20 102.40 110.60 118.80 127.00 135.20 143.40 151.40 169.80 168.00 积分时FC周期积分时间间（档） （ms） （档） 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 11.78 12.80 13.84 14.88 15.88 16.88 17.92 18.96 20.00 21.00 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 4.CCD输出信号的测量 1） 将实验仪积分时间设置恢复为“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） 进一步缩小镜头光圈，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。 6） 重复上述步骤观测FC波形和CCD输出波形之间的相位关系。

7） 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。

思考及设计

1.写出实验总结报告，注意说明TCD2252D的基本工作原理。

答：线阵CCD由广电二极管组成光敏区，转移栅，模拟寄存器 以及其他一些控制电路组成。光敏区把射在其上的光能转换为电能；转化出的电荷量的多少和入射在相应光电管上的光强及积分时间有关，因此可以用电荷量的多少反映原图像信息。与此同时，转移栅把光敏区产生的电荷进行转移，以便变成方便利用的电压信号。为了让电荷的转移快速准确的进行，就必须有外电路进行控制。这就是CCD的驱动电路，而CCD模拟寄存器的功能是把转移过来的电荷保存并向外输出。剩余的电路就是使CCD的

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输出能保持稳定。

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。

答：当SH脉冲为高电平时，1,ABφ脉冲亦为高电平，其下均形成深势阱。这样，SH的深势阱使1,ABφ电极下的深势阱与MOS电容存储势阱沟通，MOS电容存储栅中的信号电荷将通过转移栅转移到模拟移位寄存器1,ABφ电极下的势阱中。当SH由高变低时，SH低电平形成的浅势阱（也可以称为势垒）将存储栅下的势阱与1,ABφ电极下的势阱隔离开。存储栅下的势阱进入光积分状态，而模拟移位寄存器将在1,ABφ与2,ABφ脉冲的作用下驱动信号电荷进入定向转移。最初由存储栅转移到1,ABφ电极下势阱中的信号电荷将向左转移进入2,ABφ电极下势阱中，而后再转移至1,ABφ电极下势阱中，一位位地向左转移，最后经过输出电路由OS端输出哑元信号和2700个有效像元信号。由于结构上的安排，OS端首先输出13个虚设单元信号（所谓虚设单元是没有光电二极管与之对应的CCD模拟寄存器的部分）；然后输出48个哑元信号（指被遮光的光电二极管与之对应的CCD模拟移位寄存器的部分产生的信号），再输出3个信号（这3个信号可因为光的斜射而产生电荷信号的输出，但不能作为有效信号）；最后才连续输出～的有效像素单元信号。信号输出后，又输出9个暗信号，再输出2个奇偶检验信号，之后便是没有信号的空驱动信号。空驱动数目可以是任意的，但必须大于0，否则会影响下一行信号的输出。由于该器件是两列并行分奇、偶传输的，所以在一个SH周期中至少要有1388个1S2700S2700S1,ABφ脉冲。即，T为驱动脉冲11388SHTT 1,ABφ的周期。图中的RS为加在复位场效应管栅极上的复位脉冲，其复位原理参见有关参考书。每复位一次就输出一个像敏单元的信号，在器件的输出端输出OS信号

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。

答：因为同一束光中包含绿光、蓝光、红光的强度存在差异，而不同颜色的光频率不同，激发产生的电子数也不同，因此RS抽走的电荷包的数目存在差异。所以，相同光源亮度下，出现的信号幅度会有差异。

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实验二 线阵CCD特性测量实验

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的输出信号测量，进一步掌握线阵CCD的有关特性，加深对积分时间的意义的掌握，以及驱动频率和积分时间对CCD输出信号的影响。理解线阵CCD器件的“溢出”效应。

二、实验准备内容

1.学习掌握线阵CCD的基本工作原理（参考相关教科书）。 2.学习掌握TCD2252D线阵CCD基本工作原理（参考附录）。 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。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YHCCD－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多功能实验仪上的地线连接良好，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。

3） 打开YHCCD－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”中所示波形对比。如果与附图3所示的波形相符，相符，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扫描线调整至适当位置，同步设置为CH1。 2） 将实验仪驱动频率设置为“0”档。

3）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FC周期，CH2探头测量Uo(泛指UR、UG、UB)信号

4）调节镜头光圈，使之逐渐缩小，观测Uo信号的变化，将光圈调整至UG信号刚好接近“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）保持示波器探头不动，改变驱动频率，设置为“1”档，调节示波器使FC脉冲始终保持显示至少2个周期，观测CCD输出信号的变化。

6）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) 填入表2-1。表2-1填满后，以积分时间为横坐标，以输出信号Uo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，积分时间与输出信号的如何？

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。

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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。

表2-1 输出信号幅度与积分时间的关系 驱动频率0档 输出信号U。积分FC周时间期（档） （ms） 00 02 04 06 08 10 11.76 13.84 15.88 17.92 20.00 22.04 47.12 55.28 63.52 71.68 79.84 88.10 驱动频率1档 Uh-Ul 积分时间（档） FC周期（ms） 输出信号U。 Uh-Ul 114 112 110 108 106 104 输出信号U。 20 16 14 42 42 42 00 02 04 06 08 10 23.56 27.64 31.76 35.84 39.92 44.10 38 36 34 32 30 28 输出信号U。 42 42 42 42 42 42 驱动频率2档 00 02 04 06 08 10

