电荷耦合器件被动式测量的信号处理'

１９年 　 　５７９ 月 第 ２ 卷第３ 　 ０

期庹大学学报重 （自 然学科） 版 　Ｊｕｌｎ ｆｎｈｑ ｇ ｅｓｎＮ ｔ ｙａＳｉ ｃ Ｅｏ ｉ）ｏ　 ａ ｏ ｏ ｇｉ　　 ｉ ｒ ｔａ （ｒｌｃ ｎ ｅｄｉ 　ｒ 　 Ｃｎ Ｕｖ ｉ ｕ　 ｅ ｔｎ　

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０． ０№ 　 】２ ．．３

Ｍａ ． 　 ９　 ｙ ７ ９１

・工应用程 　・

电

耦合荷件器被动式量测的号处理‘ 　信Ｃｈ ｒｅ

Ｃ ｕ ｄｌ Ｄ ｉｅｅ 　 ａｖ ｓ　 ａ 　ｇ ｐｏ ｅ　ｖｃ ｓＰ ｉｓ

ｅｅ Ｍｓ ｎｒ　 ｉ ｎｌｒＰｃ ｓ ｇ ｉｅ Ｔｈ ｕ ｉｓａ ｕ ｉ ｇ Ｓｇａ ｏ ｅ ｓ　ｎ 　ｃ ｑｎｅ 　 ＿ 　

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吴 福 杰

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杨 正 才　

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重庆（学大电气工程＋系 ３．４０一第作者３ ． 工岁程师 ． 　庆重６０４ ＝ １ 男． 壤土

摘） 要

出指在了 电耦合 器荷（件 Ｃ Ｃ） Ｄ动被测武中影响量测量结一果性的致两问 　

个

， 即被题物发测光度强变化的和环境变化对测的结量果一致性的响影。 时同 出了提解这决两

　个题问的信 号 处理 方法 出 ，了相应 的 电原理 图，路给 出 示了验 实形波　

莘

书 分分　 Ｎ２ ．１” 　中 瓷 类 Ｔ　类 　３ 　国 詈 料 法 堕Ｔ６ 号 劝 　 量 圉｝ｌ８ Ｎ　 　卫 　 豫５ ７　

ＡＢ ＴＡＣＲＴ　Ｉ　 ｃ ｏ ｄｅｌ 　 ｗＳ ｎａ ｃ ａｒ ｒ 　 ｃ ｅｔＣＣＤ 　ｏ ＊ｏ ｔｃ　 ｓｌｍ ｍｅｅｓ ｒｎ 　 ｈ ｅｄｗ． ｐ ｏ －ｏｈ　 ｎ ｎ ｃｎａ ｔＩ ｓ ｖ　 ａ ｕ ｉｇｍ ｔｏ ｔ 　 ｂｒ 　ｍ ｋ ｗｈｓ 　ｎｃ ｕｎ ｔｅ＿ｄ 　ｎｉｙ ｏ　 ａ ｉｕｇ ｒ ｌ ｓａｅ ｐｅｎｅｅ　 ｎ ｅｔ ｐｐｒ Ｍ ｅ ｈｌｗｄ ｅ ，ｊ ｈｆ ｉｅｃ ｂ　ｉｅ ｔ ｆ 　ｅ ｍ ｒｎｓ ｅ 　ｕｔ 　ｒ ｒ ｓｔｄ 　 ｉｈ ａ　ｅ ． ａ ｉ ｌ ｎｅ ｓ，ｔ ．ｅ ａ　

ｓ ｎｌ ｒｅｓｉ ｇｃ ｎｔｉｑ 　０　ｖｏｎ　ｈ ｗ　 　ｒｂ ｅ 　 ｒｒ　ｄｒｃ ａ ｄｄｐ ｉｌ 　 ｉ ｕｔ ｉ ｅａｉ － ｏ ａｅ ｓｃｈ　ｉｔ ｆｓｒｓｉｇ ｔｌｅｔ ｏｐ ｌｏｍｓ ｅａｔｏ ｉｕ ｅ ｎ　　ｒ ｐｅ ｒｃ ｉ ｒ　 ｎｐ ｎ ｅ ｌ ｃ ｄ ｓｃ　

