基于微处理器和多通信方式的大坝变形智能监测仪器的设计与实现

变形监测作为大坝安全状态感知的重要手段,具有测值直观、能全面反映大坝安全状态等特点,对保障大坝长期安全稳定运行具有重要的意义。目前大坝水平位移自动化监测主要使用引张线法、真空激光准直法及垂线法。尽管CCD垂线坐标仪已在大坝工程实践中广泛应用,可该仪器存在不支持现场配置、现场实时数据读取等不足,且无直接远程交互功能,需要接入其他采集装置或转接设备才能进行远程通信。本文设计的智能式CCD垂线坐标仪运用微处理器及以太网接口,不需要接入其他采集设备,可直接接入软件系统,解决了仪器集成复杂、传统通信方式不稳定等问题;并运用蓝牙通信和智能手机APP,解决了现场参数配置、实时采集显示的问题;提出了一种反馈式自适应调光技术,提高了仪器的自适应性和稳定性。

基于FPGA的X光机焦点测量仪系统设计

X光机的焦点尺寸是影响X射线成像质量的关键因素之一,针对X光机焦点尺寸测量方法繁琐、测量效率低等问题,文章提出一种以FPGA为核心控制芯片,狭缝法为测量原理的X光机焦点测量仪系统设计方案,通过线阵CCD传感器采集狭缝成像后的焦点信息,随后进行模数转换,并采用USB2.0传输方式将数据传输至上位机进行处理和计算。文章重点讨论线阵CCD、A/D转换和USB传输的驱动与时序设计,以及焦点尺寸的计算方法,该系统具有高精度、实时性低延迟的特点。实验结果表明,在对X光机大、小焦点尺寸各进行10次测量后,测量重复性分别为0.2808%和0.4779%,示值误差均在±0.15 mm范围内,这证明了该系统能够实现对X光机焦点尺寸的精准测量。

双管武器弹丸同时着靶坐标测量方法研究

针对双线阵CCD交汇立靶系统测量双管武器弹丸同时着靶时会产生虚假弹着点且无法排除的问题,研究基于三线阵CCD相机交汇的双弹丸同时着靶坐标测量方法。当双弹丸同时着靶时,通过左侧和右侧CCD相机计算获得2个真实的弹着点和2个虚假的弹着点坐标,通过中间线阵CCD相机来排除2个虚假弹丸图像,以中间CCD相机探测器件的中心像元位置为原点建立直角坐标系,基于直线相交原理对弹丸的着靶坐标测量公式进行推导,对弹丸着靶坐标测量误差进行仿真和分析。仿真结果显示,在测量靶面为2 m×2 m时,横坐标测量误差的标准差小于1.5 mm,纵坐标测量误差的标准差小于2.0 mm,满足靶场对弹丸着靶坐标测量精度的要求。

高光谱紫外辐照度仪CCD电路系统的设计及测试

为了在地面获得高信噪比的太阳直射紫外光谱辐照度,选用紫外敏感型线阵CCD探测器,研发了高光谱紫外辐照度仪原理样机。设计了CCD电路系统,讨论了电源电路、驱动电路、模拟前端电路以及CCD驱动时序的工作原理与设计方法,并在实验室利用标准灯光源测试了CCD电路系统的非线性和信噪比。结果表明,在340 nm波段下,CCD探测器接收信号约为饱和信号的80%时,系统信噪比超过400。最终,将测试好的CCD电路系统与光机模块装调并进行了波长定标,光谱范围覆盖280~400 nm,实现了对室内光源的紫外高光谱测量,验证了CCD电路系统设计的合理性和可行性。

基于角度交会的二维坐标图像测量系统

针对基准平面障碍物检测定位问题,设计了一种采用角度交会法测量二维坐标的嵌入式图像检测系统。二维坐标测量系统采用双线法标定线阵CCD图像传感器,并采用角度交会法对被测对象进行坐标计算,从而测得未修正的二维坐标测量结果。采用控制变量法分别测量X轴和Y轴坐标,使用Matlab软件对数据进行处理,并对X轴和Y轴测量误差分别进行多项式线性拟合,进而得到坐标修正公式,修正的二维坐标误差明显变小。实验结果表明:基于角度交会的二维坐标图像测量系统能够实时、准确、快速和可靠地测量二维坐标,为基准平面障碍物二维坐标测量定位提供了一种可行的方案,具有一定的应用价值和意义。

基于线阵CCD的折射率和浓度测量装置

本文提出了一种结合激光器和线阵CCD的折射率测量方法,利用光线穿过平行板介质时产生横向位移的特性,实现对透明介质折射率和浓度的高效、准确测量。装置采用红色点状激光器作为稳定光源,并通过衰减片削弱光强,利用旋转平台精确调整入射角,最后用线阵CCD传感器捕捉光斑位置变化,再录入Matlab程序中,实现对介质折射率以及透明液体浓度的实时测量。

利用线阵探测器研究光的干涉、衍射现象

光的干涉和衍射现象是波动光学的重要内容.研究这一现象不仅可以加深对光的波动性的理解,同时还有助于进一步学习近代光学实验技术,如光谱分析、晶体结构分析、全息照相、光信息处理等.本文利用CCD线阵探测器(东芝TCD1304)作为一维光强分布探测器,并自行开发了相应电路和软件,对各种单缝、双缝进行了光强相对分布测量,结果明显地展现出干涉、衍射的特征,并实时给出位置与光强的关系曲线.装置具有结构简单,位置分辨率高达0.01 mm,光强灵敏度范围可同时测得8级以上单缝衍射条纹,实验结果与理论值相对误差小于5%,动态数据刷新率达30 ms/帧.