驱动频率3档 00 02 04 06 08 10 94.20 110.6 127 143.4 159.8 176.2 思考及设计

1.解释为什么驱动频率对积分时间会有影响？

答：驱动频率越低，?的周期就越大，则两个SH之间的时间就越长，即积分时间越长。

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？

答：。因为输出信号是由光敏区感受光并将光能转换为电能得到的，转化出的电荷量的多少是和入射在相应的光电二极管上的光强和积分时间有关系的。因此，积分时间的变化会对输出信号产生影响。指导意义：通过改变CCD的积分，积累电荷量，用以反映原图像的信息；进一步增加积分时间以后，

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输出信号的宽度不会再发生变化。因为积分时间增加到一定程度以后，积累的电荷量达到饱和，因此输出信号的宽度不再发生变化。

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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，了解运用线阵CCD进行物体尺寸和位置测量的基本方法。近一步掌握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各个像元的光强分布信号和像元位置信息，使它在物体尺寸和位置检测中显得十分重要。

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。被测物A置于成像物镜的物方视场中，线阵CCD像敏面安装在成像物镜的最佳像面位置。

均匀的背景光使被测物A通过成像物镜成像到CCD的像敏面上。在像面位置可得到黑白分明的光强分布。CCD像敏面上的光强分布载荷了被测物尺寸的信息，通过CCD及其驱动器将载有尺寸信息的像转换为时序电压信号。根据输出波形，可以得到物体A 在像方的尺寸设光学放大倍率为β，则可以用下面公式计算物体A的实际尺寸D为 D= D′/β。

显然，只要求出，就不难测出物体A的实际尺寸D。

线阵CCD的输出信号UO随光强分布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

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。电路中，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。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。式中，N1与N2为边界位置的像元数，L0为CCD像敏单元的尺寸，物体的外径应为 D=(N2-N1)L0/β。

3.二值化处理电路原理方框图

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。

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YHCCD－IV一台。

实验内容及步骤

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（一） 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；

5） 通过改变有关参数，观察对测量值的影响，分析影响物体尺寸测量的因素。

（二） 实验步骤 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，并确认示波器的电源和多功能实验仪的电源插头均插入交流220V插座上。

2） 打开仪器顶部盖板，将实验用测量片夹B插入后端片夹夹具中，盖上盖板。

3） 打开示波器，将CH1探头接到FC脉冲输出端，仔细调节使之同步稳定，使示波器显示至少2个FC周期。

4） 确认YHCCD－IV实验仪的二值化开关处于弹出状态，测量F1、F2、FC、RS、SP、CP各路驱动脉冲信号的波形是否正确。如果与附图3所示的波形相符，相符，继续进行下面实验；否则，应请指导教师检查。

2、 光学放大倍率β的标定

1） 用示波器CH2探头接UG信号输出端。调节镜头的光圈，观测输出信号波形的变化，使其处于接近饱和（非饱和）的状态。

2） 用CH2探头测量TO端子（阈值电平），调节实验仪上的阈值调节按钮，使阈值为2V左右。 3） 再将CH1探头接到UG信号输出端，用UG信号同步。CH2探头接到BO端子（二值化输出TTL信号）上，调节阈值调节按钮，进行阈值的增减，观察BO的变化情况和与UG信号的关系。最后再将阈值电平恢复为2V。

4） 按下二值化测量按钮，此时仪器面板上原本显示的积分时间和驱动频率值的数值变为二值化 5） 测量值显示，所显示的数值为二值化信号所占据的CCD像元数（若仪器面板显示窗口数字闪烁则表示信号调整不当，应当退出二值化测量状态。重新调整镜头光圈、积分时间、驱动频率和二值化阈值电平），即（N2－N1）值。连续记录10组数据，填入表3-1，代入计算公式（3-3），计算光学放大倍率β的平均值，完成光学放大倍数标定工作。

表3-1 光学放大倍率β的测量

二值化测量值 （N2-N1） 274 273 273 274 274 273 274 274 273 273 5 物方尺寸 (mm) 像方计算尺寸 (mm) 2.192 2.184 2.184 2.192 2.192 2.184 2.192 2.192 2.184 2.184 光学放大倍率β 0.4384 0.4368 0.4368 0.4384 0.4384 0.4368 0.4384 0.4384 0.4368 0.4368 以上10次计算的平均光学放大倍率??8(N2?N1)?0.4376

D3、 二值化测量

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1） 保持上述设置不变，打开实验仪顶部盖板，取出测量片夹B，插入测量片夹C，盖上盖板。连续记下10组数据，填入表3-2，计算出被测条纹的实际尺寸。