县 ｖｎＦｎ ｌ，ｘ ｅｉｎａ 　ａ ｏｅｒ ｓ　ｒ ｈｗｅ 　ｉ ｅ． ａｌ ｉｅ ｒ ｐｙｍ ｅ ｌ ｖ ｔｆ ｒ　 ｅｓ ｏ．ｄ ｎａｗＫ ＹＷ ＥＲＯ Ｄ ｃ 　ｇ　ｏａ ｅｐｅ　 ｉ；ｍｅｍｓｍｅｒ ￣；ｎ ｌ ｒｃｉｇ Ｓｓｈ ｒｃ ｕ ｅ ｄ ｖｃｌｄ ａｕ ｅ 逝 ａ ｎ

ｐｏｅｓ ｎ　

　

０引

　

　

言Ｃ

Ｄ 量技测术分为主动式被动和式两种。近 几来年，Ｃ Ｃ Ｃ 测量Ｄ术作为一技高种技新术 　得了到速迅的展［发 。　 然 几乎而所有 Ｃ测量技Ｄ所取得术成果的是在采用主都式测动量 Ｃ　 法下取方的得“ 。 而对 于ＣＤ被 式动量测式则方对地比相较陌生 　　 ，Ｃ 而且用采甚少者　 。 　“ 　

为

此笔就者 Ｄ被Ｃ式测量动方式下信的号理技处术进讨行论 。 　

Ｃ１ ＣＣ Ｄ被　式测动量理　原

Ｃ 被动Ｄ测式量原的是 理：Ｃ 利用 被测物体检自的光身作为光 ， 源检测Ｃ 光Ｄ元敏上　物Ｃ 像占的所光元敏的数，个然 根据光后元敏的尺寸及以光系统学放大倍数换算的 ，就以得到可 　被测体物的寸尺　 可见， ：。 被式动量测取了消明照系，统它适 于用温高炽物体热发或物体光

　 收・ 文期

１９日・１　 ９ 们６・９

． 在攀现诧钢铁公司枝 自． 动化工作 　

部

第 ０２第 ３卷 期　

吴　福等ｒ 电 荷｛器件被台式动量的测信号理处　 禹

　

５１０　

的尺寸测量 但由于。在着存种影多响测精度的量因难以素克服． 所应用很以， 且少道报资的 料　更少。这是因为： Ｄ 输信出号由受于ｃＤ转 损移失被和测物体光强度不均匀发等素因Ｃ Ｃ ｃ　

影的响， Ｄ的Ｃ输出是理不的想波方而具是有一定斜度的形梯波为。此当测环境光 故使量Ｃ 　强和被 测发物强光发度生变时，化都 将影“响 值二化 电平切　 Ｃ Ｄ割出输信号部位 生变　发Ｃ 化，

造 成量测结果缺乏致性一 “， 使　这种测量法方难以实现图 。ａ１， ｂ分为别环光境被　和 ）（（ ）物测发强光度生发变而被测物尺化和测量寸物距不变，时ＣＣ Ｄ 出输二值和波形化。

　

（ ）ａ　

图ｌ环 背光境及发强度对光Ｃ 输出Ｄ号信的响　影 　Ｃ

——ｎ割切 电｝ ｌ３４ ？— ｏＤ平 　，．—， ｃ糖信出号 ——ｌ被 捌 物　

　境光环随天气着和昼的夜变而不同化环。光的境化使Ｃ变Ｄ 输出信发生上下号移平。 Ｃ　 在图

ａ中ｌ形波３ ） 的环（境比波形 ４光 的弱。 　被 测的物发强度往光往不是固定不的变。如在比线热轧坯钢温的就度 ８在 ０ 　０ ￣￣０ ０１　 ２

Ｃ间之图 。 ）ｌ（ 中波 形 ｂ 的２测物光强比被波 形 　ｌ 。 在高对上以号进行信二化时值 所．得二化值宽为脉 Ｌ，　 ，ＩＪ ， Ｌ 可见 　＞ 　 ， 所＞　 Ｌ　 ． 　　，

