哈工大复杂机械系统设计大作业(3)

成都学院学士学位论文（设计）

以便光线能够完全无阻碍通过，当待测滚珠从中穿过时，被测滚珠会阻挡住一部分平行光束，在CCD光敏面上形成暗区，而其余部分形成亮区，此时只要测得暗区的长度就可计算出被测滚珠的直径值。

（a）

（b）

图3-5 测量装置示意图

3.3.2 激光发射端

测量装置的激光发射端采用半导体激光器作为发射光源，半导体激光器是指以半导体材料为工作物质的一类激光器，亦被称为半导体激光二极管。半导体激光器具有超小型、高效率、结构简单、成本低、易于调制等优点[6]。

其原理如下：

通过金属接触给PN结加上正向偏置，在作用区内，电子和空穴复合产生光子。当注入电流较小时，注入结区的电子和空穴也较小，辐射小于吸收，此时激光器只能产生自发辐射，出现普通的荧光；电流逐渐加大，注入结区的电子和空穴增多，这时将发射很亮的荧光。当注入电流增大到增益足以补偿损耗时，才能产生谱线尖锐、模式明确的

7

成都学院学士学位论文（设计）

振荡，此时才是真正的激光。

其特性如下：

功率－电流特性是半导体激光器重要的特性，是系统设计的重要依据，当激光器注入电流较小时，自发辐射占据主导地位，输出的光为荧光；随着注入电流的逐渐增大，开始产生受激辐射，输出光功率也逐渐增加，当注入电流增大到某一值时，输出光功率急剧增加，这个电流就是阈值电流，当注入电流大于阈值时，激光器发出激光。

如图3-6所示，为激光发射端的光学系统，半导体激光器发射的激光经光栅变成平行光束后射向被测滚珠以及CCD接收端，从而完成对滚珠的测量。

图3-6 激光发射端光学系统示意图

3.3.3 CCD光电传感器

CCD（Charge Coup Led Device)即电荷耦合器件，是一种新型的固体成像器件，它是在大规模硅集成电路工艺基础上研制而成的模拟集成电子芯片，既具有光电转换的功能，又具有电信号电荷的储存、转移和读出的功能。CCD传感器在结构上可分为面阵和线阵。面阵CCD主要用于图像的记录、储存等方面，线阵CCD主要用于物体外部尺寸的非接触检测及机器人视觉中的精确定位等。较之传统的机械式、光学式、电磁式测量方法，线阵CCD传感器实现了尺寸检测的智能化、自动化。线阵CCD因其驱动简单，信号处理相对容易，而在工业检测领域得到了广泛的应用[7]。而本次设计正是以线阵CCD传感器为基础来测量滚珠直径，从而实现滚珠的自动分选。 （1）CCD光电传感器的工作原理

CCD电荷藕合器采集图像信号,可分为三个过程,首先将光信号转换成电荷,然后暂

8

成都学院学士学位论文（设计）

时存放在存储器中,最后用时钟脉冲顺序读出信号。

1.采光积累电荷

当人射光照射到光敏元件上时,由于光量子的激发,使光敏材料上的导电粒子（电子空穴对）增加,在金属电极下的P型硅衬底上表面形成电荷积累。人射光越强,在光敏材料中激发的导电粒子越多,形成的电荷积累也越多。

2.电荷的转移及电荷信息的读取

为取出存储区中积累的电荷信息,在金属铝电极和P型硅衬底加上控制电压,使存储区中电荷向下一存储电荷区中转移,送至电荷信息读取电路,在时钟脉冲控制下顺序读出。

CCD电荷祸合器像串行移位寄存器一样,以行为单位,一位一位地输出信息,实施电荷的转移输出。电荷转移和电路信息读取电路是一个构造较复杂的半导体电路，需在P型硅衬底上制作电荷转移存储器，输出电极（N+），还需要有三组不同电源相配合方能输出电荷信息。

CCD电荷耦合器输出的是与入射光强度成比例的模拟信号，此信号送往A/D转换，转换成一个与入射光强度成比例的二进制数（该二进制即对应一个像素的数据），并送往下一级电路处理。

（2）CCD光电传感器的特点及应用

CCD图像传感器可直接将光学信号转换为模拟电流信号，电流信号经过放大和模数转换，实现图像的获取、存储、传输、处理和复现。其特点如下： 1.体积小重量轻；

2.功耗小、工作电压低、抗冲击与震动、性能稳定、寿命长； 3.灵敏度高、噪声低、动态范围大；

4.响应速度快、有自扫描功能、图像畸变小、无残像； 5.像素集成度高、尺寸精确、商品化生产成本低。

其主要应用于数字相机、数字摄像机、扫描仪中，在采用光学方法测量外径的仪器中，常把CCD器件作为光电接收器。 （3）CCD的输出信号

图3-7为CCD的输出信号示意图，亮区处为高电平，暗区处为零，且像元之间的距离是已知的(相邻像元中心距是制造时确定的)。CCD的感光或挡光区域输出的信号经二值化处理后并作适当的电平变换，成为一定宽度的电平信号。如果得到挡光区域所包含

9

成都学院学士学位论文（设计）

的像元个数，则就可计算出该挡光区的宽度来。由于CCD的信号是移位输出的，且移位信号的输出是与移位时钟脉冲对应的，所以为了计算出挡光区域所包含的像元个数，只需对图3-7(b)中a、b两点间所对应的移位时钟脉冲数进行计数即可，这样就不需要将每一像元信号均读出处理，而只需采用计数电路对像元个数进行计数即可。

（a） （b）

图3-7 CCD输出信号示意图

3.3.4 CCD-TCD142D传感器

CCD传感器本设计采用的是线阵TCD142D传感器。TCD142D是一种具有2048位光敏元的双沟道两相线阵CCD器件，共有2110个光敏像元阵列，62个哑元(前51个、后 11个，以铝膜遮盖用于测量暗电流)，共有22个引脚，其中12个是空脚[8]。TCD142D具有高灵敏度、低暗电流等优点，其管脚排列如图3-8所示：

引脚说明：

? Φ1A（Φ1B、Φ2A、Φ2B）：时钟 ? SH：转移栅 ? RS：复位栅 ? OS：信号输出 ? DOS：补偿输出 ? OD：电源 ? SS：地

? NC：空脚 图3-8 TCD142D管脚图 其主要性能参数如下： ? 像敏单元数目：2048像元

? 像敏单元大小：14μm×14μm×14μm（相邻像元中心距为14μm） ? 总体传输效率：>92％

10

成都学院学士学位论文（设计）

? 时钟频率：0.1-20MHZ ? 工作温度：-25-+600C ? 供电电源：+12V

? 光敏区域：采用高灵敏度和低暗电流PN结作为光敏单元 3.4 分选部分 3.4.1 分选原理

当前面的CCD测量出滚珠的直径后,单片机就将该直径与事先设定的合格直径范围进行比较,一旦符合预设要求,则单片机就会向相应的输出口发出高电平,该高电平触发继电器后开启电磁阀门,从而使滚珠落入不同的料箱中，即完成对不同直径滚珠的分选。其流程图如下：

测量系统测量结果继续测量下一个滚珠滚珠直径所属范围单片机输出相应高电平开启相应的阀门延迟1秒输出低电平关闭阀门

图3-9 分选装置流程图

11

百度搜索“70edu”或“70教育网”即可找到本站免费阅读全部范文。收藏本站方便下次阅读，70教育网，提供经典综合文库哈工大复杂机械系统设计大作业(3)在线全文阅读。