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现代光学测试技术范文1
关键字：CCD;尺寸检测
中图分类号： V448.15+1 文献标识码： A
Abstract: CCD technology has become a set of applied optics, electronics, precision machinery and computer technology for the integrated technologies, and is widely used in modern optical and optoelectronic measurement technology. This paper describes research on CCD technology at home and abroad, and to explore the CCD technology trends.
Keywords:CCD ; Size detection
一．概述
电荷耦合器件(Charge Couple Device，CCD)是一种以电荷为信号载体的微型 图像传感器，具有光电转换和信号电荷存储、转移及读出的功能，其输出信号通常是符合电 视标准的视频信号，可存储于适当的介质或输入计算机，便于进行图像存储、增强、识别等处理。
自CCD于1970年在贝尔实验室诞生以来，CCD技术随着半导体微电子技术的发展而迅速发展，CCD传感器的像素集成度、分辨率、几何精度和灵敏度大大提高，工作频率范围显著增加，可高速成像以满足对高速运动物体的拍摄，并以其光谱响应宽、动态范围大、灵敏度和几何精度高、噪声低、体积小、重量轻、低电压、低功耗、抗冲击、耐震动、抗电磁干扰能力强、坚固耐用、寿命长、图像畸变小、无残像、可以长时间工作于恶劣环境、便于进行数字化处理和与计算机连接等优点，在图像采集、非接触测量和实时监控方面得到了广泛应用，成为现代光电子学和测试技术中最活跃、最富有成果的研究领域之一。
二．国内外研究状况
CCD检测技术作为一种能有效实现动态跟踪的非接触检测技术，被广泛应用于尺寸、位移、表面形状检测和温度检测等领域。
1尺寸测量
由CCD传感器、光学成像系统、数据采集和处理系统构成的尺寸测量装置，具有测量精度高、速度快、应用方便灵活等特点，是现有机械式、光学式、电磁式测量仪器所无法比拟的。在尺寸测量中，通常采用合适的照明系统使被测物体通过物镜成像在CCD靶面上，通过对CCD输出的信号进行适当处理，提取测量对象的几何信息，结合光学系统的变换特性，可计算出被测尺寸。
1997年，J.B.Liao等将CCD摄像系统应用在三维坐标测量机(Coordinate Measuring Machine，CMM)上，实现了三维坐标的自动测量。他们将一个面阵CCD安装在与CMM的3个轴线都成45°角的固定位置，通过计算机视觉系统与CMM原来的控制系统连接来控制探头和工件的移动，以此探测探头和工件的三维位置。该方法不需要对原CMM系统进行改变，只要将CCD视觉系统连入原有的测量机即可。由于测量系统中只用一个面阵CCD，从而简化了测量系统结构，降低了系统成本，减小了因手工操作引起的误差，提高了测量效率，并能避免单独使用CCD测量时，因光衍射而造成的边缘检测误差，可用于工件三维尺寸的精确测量。
2形变测量
尽管利用线阵CCD测量材料变形具有非接触、无磨损、精度高、不引入附加误差、能测量材 料拉伸的全过程，特别是测量材料在断裂前后的应力应变曲线，得到材料的各种极限特性 参数等优点，但只能测量材料拉伸时在轴线方向的均一形变。为此Scheday, Miehe和Cheva lier等人开展了采用面阵CCD测量材料形变的研究。在此基础上，Stefan Hart mann等人借助面阵CCD研究了橡胶材料在拉伸和压缩时的形变情况。即在圆柱 形黑色测试样品的轴线方向等距标定几个白点，用CCD摄取相应图像并送入计算机进行处理，通过检测白点标记间的距离来计算样品受力时轴向的形变，并通过轮廓检测算法得到轴对 称的圆柱型样品的轮廓尺寸，经过数据校正，可计算出被测样品半径方向上的形变。这种方法可同时获得两个方向上的形变量，并测量出材料被压缩时的非均一形变。
3三维表面测量