得结不果具备一致性 。 为　 解决了 上 问题 述， 者设　笔

计了

图 ２ 所如的信号处示电理　

路 　。

下面

笔者把图 所示的２路电

分　为 ＢＡ部分两行进详细的分

　

， 和讨论析　 笔者 以皆下 松￣ ３６￣ ６ ０　 型Ｎｃ 为Ｄ例进行论讨。Ｍ３６ 型ｃ Ｎ ６ 　０Ｃ 光敏 元Ｄ寸 为 尺ｌ Ｃ　 ｄ ｍ×Ｉ　 　 　

４ｕ． ｍ光 元敏数 ２０为８ 　 位。４驱动　 波 形 图如 ３所 示， 为两相 。 了得　为 到最佳的转移件， 条两相钟脉时　

图２ 一次

信号 处框图 理　

应冲严格地补，互 一相的个上升与沿另相一的下沿交叠于降中部　。 铷 中为转栅脉　移 图

冲， 其３周即期 Ｃ Ｄ的为积光周分期 ， 。为移栅脉冲位， 复为栅脉位　冲采保持样棘 Ｃｊ　 　 　 巾

　

１６ ０　

重庆

大学报学

（

自抖端版） 　学

卿与合二 为一 。　

积分时光 间　“

Ｌ　 　 ２ 　

＾　

圉３＇ 　 Ｃ 驱Ｄ动冲时序图　脉 Ｃ

２

Ｃ　 ＣＤ动自随跟电路

图２ 　的中 Ａ分如部图 ４示。所这一 分部括了自包跟随电路动、 值化二路电、光强判断比 　 器较路等电　 来 脚ＣｔＤ 自ｌ Ｃ 适 应路。电 　部Ｃ即分自动跟为随路 　电 在测被光强、物 尺寸和测量距物皆变不，而 只当环光变化时境 跟随电．路的作波工形如　

图 所示５ 　

０。 　

●

　 图

自动｛随跟路电 电原理图　

５ 图中形 波 和波形 ２１ 分为环别光境和强弱时 Ｃ 光输Ｄ信出号。波 形 Ｃ ３为波形２ ｌ或 　 通 由过＾　 成的组动差大放后的波形　器由 图５ 可知 ，无 环境论光强何． 通如差放后．Ｃ 　过ＣＤ 输 信号出基的线电平值都持保在　 × Ｏ６． Ｖ 电平上的（　 差为的电放放大压倍）数免避由了 　，于

环光的变境化 ＇ Ｃ输出信的号上平下移浮。动其原为：因 Ｄ 　

Ｃ’

．　　

ＤＣ出输信Ｏ （号ｐ ０通 粥　 Ｃ过 ￣Ｓ Ｖ） 　　 滤后得到直流电波平 　．　 一０６ 无论环则　 设如． ， 境光Ｖ如， 何流电平　直ｏ　 的线电基低平 ６０． 　 总。 比 Ｖ． 因此 ｏ　通 过差放， 后波形３ 的 基