2） 阈值电平调整至1V，再测量一组数据，填入表3-2，再计算出被测条纹的实际尺寸。

3） 变积分时间后，再重复上述实验，观察CCD输出信号波形的变化，当CCD出现饱和状态后观测被测物尺寸的变化。

表3-2 被测条纹实际尺寸的测量

二值化测量值 （N2-N1） 558 554 556 557 552 558 559 561 562 567 以上10次计算的物方尺寸D?0.4376 光学放大倍率β 像方计算尺寸 (mm) 4.464 4.432 4.448 4.456 4.416 4.464 4.472 4.488 4.496 4.536 物方尺寸 (mm) 10.21 10.13 10.16 10.18 10.09 10.20 10.22 10.26 10.27 10.37 8(N2?N1)??10.21

思考及设计

1、 写出实验总结报告，解释为何两种阈值下测量结果有差异，造成这种差异的原因有几点。

答：阈值电压是一个参考量，高于阈值电压的称为高电平，否则为低。不同的阈值会导致同一电压的高低电平划分不一样，所以会导致结果有差异。

2、 说明固定阈值二值化测量的优缺点和适用领域。

答：线阵CCD的输出信号UO随光强分布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。

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。

3、 积分时间的变化是否对测量值有影响？在什么时候会有影响？为什么进行尺寸测量时必须使CCD脱离饱和区？

答：在CCD未饱和的情况下积分时间的变化会对测量值产生一定程度的影响。但当CCD处于饱和区时，积分时间的变化不对测量值产生影响。因此，进行尺寸测量时必须使CCD脱离饱和区。

4、 设计完整的硬件二值化处理电路，并描述工作原理。

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2） 打开计算机电源，完成系统启动后进入下一步操作。

3） 打开YHLCCD－IV的主电源开关，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。 4） 确认是否已经正确安装实验仪软件。否则，请首先安装实验仪软件。 5） 打开实验仪上盖板将测量片夹B插入后端片夹的夹具中。

6） 打开仪器顶盖，确定CCD为水平位置（即黄色旋钮对应银白标志点），运行《软件二值化测量实验》，点击“连续”采集按钮。

7） 插入片夹F到后端片夹夹具内，调节镜头光圈和积分时间按钮，使波形最高点在红线和蓝线范围内，同时观察右下角的饱和度状态。保证信号最高点在最接近饱和而不饱和的状态。具体方法可以先缩小镜头光圈，然后用降低积分时间的方法微调。调整镜头的焦距，使输出信号曲线的边沿尽量垂直，同时观察右下角垂直度指示，当垂直度达到最大值（即在对焦过程中，垂直度一直增加到最大值会逐渐减少，调节时注意微调）时停止调节（垂直度就是曲线竖边与坐标X轴所成锐角角度与90度的比值）。

8） 点击计算放大倍率按钮，计算放大倍率。（注意此时测定的放大倍率在关闭软件后会还原成初始化时的放大倍率。为了保证测量的规范和准确，请每次实验前完成饱和度的调整和放大倍率的标定）。

9） 保证在实验过程中不要再次调节光圈和焦距。

2、 固定阈值二值化测量

1） 选择“固定阈值测量”，设定“阈值”为150（如图5-3所示）。选择“压缩”显示。采集间隔设为0s，设定采集次数为10次（如图5-4所示）。 2） 按下“平均”采集按钮。

3） 记录测量结果（如图5-5所示的结果），以*.dat或*.txt格式保存到指定的文件夹中（如图5-6、图5-7所示）。

3、 浮动阈值二值化测量

仿照固定阈值二值化测量的实验进行。在“阈值”项中应选择“浮动阈值”。“浮动阈值”的取值范围应为（10% ~ 100%），在实际操作中“阈值”按下面公式计算：

实际阈值 ＝（信号的最大值－信号的最小值）× 浮动阈值% ＋ 信号的最小阈值

思考及设计

1、 写出实验总结报告，分析二值化和二次微分测量的特点和适用场合。

答：CCD的二值化处理常用于物体外形尺寸、物体位置、物体振动（震动）等测量。用计算机软件提取边界信息的方法测量的最基本方法是固定阈值二值化提取方法，其原理类似硬件二值化提取方法。不同点在于硬件固定阈值二值化提取方法的阈值由硬件提供，软件固定阈值二值化提取方法的阈值可由软件以数字方式提供。这样它比硬件固定阈值二值化提取方法更容易改变或设置阈值。通过对物象边缘的信息像元数N1、N2的提取来计算物体的实际尺寸。在能够保证系统光源稳定的情况下，这种方法简单易行。

二次微分法是将线阵CCD输出的载有被测物体边界信息的电压信号U0经两次微分得到对应的边界信息，从而实现对物体尺寸的测量。该信号的一次微分结果记为UW，二次微分结果记为URW，由此可以采用提取一次微分信号的峰值或者二次微分信号的过零点作为边界信息。

2、 怎样选择的浮动阈值能够使测量精度更高？

答：浮动阈值法软件采集到一行周期U0输出的数据，可以根据背景光信号的强度信号设置阈值，该阈值可以由幅值的百分比来设置，因此所设计的阈值将跟随背景光的变化而变化，在一定程度上消除了背景光的不稳定造成的测量误差。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/6c4.html