由于CCD传感器能同时获取被测表面的亮度和相位信息，因此，将CCD和计算机图像处理技术 与传统的三维表面非接触光学测量方法相结合，可实时测量物体形变、振动和外形。随着CCD工艺水平的提高，面阵CCD被广泛应 用于三维表面测量。1996年，B.Skarman等提出了相变数字全息 测量法。此后，F.Chesn、C.Quan、P.S.Huangv、G. Pedrini等人分别在有关测量方法中应用了CCD技术，从CCD图像中获取相位图的新方法也相继出现。在条纹图样投影法中采用相变技术时，只能检 测静物表面轮廓，不适用于实时检测振动和变化的表面形状。
4高温测量
物体的辐射光波长和强度与物体温度有着特定的关系，因此CCD作为一种光电转换器件，可用于温度测量。1993年，Tenchov等人采用CCD间接测量溶液表面温度；1995年，K.Y.Hsu和L.D.Chen用可测量红外波段的加强型CCD测量液态金属的燃烧火焰温度，但其测量误差达到400～200K，缺乏实用性。此后，利用红外CCD测量温度场成为CCD测温研究的主流。2001年，Takeshi Azami等人利用CCD的亮度波动信息来研究 熔融硅桥表面的热流状况，获得了较好的结果。事实上，由CCD的光谱响应特性、光电转换特性可知，利用RGB输出值可得到被测物体表面图像中的亮度和色度信息，并根据比色测温原理 计算出物体的表面温度场。虽然有人提出了基于CCD测温系统的三维温度场构建算法，但直接利用彩色CCD测量温度的仪器还处在实验研发阶段。尽管如此，由于CCD技术能测量运动物体的温度，给出二维或三维温度场，实现非接触高温测量，因此，CCD测温技术有很大的发展潜力和应用前景
三．发展趋势及应用前景
1数字化测量技术
数字化测量技术是数字化制造技术的一个重要的、不可或缺的组成部分；数字化测量仪器、数字化量具产品的不断丰富和发展，适合并满足了生产现场不断提高的使用要求。
2测量技术与制造系统的集成
将现代测量技术及仪器融合、集成于先进制造系统，从而构建成完备的先进闭环制造系统。
3激光测量技术的应用
随着激光测量技术的发展，将与CCD检测技术更紧密的结合在一起。
4传感器的微、纳米化
传感器向小型化、微、纳米级精度发展，生产现场适应性更强，精度更高。
5系统的集成化
随着微电子技术的不断发展，整个测量系统正向着系统化、集成化方向发展（SoC）。
综上所述，CCD应用技术已成为集光学、电子学、精密机械与计算机技术为一体的综合性技术，并被广泛应用于现代光学和光电测试技术领域。事实上，凡可用胶卷和光电检测技术的地方几乎都可以应用CCD。随着半导体材料与技术的发展，特别是超大规模集成电路技术的不断进步，CCD图像传感器的性能也在迅速提高，将CCD技术、计算机图像处理技术与传统测量方法相结合，能获取被测对象的更多信息，实现快速、准确的无接触测量，显著提高测量技术水平和智能化水平，因此，CCD技术必将以其突出的优点而在工业测控、机器视觉、多媒体技术、虚拟现实技术及其他许多领域得到越来越广泛的应用。
参考文献：
［1］王庆有.CCD应用技术［M］.天津：天津大学出版社，2000．
［2］王跃科，杨华勇.CCD图像传感技术的现状与应用前景［J］.光学仪器，1996,18(5)：32－36．
现代光学测试技术范文2
关键词：红外技术 光谱测试
中图分类号：G64 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）11（c）-0042-02
1 技术背景
红外技术作为一种现代高科技技术，与激光技术并驾齐驱。它是研究红外辐射的产生、传播、转化、测量及其应用的技术科学。红外技术的主要发展体现在红外探测技术方面。
红外技术的发展始于1940年，但到60年代中叶，才真正出现了红外探测系统。随着该技术的不断成熟，红外技术被应用于很多领域。在军事上的应用有红外制导、红外通信、夜视仪、探测隐身武器装备和红外预警，在国民经济方面的应用有红外测温技术、红外遥控技术、红外遥感技术、红外理疗、红外辐射加热技术和红外光谱技术等[1]。
2 红外辐射源能量光谱分布测试的原理及装置
红外辐射波长在0，78～1000μm的一段电磁波谱，这其中还被分为近红外波段（0.78～3μm），中外波段（3～40μm）和远红外波段（40～1000μm）[2]，属于人眼看不见的波段，需要通过仪器才能探测到需要信息。
凡温度在绝对零度以上的物体均能够发射出红外辐射，其辐射的峰值波长与物体的温度有确定的关系，即维恩位移定律（Wien's displacement law）[2-3]：