　线平电总为　×０６ ， 　 而波形．３ Ｖ的 下限幅值却保浮持， 其动值为 ：　一

一

娥　

一 　

第

２卷 第 　３ ０

期

吴杰 檑：等电 　 荷 耦器旨件动式罐量的信号处被理Ｊ 　

１ ０７

　０６

．

图５ 　 动自随跟路电波形 图

ｐ　 （ ０ 一△　１ Ｖ一２一 卵Ｏ 一ｉＶ 】 ＇ ０） ０ ］ 　．ｙ△ ０ｌ　

可 Ｃ见Ｄ输出信 的下限号 Ｃ 幅 值通过　故差后被大　倍 放 　

。 图 ｄ． 　， ｅ中， ， 　 组 光强　成　 ｓ判 比较断器路电 　该电路输的出为　

］１ 　几 ＿、

　ｌＪ

　　 Ｉ 　

ｒＵ　＿ ］ 　

ＩＣＤ自 应 适电的工路提作供信号。Ｃ 为　防止了一在 Ｃ Ｄ十自扫周期描Ｃ 　内，

由

于被测上的暗物 的斑存在　 使 而 ，的脉冲 个不数只个，一　 　　 因 设此了置 Ｒ Ｓ—触发器。 Ｃ 的Ｄ 岛 Ｃ在 　

－厂 　厂 　 ］寸厂一

　。 ｒ ｌ　 ： 　 　：

ｒ

　 ＿＿ １

—一

　

图

Ｃ６ Ｃ　Ｄ光强判 断比 较器 路输 出电信号图

　 号下信限幅 为各值种可能的情 　 况，下该 电路作时的输出波工形图如 所６示 　

３。Ｃ 　Ｃ Ｄ自适 电路　

应图 Ｂ部２分为ＣＤ 适自电应路。其路电理原图图 如 的７ Ｃ 所。讪＋示， 。恤Ｃ 　 卿 ，为 ＣＤ驱

　动

时序冲。脉岛，．来自 图 鼠ｄ为 Ｄ二Ｃ值化脉宽信。Ｄ为号适应自结束号信Ｔ。 Ｈ　ｓ， 岛 ． ＣＣ ，Ｌ

Ｔ为光强弱太 、太的强警报信。 　号自 适应 电的功能路为 ： Ｃ的光Ｄ积时分间 自适应动测物被光的强化 ，变使 Ｃ 即根 被测　

物据的光强弱改变 而 ＤＣ光的积时分间， Ｃ 而终使 最ＤＣ出信号的幅值不因被测物光的输强 Ｃ 　变化弱而改 。从而变使 Ｄ的输出达到Ｃ佳最。 Ｃ 光积分时间　改的通过时序分变器 ４配１，０７ 进二制数器 ，２计 ，　１ 比较０ 器８， ，５ １５ 可逆数计 　５ 器，１ ３等工作的 １，９０ 改变 ＤＣ移转栅　。 Ｃ 周期的实而现临 周。期的变改限制一定的在围 范 。 内　。ｑｏ当 的Ｏ周期变改极到值大，Ｔ时信号变高 电平为 ｓ Ｌ，禁 止ｑ周 的进期步增长， ｏ一 ｏｓ此时 表 　明被物　光弱太。 周期ｐ变到极改小时值Ｔ信号变为高，平电， 脚的周期进一步 　缩当 ｓ Ｈ ｏ止 小，禁表 被明物的光太测强。由 于Ｍ ３ ６Ｃ型Ｄ有 ０８ ２ Ｎ ＇０６ Ｃ ４ 位光　元敏 和ｄ位哑元 ，６因此　 的　

ｌ

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８重

庹 学学大

报（

自揣学科版 　

）９

７ 　 生９

７ 自 适图电路原应图 　理

最小期周　 应于或等大　 ， 周于　期， ４ ｌ倍 　。 让的 　 ７ 即一：≥ｌ４Ｔ ． ０　７。如果 一条这件满不０ 　

足， Ｃ Ｄ储存荷电将不能完可转全移在。 ７图计数 ４ ２器 计数的率频为　的 ２ 分 则 　Ｃ中， ０ ０５ ， ４ 频１接３在４ Ｂ８） 端而 ９０ （５５ 的数范计围 为￣５１３所 以 脚的最周期长　＝１３… 　Ｔ ．５ ８． ８ Ｘ ， ２ ０ 　脚的晟短周期： 一５一Ｘ Ｔ２＞１ Ｔ４ 　．５ ． ０ 　 ７，０ 　 实在应际中用， 通调整摄像镜过　头 的光阑指 和切数割 电平 　 ， Ｖ 之　 值，　 被使物发测光强的变化范围度在 Ｃ 　自Ｄ适 应电的路换变范围内，之　 Ｃ