基于相位拟合的绝对式光电精密测角方法

单码道绝对式轴角编码器具有分辨力高、结构简单、可靠性强等优点。为实现角度高精度快速识别和细分测量,提出一种基于相位拟合的绝对式编码器角度细分方法。该方法利用最长线性反馈移位寄存器序列(m序列)进行单码道绝对式编码,首先对CCD采样电平信号进行计数,判断码值组合后得到粗码译码数据;接着利用牛顿迭代法实现三角函数拟合从而获取相位信息,并提出基于相位信息的角度细分算法获得细分角度;最后结合粗码数据与细分角度得到角度信息。实验结果表明,提出的新型测角方法测角标准偏差达到4.57″,最小分度误差仅为0.23″,该方法大大提高了分辨力和精度,并且从原理上避免了码盘粗大误差对测角的影响。

南京大学65 cm反射式望远镜CCD相机的性能研究

2021年6月,使用南京大学本科实验教学的65 cm反射式望远镜系统,对其后端的电荷耦合器件(Charge-Coupled Device,CCD)的性能采用圆顶平场法进行了实际测定,得到了CCD相机的快门函数;同时用平场序列曝光,检测了CCD相机的线性。CCD相机的读出值从0到61900模数转换单位(Analog-Digital Unit,ADU)非线性小于1%,同时CCD相机的增益为1.02e^(-)/adu,读出噪音为13e^(-)。但对于恒星这样的点光源的观测,当像元的数值高于38000 adu时产生溢出。因此,在使用本CCD相机做点光源观测研究时,需要选择恰当的曝光时间,避免星像溢出。实际天文观测中,利用此研究得到的快门函数可以对观测图像进行校准,有效提高测光精度。

线阵CCD辅助探测天幕阵列弹丸位置解析模型

针对典型光电测试系统存在的探测光幕结构复杂,测量精度较低,靶场布设困难的问题,提出了基于探测天幕和线阵电荷耦合器件(CCD)结合测量弹丸位置的方法;根据弹丸穿过探测天幕阵列和线阵CCD的时间和图像信息,结合探测天幕阵列和线阵CCD的空间几何关系,建立了弹丸位置的计算模型;按照误差传递理论,建立弹丸位置参数的全微分误差模型,仿真分析得到弹丸位置参数的误差分布在3.5 mm之内;通过弹丸位置测试试验,与纸板靶法测量弹丸坐标进行对比,误差均小于5 mm,验证了提出的测量系统的准确性和可行性。

融合激光传感和视觉传感的路径识别小车设计

传统路径识别小车往往采用一种传感器实现避障或者巡线任务,但是单传感器路径识别小车往往表现出稳定性不足、前瞻性不足、可靠性不足等弊端,难以在实际生产活动中发挥作用。为了解决以上传统路径识别小车的弊端,本文提出了一种基于STM32F103RCT6微处理器的多传感器道路识别智能小车设计方案。利用TSL1401线性CCD传感器可实时获取车道线(宽度为3 cm的黑色标线)信息,经过二值化降噪处理后,小车处理器进行路线类型识别程序,路线类型识别后分别输出脉冲宽度调制信号控制舵机和电机实现小车巡线功能。同时为了避免碰撞到障碍物,小车还使用了激光雷达进行障碍物检测。整车测试结果表明,路径识别方案可行,识别算法显著提高小车传感器冗余性和感知可靠性,实验车能很好地实现巡线和避障任务。

不同载荷下船体框架变形程度自动检测系统

为实现不同载荷下船体框架变形程度自动精准检测,设计一种新的船体框架变形程度自动检测系统。此系统的光电探测模块由线阵CCD相机,采集船体框架变形图像后,通过图像采集和传输单元将采集的图像打包整理,使用网络交换机传输至中心控制台的工控计算机,工控计算机启动基于相机位姿的船体框架变形程度测量模型,结合线阵CCD相机位姿数据,计算获取图像中船体框架变形检测点的实际变形量,完成变形程度自动检测。经实验验证,所设计系统在6级海况载荷、8级海况载荷工况中,对船体甲板框架变形程度自动检测结果,与实际值不存在明显的异常偏差,吻合度显著,可实现不同载荷下船体框架变形程度自动精准检测。