另外，光频率和波长的关系为，其中c为光速，也有波数表示波长，即（cm-1），这也是现代光谱仪常用的表示方法[1]，该文涉及的光谱仪就是使用这种方法表示波长的。
在韦恩定律的基础上，人们发明了红外光谱仪，它能将红外辐射源的辐射能量按波长的分布以曲线的形式表示出，从而使我们看到清晰的红外辐射源在某个波长处的相对辐射能量，获得辐射波长位置，进而可以对红外辐射源进行更深入的研究。图2为红外系统和红外单色仪的光学原理图。
M1和M4为反射镜，M2准光镜，M3为物镜，M5为深椭球镜，G为平面衍射光栅，S1为入射狭缝，S2和S3为出射狭缝，T为调制器单色仪使用的入射狭缝、出射狭缝均为直狭缝，宽度为0～2 mm连续可调。光源发出的光束进入入射狭缝S1，S2位于反射式准光镜M2的焦面上，通过S1射入的光束经M2反射成平行光束投向平面光栅G上，衍射后的平行光束经物镜M3成像在S2上。
3 实验及结果
选取红外光源和硅土样品作为测试样品，对红外光源的测试，温度选定为常温，对硅藻泥的测试，温度控制在200 ℃左右，设定扫描参数，扫描波长为4000～650 cm-1，即0.25～1.5 μm，间隔设定为5 cm-1和2 cm-1。
设定好参数后，分别对样品的辐射能量进行采样，得到样品辐射能量光谱曲线，见图3和图4。
从图3可以看到红外光源的最大相对辐射波长在1.1μm处，而从硅土的辐射分布图中可以看出样品的辐射波段在0.8～1.3μm之间，属近红外波段，但由于硅土中掺杂了其他元素，其红外辐射能量分布图的噪声比较大。
4 结语
利用该系统，可以对不同材料的辐射能量光谱进行测试，了解不同温度下材料红外辐射能量光谱分布情况，确定近红外辐射波长位置。除此之外，利用该系统还可以设计透过率和吸收光谱的测试，对红外辐射材料的光学特性研究有重要的作用。
参考文献：
[1] 石晓光，王蓟，叶文.红外物理[M].北京：兵器工业出版社，2005.
现代光学测试技术范文3
关键词： LED背光；高压驱动；超薄结构
中图分类号：TN312+.8 文献标识码：B
Design of LED Backlight Module Used for Ultra-thin LCD TV
LI Xiu-zhen
(Beijing BOE CHATANI Electronics Co., Ltd., Research Center, Beijing 100176, China)
Abstract: Applying large-size LED backlight is the new development trend of flat-panel TV industry. A large-sized ultra-thin edge-light type LED backlight is designed in this paper. Depending on the research of the LED manufacturers, LED has been chosen with the consideration of luminous efficiency, power consumption, structure design, etc. The light guide plate is designed through the optical design software. According to the specification and number of LED, the light-bar is designed to be double-layer MCPCB, and high voltage design is adopted in the driver control circuit which supports the PWM dimming. In order to achieve a better cooling effect, thermal design is carried out. The edge light type LED backlight designed in this paper, its thickness is 9.9mm, its power is 150W, its center brightness is 5,700nit, and the uniformity is 82% by testing. It reaches the leading level of the industry.