Ｃ当 Ｄ 输的 出号 岛 信 的限 下值 幅在不 Ｃ

ｌ　　 　 ２ 　

３厂 ］

厂 ］　

厂Ｖ　 Ｖ 　

８ 图岛 号信 较比 　

器Ｉ

　， 范ｎ围之内 ，时 　自在应适路电作　的用下 Ｃ，Ｃ Ｄ光积分时 间将的逐减少　 次或逐增次，加直至 岛 的 限幅下满值足

≥　岛　≥ 为止当 Ｃ。Ｄ适应过程结自束，后信号变为Ｄ电平 ， Ｃ高Ｃ 允计算机采许样　图

Ｃ Ｄ自８适过程应结后束 Ｃ Ｄ的 岛 信号与 无适自应路电理处 的＆ 号 比信较。图 为 Ｃ 　

相同Ｃ宽度和不同光强度发的体，物在测 物量距相同时， 自适 应路电理 处 的，波为形ｌ 如无岛 ， 　在自２． 适 应路电理处后 ，种两光情况发下的 岛形均波为形 ３ ．波　 图９ 为ａ ＤＣ （） Ｃ自 应适电 路工作时　 缩。时序图短　９ｂ 为脚 缩短增加和时图。序 图（） 　从

图此以可很易容看出地自 适应电路的工作过程。　

第

卷２第 ａ　 ０靳

吴熹 福等　 荷耦合器 件被动电武量测的号处理 信

　

９１ 　

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（ｍ一 １ ２ ． ）—衄 　

　

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１￣ 藏　 ９０

晶　

４ １３

ｌ ０９ 加

　

图 蛳 ９缩和增加短时图　

４ 序验实果结

　为了证自验跟动电路随，自适 电应路正确的 性 ，者做笔以了实下验：　

用

光源代表箱被物．潍 ｆ 以压器调变改源的光光强发度模拟来被物的光强测变 化． 同时　 变室改灯光内明，照以 示各表不同的种试测境。测示环统系光源箱由 调、压器、 Ｕ Ｃ测量Ｄ仅 　、 示

波等组器成为了说明问题。， 笔 者做了 两组比实验 对，一组 包括自动跟随路电及以适自应 　 电路， 在内室线光同不的况下， 情变光改箱的光强源得冽。如 图１ （）（ ）　 ａ 、所ｂ示 。０ 另一 组不包括 自适应电　路．仅包括 动跟随电自 ，路 在内光线不同室的况情测下。得如 图（）１（） ｃ　 ｄ、所示。０ 　 以 上组波形两示的波器描时间扫 ０５为ｓ格 。　 ／ ．中其图１ （ ） （ 的形波为探头ｌ 　ａｍ 、 ） ０ ｃ接　 至图４ 中点 测 所１得 。探头 的１电压档为 Ｏ２ 图／１（ ）（ ）．ｖ 格　 ｂ０ ｄ的波形为、探头 ２ 接至 图４　 中点测 所得。２头探２ 的电压 档 ０为５／ 　 ． ｖ