基于CPLD的线阵CCD三角测距系统设计

针对传统CCD线阵传感器进行高精度三角测距时测距范围小,而精度高、测量范围大的激光三角测距设备存在光路复杂、价格高昂等问题,设计了一种远距离、亚毫米级精度、结构尺寸适中的三角测距系统。本系统以XC2C64A-5QFG48C作为主控芯片驱动CCD线阵传感器,利用STM32F103C8T6中的A/D转换模块、DMA通道完成对CCD输出信号的同步采集以及高速传输,同时通过模拟实际测量环境和器件构建数学模型,完成对该测距系统的搭建。最后通过实验进行系统验证,结果表明,系统工作稳定,可做到600 mm到800 mm处的亚毫米级精度距离测量,在保证测量精度的同时扩展了系统的量程,可作为一种距离测量设备。

智能送药小车设计

针对医疗行业正在向着智能化、自动化方向发展的需求,设计了一个基于STM32F103RCT6的智能送药小车系统。系统采用3节18650锂电池供电;通过OpenMV图像识别模块,识别病房号;通过TSL1401线阵线性CCD模块实现小车的循迹;通过HX711称重传感器模块读取药品的实时重量;通过2.4G Zigbee CC2530串口无线收发模块实现两小车的通信;通过0.96寸OLED显示识别的病房号及往返时间等。实践表明,系统性能良好,可靠性高,有一定的应用价值。

基于光电成像技术的运动员垂直弹跳高度测试

针对运动员弹跳过程持续时间短,弹跳位置相对不固定,弹跳高度测试操作复杂的问题,提出一种基于线阵光电成像技术的运动员垂直弹跳高度测试方法;首先构建大视场垂直弹跳高度测试系统,线阵CCD相机进行实时获取,得到目标弹跳轨迹图像;然后对目标弹跳轨迹图像进行图像分析和处理,高精度提取弹跳特征点,从而获得运动员垂直弹跳的运动时间;最后依据运动学公式,实现运动员垂直弹跳高度的准确测试;进行多组实验并分析实验数据,结果表明在1500 mm的弹跳测试范围内,实验相对误差范围在3%以内,证明了该方法的可行性。

基于CCD的玻璃厚度在线测量系统

浮法玻璃生产中需要对玻璃在高温区进行在线测量。研究了利用半导体激光和线阵CCD组成的在600℃高温条件下工作的玻璃厚度在线测量系统。系统采用循环水冷却方法使测头工作在正常条件下，利用软件对数据进行处理来克服高温气流等造成的随机误差。系统样机对玻璃厚度进行在线测量的精度达到15μm，测量范围为2～20mm。

线阵CCD数据的高速采集与存储

在各种高精度线阵CCD应用系统中 ,需要对像元输出信号进行快速采样、存储及数据处理。CCD数据采集的采样速率不仅与A/D转换器的转换速率等因素有关 ,同时还与数据传送方式密切相关。以高精度线阵CCDTCD15 0 1D和高速A/D转换器TLC5 5 10为例 ,详细分析了CCD和A/D转换器的工作时序 ,采用CPLD设计方法 ,将CCD的输出信号进行高速A/D转换 。

金属圆柱工件缺陷的光电检测

针对金属工件外观缺陷检测存在光学照明不均、检测缺陷种类繁多、检测系统识别率不高等问题,研究了检测金属圆柱工件缺陷的方法。分析了局部二元模式(LBP)与局部图像方差强度(LVAR)的基本原理,研究了两者在金属纹理表面缺陷检测中的具体实现方法。采用LBP反应局部图形空间纹理模式,LVAR突出图像强度对比信息,然后用LVAR计算结果作为权重值来调整LBP的局部纹理提取和度量结果,实现了金属圆柱工件的自动缺陷检测。实验中采用步进电机控制工件旋转,配合线阵相机采集圆柱工件的展开图像。实验结果显示,这种方法有效克服了金属材质光照不均的缺点,对大量缺陷种类具有较高的鲁棒性,其检出率高达95.1%,漏检率为0%,满足了工业检测要求。

星载多光谱CCD相机研究

研制的星载多光谱 CCD相机采用线阵 CCD推扫方式成像 ,具有蓝、绿、红、近红外、全色五个成像谱段 ,在轨工作时地面像元分辨率为 2 0米 ,覆盖宽度 113公里。相机光学系统采用单镜头焦面分色结构实现多光谱成像 ,每个谱段的探测器阵列由 3片 2 0 4 8元 CCD光学拼接而成 ,以实现地面宽覆盖成像。多片 CCD信号采用串行读出方式 ,使焦面 15片 CCD形成两路视频信号输出给数据传输系统。测试结果显示 ,相机各谱段 MTF典型值为 0 .2 5 ,满足使用要求。

带钢表面缺陷视觉检测系统关键技术研究

为满足钢板表面缺陷在线检测系统宽幅面、高速、高分辨率的检测要求,讨论了基于线阵CCD的钢板表面缺陷视觉检测系统实现的关键技术;优化设计了视觉检测系统的光学照明部分,以检测不同类型的缺陷。通过软件系统的特殊设计,以保证实时在线检测。针对缺陷图像低对比度、高噪声的特点,提出了基于灰度统计特性的图像边缘检测方法,并实现了对缺陷图像的自适应阈值分割。依据图像的缺陷统计特性,定义了缺陷的灰度、几何等特征量,用于缺陷分类。本系统样机已在实验室环境下运行。