Keywords: LED backlight; high voltage drive; ultra-thin structure
引 言
液晶屏自身并不发光，为了可以清楚地看到显示屏的内容，需要一定的白光背光源。背光源是存在于液晶显示器内部的一个光学组件，由光源和必要的光学辅助组件构成。传统的背光源采用的是冷阴极荧光灯（CCFL），色彩还原性差，含有对人体有害的汞蒸气。LED背光源色彩还原性好、寿命长、不含汞、有利于环境保护。就驱动电路而言，传统的CCFL背光驱动线路十分复杂，要求上千伏特的驱动电压，利用专门的逆变器才能驱动起来。而LED可以低电压工作，响应速度快，控制较为方便。近年来LED被逐渐引入到现有的液晶显示技术中，背光源非常有可能成为下一个被LED垄断的产业。LED背光源如果通过增加对比度、区域控制等手段，性能要远远优于CCFL背光源。目前，LED背光源已经在中小尺寸面板中普及，如手机、数码相框等，随着LED技术的发展和LED芯片的不断成熟，LED液晶电视将可能逐步取代传统的CCFL液晶电视[1，2]。
背光源根据光源的位置不同分为直下式背光源和侧光式背光源。直下式背光源，直接把LED光源放在出光面下面，光源发出的光经过一段空间距离和扩散板的扩散和混合后，成为面光源发射出来[3]，直下式背光源需要一定的混光距离。而侧光式背光结构对超薄化的模块设计则更具优越性，随着“超薄风”的刮起，大尺寸超薄侧光式LED背光源成为各大电视厂商及上游企业的研究热点。
1 结构设计
本文所设计的LED背光源是侧光式超薄结构，整个结构包括：LED灯条、驱动板、膜材、导光板、散热块、上框架、背板。背光源采用白光LED，整个结构设计以Active Area的中心点为所有部件的设计中心，以液晶电视所用液晶屏的尺寸为前提，设计其它尺寸。综合考虑电路设计及光学设计的要求，对结构进行设计。结构设计先从LAYOUT布局图着手，表达整体机构以及各部件相互之间的装配关系，然后着手零件图结构设计。上框架采用分段式设计，在长度方向上分段，避免长度过长。灯条的出线端设置在背板的四个角处，减少绕线长度。
2 光学设计
背光模组的作用是把点光源发出的光通过漫反射使之成为面光源。为了得到合格的面光源，首先要选择合适的LED，本设计采用的是白光双芯片LED。通过预设白场光度指标，结合对液晶屏、光学膜等影响因素的研究分析，完成对整个背光源所需光通量的计算。根据计算的光通量，结合LED的光学特性计算出所需LED的颗数。表1所示为所选LED的电学及光学特性。
为了提高背光源的亮度，膜材结构搭配为：一层扩散片+一层BEF+一层DBEF。其中，扩散片的作用是借扩散物质的折射与反射将光雾化，让射出的光更加均匀；BEF的作用是将光线聚拢，使其垂直进入液晶模块以提高辉度；DBEF是利用原先被传统吸收型偏光片吸收的50%的光线来增加亮度。导光板网点直径为0.54～1.55mm。图1所示为导光板的部分网点分布图。
3 电路设计
LED背光源电路设计主要包括灯条设计和驱动控制电路设计，图2所示为整个电路部分的结构框图。
3.1 灯条设计
光源采用双芯片白光LED，灯条分布在背光源的四周。为了达到更好的电流均一性，灯条采用串并混联，实行两并多串。为了取得更好的散热效果，LED灯条采用铝基板加工制作。整个系统输入电压为24V，此电压由外部电源转换器提供。
3.2 驱动控制电路设计
驱动芯片是三路峰值电流模式PWM控制器，通过闭环控制输出电流提供高精度LED电流。该芯片包含三个峰值电流模式控制器，给IC提供反馈，以确保更高效率和更高精度。芯片上的栅极驱动器进行了优化，用来驱动0.25A源电流或0.5A沉电流的逻辑电平FET，每个输出电流可通过线性或PWM调光方法进行单独调光。该芯片的闭环系统能动态调节它的输出电压，以适应LED电流的线路和负载调整。单一封装内集成的三路驱动器保证了每串间有更好的电流匹配，同时降低了整个系统的芯片数量。具有40V线性稳压器，提供5V电源给IC供电，三个转换器的开关频率由内部振荡器控制，三路有120°的相位差，以降低输入电流波纹。高压驱动，电流匹配度良好。LED串间电流精度为±2%，支持线性和PWM调光。
3.3 散热设计
由于LED的光效较低，工作时会产生大量的热量，如果不解决散热问题，会导致LED发光亮度的衰减和使用寿命的缩短。为了抑制LED产生的热量影响背光模组的辉度和色度，就要对LED进行散热设计。
为了达到更好的散热效果，将LED阵列焊接在铝基板上（MCPCB），铝基板比普通的PCB（FR4材质的PCB）散热效果要好很多倍。在铝基板下面，设计了长条形的散热块。在散热块和灯条之间贴敷导热双面胶，并用螺钉固定铝基板和散热块。在背光源的四周热量聚积地带，贴敷带保护膜的导热片。为了降低热阻，在LED焊盘上加导热过孔。这样，减少了PCB板垂直于热流方向的截面积，从而减少了顶层和底层之间的热阻而加强了LED灯热量的传导。最后，依靠电视机壳里的空气对流将热量散掉。
4 测试结果及结论
本文所设计的液晶电视用超薄LED背光源为侧光式结构，光源采用白光LED。图4所示为组装后的LED背光源，厚度为9.9mm。利用BM-7进行九点测试，中心辉度为5,500nit，亮度均齐性为82%，色彩还原性达到95%@CIE 1976。背光源整体功率为150W，其中LED功耗为135W，驱动电路效率达90%。背光系统的驱动电路属于高压驱动，电路简单，电流一致性良好。
5 结论
本文设计了一款大尺寸超薄液晶电视用LED背光源，中心亮度达到5,500nit，整体背光源功率为150W，亮度均齐度为82%。整机厚度为9.9mm，达到业内领先水平。本文设计的背光源已通过信赖性测试，为量产打下了基础。
参考文献
[1] 张成功. LED背光源驱动及光学设计技术研究[D]. 中国海洋大学学位论文，2009年6月.