格。在 １图）（ （） 压器的电压调 ８　为 ｝ ａ ０ｃ、，中 在图０１ （））（ 调压器的压为 电１８． Ｖ 　 ｂ 、ｄ 中， ０ ０　　 Ｖ 从图 ｌ（ ）） ０ａ （、ｂ中 可以看 出： 　 光１积时分间生发变化了 ） 。其中 １ （图 ） 　ｂ光的分积时比图间ｌ （） ０ ａ短得０。多 其因在原于　 图１ （ ）ｂ ０被测物的光强度发比图 （） 。其１（）中 ａ０强 ａ光积图 时间分比 　 减…少 ｌ× Ｔ．ｂ２８ ．０（）　 光积分图间时 　比　。减少 ５１０ ２　 ２　× ２． 由 ｃ Ｄ于光积时间分发了变化生 Ｃ Ｄ，光曝没量有因被物发－光强度变的化　 而 ｃ ）使 Ｃ冽

改变 ，从保而了Ｃ Ｄ的证 岛号信下限值不幅因测被的物光强度的发改变而变改 。（）１Ｃ 　图 、ａ０

　 图 １（ ）０ｂ二 值比脉宽变 ， 通不过计机采算集示表显明 皆 Ｍ占 ６３型 Ｃ 的 ２Ｄ０Ｎ ６ ０Ｃ ６ 个感 光单　

元

　

３ 境光的环化对Ｃ 变Ｄ岛信的没号有响影， 岛信不随号环光的境化而变下平 上） Ｃ即 　

。移 　从图 １（ （）） ０ｃ 、中ｄ可以看 出；　

１ 光分积间没有变化， 时 ）但 岛下限值幅发却生变化。被测了物发的光强度高，越 岛的 　幅 值越大。　

２图 在１（ ） 二值化脉宽严重大变 。）　 ｄ 中 ，０其原因在于被潍物 发强度过光 强．Ｃ ｆＣ Ｄ在 饱和

后　产生 溢现象出。

　

ｌＯｌ　

重

大庆学学

报（

自然科版学）　

　 。

Ｕ 　

Ｉ

图 ｌ 自　动随电跟的波形路圈 　０ 　

３境环对 岛 信号光没影有响。 　

）５结

论　

　

过实通可以验看出验结实果与面的前析完全一分致。在动自随电路和自适跟应电路的　

作下，用 Ｃ ＣＤ输波出形不环随境光的化变而下平上浮动移 且，下幅值不限随被测物光发　强度 的变而改化变 ，地保力了测证结量果的致一性， 极大有地高了测提精量 ， 度ＣＤ 被动 使　 Ｃ式 测量方式测量的精度提高。者曾用笔以上信号处理方的， 法用被采式测动量方式 ， 针对在 线　热轧坯（ 钢温范度为围８０ 　℃０）行进了宽测测厚置的研究 装， ￣０ １ ， ０２从该装置在现场 的　试

运情况行， 看果效十分令是满人的。 意 事实　上Ｃ Ｄ被动 测式方式量之以很所使用少 Ｃ 就，于其在量测结果乏一致缺性。 而者笔　

提出信的处号理方成法功克地服了一这Ｊ。题因此该号信理处法具方较大有的实用推价　 可

值。 　 广 参考 献　

文１

李 庆 文Ｃ Ｃ ．Ｄ象图传器感在工测量业中应的 用 ．半体光导，电４９２５ 　６～ １８． ）（３ 　 　２ 智淮 林 ．用 ｃ使 Ｄ与型计微

算机非接的触密光精测学量系巍研究的 ．ｃ 导体光电．９４５２半 ：ｌ４ １ ８ ．（ ～）　 　 ２２ 荆贤禧３ Ｃ． Ｄ爰其Ｃ应原理用 ．武 ｔ 华汉中理工学大版出社９０．５￣　ｇ Ｊ９０．５ 　 ４ 庆壬，有孙 珠学．Ｃ Ｃ Ｄ应 技用术 天津：． 津大学出版社天９３６～１２ ．９１５． 　　　 ０ ５ 刘， ； 馀醺荣 ．甫 Ｃ ＤＣ像摄件器理、原特 及性用． 光应技术学， ９， ）增２２￣　 １ （ 　３：３ ６ 　９