[2] 黄启智. LCD显示器的背光技术分析及应用[N]. 漳州职业技术学院学报，2008年1月.
[3] 王大巍，王刚，李俊峰，刘敬伟。薄膜晶体管液晶显示器件的制造、测试与技术发展[M]. 机械工业出版社.
[4] 刘敬伟，张丽蕾，万丽芳等. 大尺寸液晶电视用LED背光的设计和制作[J]. 液晶与显示，2006年第5期.
[5] 文茂强. LED光源驱动电路设计[J]. 电源系统，2007年2月.
现代光学测试技术范文4
关键词：平行度；检测；CCD
1辊轴平行度检测系统简介
随着重型工业的不断发展，为了保证产品质量，使得精密计量与测试技术在大、中型工件形位误差的检测领域的应用已经成为迫切需要解决的问题。诸如大型盘类零件、轴类零件（如轧钢设备中的轧辊）的加工过程中，都要涉及车刀与工件的接触点距离圆心的长度变化情况。对于轴类零件其圆柱面上沿一直线距离轴线的长度变化称为平行度。以往此类测量工作由工人用游标卡尺和大型卡钳进行动态测量。对于像轧钢机轧辊，因其直径较大，长度较长，阶梯变化多，用原来的方法测量其平行度尤为不易。
图像传感器用于尺寸测量的技术是非常有效的非接触测量检测技术，被广泛地应用于各种加工件的在线检测和高精度、高速度的检测技术领域。由于线阵CCD图像传感器具有高分辨率、高灵敏度、像素位置信息强、结构紧凑及其自扫描等特性，因而，由线阵CCD、光学成像系统、计算机数据采集和处理系统构成的一维尺寸测量仪器，具有测量精度高、速度快、应用方便灵活等特点，是现有机械式、光学式、电磁式测量仪器所无法比拟的。这种测量方法往往无需配置复杂的机械运动机构，从而减少了产生误差的来源，使测量更准确、更方便。
步进电动机又称为脉冲电动机，是数字控制系统中的一种执行元件。其功用是将脉冲电信号变换为相应的角位移或直线位移。近十几年来，数字技术和电子计算机的迅速发展为步进电动机的应用开辟了广阔的前景。目前，我国已较多地将步进电动机用于机械加工的数字程序控制机床中（即数控机床）；在绘图机、轧钢机的自动控制，自动记录仪表和数模变换等方面也得到很多应用。
EDA技术是依赖功能强大的计算机，在EDA工具软件平台上，对以硬件描述语言HDL(Hardware Description Language)为系统逻辑描述手段完成的设计文件，自动地完成逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合、结构综合(布局布线)，以及逻辑优化和仿真测试，直至实现既定的电子线路系统功能。EDA技术使得设计者的工作仅限于利用软件的方式，即利用硬件描述语言和EDA软件来完成对系统硬件功能的实现。用HDL对数字电子系统进行抽象的行为与功能描述到具体的内部线路结构描述，从而可以在电子设计的各个阶段、各个层次进行计算机模拟验证，保证设计过程的正确性。可以大大降低设计成本，缩短设计周期。
2 国内外研究现状
自CCD于1970年在贝尔实验室诞生以来，CCD技术随着半导体微电子技术的发展而迅速发展，CCD传感器的像素集成度、分辨率、几何精度和灵敏度大大提高，工作频率范围显著增加，可高速成像以满足对高速运动物体的拍摄，并以其光谱响应宽、动态范围大、灵敏度和几何精度高、噪声低、体积小、重量轻、低电压、低功耗、抗冲击、耐震动、抗电磁干扰能力强、坚固耐用、寿命长、图像畸变小、无残像、可以长时间工作于恶劣环境、便于进行数字化处理和与计算机连接等优点，在图像采集、非接触测量和实时监控方面得到了广泛应用，成为现代光电子学和测试技术中最活跃、最富有成果的研究领域之一。
随着半导体材料与技术的发展，特别是超大规模集成电路技术的不断进步，CCD图像传感器的性能也在迅速提高，将CCD技术、计算机图像处理技术与传统测量方法相结合，能获取被测对象的更多信息，实现快速、准确的无接触测量，显著提高测量技术水平和智能化水平，因此，CCD技术必将以其突出的优点而在工业测控、机器视觉、多媒体技术、虚拟现实技术及其他许多领域得到越来越广泛的应用。
目前市面上的绝大多数消费型机种及高端数码相机都使用CCD作为图像传感器，而CMOS传感器以往都是作为低端产品应用于摄像头和简易电脑相机上，是否采用CCD传感器一度成为人们判断数码相机档次的标准之一．目前有能力生产CCD的公司分别为：SONY、Philips、Kodak、Matsushita、Fujisu、SANYO和Sharp。图像传感器用于尺寸测量的技术是非常有效的非接触检测技术，被广泛地应用于各种加工件的在线检测和高精度、高速度的检测技术领域。由于线阵CCD图像传感器具有高分辨率、高灵敏度、像素位置信息强、结构紧凑及其自扫描等特性，这种测量方法往往无需配置复杂的机械运动机构，从而减少了产生误差的来源，使测量更准确、更方便。
CCD检测技术作为一种能有效实现动态跟踪的非接触检测技术，被广泛应用于尺寸、位移、表面形状检测和温度检测等领域。由CCD传感器、光学成像系统、数据采集和处理系统构成的尺寸测量装置，具有测量精度高、速度快、应用方便灵活等特点，是现有机械式、光学式、电磁式测量仪器所无法比拟的。在尺寸测量中，通常采用合适的照明系统使被测物体通过物镜成像在CCD靶面上，通过对CCD输出的信号进行适当处理，提取测量对象的几何信息，结合光学系统的变换特性，可计算出被测尺寸。
图像测量技术的出现仅仅20余年，但在国内外发展很快，已经广泛应用到几何量的测量、航空遥感测量、精密复杂零件的微尺寸测量和外观检测、医学图像观测辅助诊断以及光波干涉图，应力应变场状态图等许多方面。目前，国外许多大学、科研机构都把CCD和光学仪器相结合，研制了许多应用CCD来实现光电转换的新型光电测量仪器。
近年来，国内图像测量技术在工业生产尤其是在机械工业中的应用研究也在迅速发展。其应用主要集中于对小尺寸零件几何量的快速测量（如对细丝、小孔直径等微小集合尺寸的测量）；精密复杂零件（如微电子器件、微型齿轮）的微尺寸测量；软质、易碎物体的测量（如绒毛丝直径、液滴尺寸的测量）；大型工件尺寸的测量（如在轧钢生产线上在线测量钢板的长、宽或线材的直径，在线检测判断钢板头尾的最优剪切位置等）；以及零件表面缺陷的判断、零件表面平整度、粗糙度的检测、圆轴类零件的圆度检测等方面。
综上所述，CCD应用技术已成为集光学、电子学、精密机械与计算机技术为一体的综合性技术，并被广泛应用于现代光学和光电测试技术领域。
3 系统主要指标要 求
本系统以轧钢机辊轴检测为模型，进行辊轴平行度检测系统的设计与研究，系统主要技术指标：
(一) 轧钢机工作辊外形轮廓尺寸：
辊面尺寸：1850mm；
轧辊全长：3720mm；
最大直径：546mm；
最小直径：495mm；
(二) 轧钢机工作辊加工面平行度检测：
检测方式：单向或双向；
检测精度：±3μm；
检测范围：0.05~数米；
采样频率：200次/秒~2000次/秒；
显示方式：实时显示。
4 检测系统的组成
该轧辊平行度检测系统由平行光产生单元、CCD及驱动电路单元、CCD 视频信号前置放大单元、信号采集及处理单元、步进电机及驱动电路单元、系统总控制单元等部分组成。平行光产生单元由半导体激光器及棱镜组构成。CCD及驱动电路单元由两相线阵CCD及产生CCD所需的驱动脉冲的电路组成。CCD视频信号前置放大器的作用是把CCD 输出和补偿信号输出进行差分放大，去除共模干扰及温度变化的影响，放大器输出的信号经电平转换电路后送至信号采集及处理单元。信号采集及处理单元的功能是将信号数字化并存储在存储器中；然后由系统总控制单元采用适当的算法对其进行处理得到被测物体的尺寸。系统总控制单元除完成数据处理工作以外，还担负着模拟误差信号输出、数据存储、PC数据传输和控制、步进电机控制信号输出等工作。
5 检测系统工作原理
系统采用了光学放大成像（实像）和前面光照射方式。轧辊在平行光照射下，轧辊的外形轮廓通过放在CCD和轧辊之间的棱镜组放大成像在CCD光敏面上。受到光照的光敏元的视频输出为高电平；而没受到光照的光敏元的视频输出为低电平。于是CCD输出信号端可得到与辊轴平行度成比例的光电脉冲信号，通过计算脉冲的个数就可得出测量结果。
先在该系统中测量标准轧辊，得出结果D作为基准，然后用公式
式（1）
通过微处理器计算就可以得出待测轴辊的平行度D，加工人员可以通过屏幕随时掌握加工情况。其中
N：系统没有放轧辊时CCD输出的脉冲个数；
N：放入待测轧辊后CCD输出的脉冲个数；
α ：CCD的脉冲当量（CCD的空间分辨率即一个像元的长度）；
β ：放大率。
6 检测系统方案论证
系统中光电转换器件使用当前在工业在线检测领域使用十分广泛的线阵CCD光电传感器，其独特的结构特性和自扫描特性，能够将光学图像变换成按空间域分布的离散电压信号，继而通过微处理器(单片机)对其进行采集和处理。而数据采集与处理核心器件采用STC公司生产的STC89LE52RC单片机，它是一款性价比非常高的工业单片机，性能稳定、完全兼容ATMEL公司的5l单片机。由于步进电机速度人为可控，所以本装置对处理速度要求不是很高，而单片机具有系统简单、开发容易、功能易扩展、测控能力强、可靠性高的优点，所以采用单片机无疑是经济适用的选择。
对于信号采集部分，现有的信号采集结构按其是否与信号处理部分分离可分为以下几类：第一种是模拟输入专用信号采集系统，该类系统将采集卡放置在计算机内部，采集卡的作用是进行A／D转换并通过计算机总线将数据送入计算机内存，用软件实现处理；第二种是模拟输入采集处理一体化结构，此种结构是将采集、量化集成到一块板卡上，一般由输入输出接口、A／D转换数字化单元、高速缓冲区和微处理单元构成，这种结构设计大大减轻了计算机的处理负荷，但增加了电路设计实现的难度；第三种是数字输入，是采集和处理部分分离的采集系统，这类系统的前端是数字输出的CCD器件，输出的数字化信号直接接入处理器，这种采集结构传输距离长、受外部干扰小、开发简单。经过对上述几种采集结构的分析，了解到第一种耗费计算机资源，实时性不高，不适合大量数据的实时处理；第二种是基于母板的二次开发，仍然受到一定的限制；第三种处理结构是为线阵CCD器件专门设计的处理系统，用户接口考虑到与相机积分时间同步，采用LVDS格式的数据串行传输，开发相对简单、成本低，因此，我们采用第三种数据采集结构。
单片机采集到的信号含有复杂的噪声，首先需要对信号进行滤波和平滑处理，剔除噪声和斜置判别等处理。这些算法在单片机上均可以实现，最后将计算得到的尺寸参数通过RS232协议送上位机进行显示，达到在线检测的目的。
参考文献：
[1] 王庆有. 《图像传感器应用技术》. 2003年9月第1版.北京：电子工业出版社，2003年.
[2] 林伸茂. 《8051单片机彻底研究入门篇》.2007年5月第1版. 北京：中国电力出版社，2007年.
[3] 陈小忠 黄宁 赵小侠. 《单片机接口技术实用子程序》.2005年9月第1版. 北京：人民邮电出版社，2005年.
现代光学测试技术范文5
关键词：红外测温；红外测温仪；接点测试
中图分类号：U463.62 文献标识码：A 文章编号：
1引言
随着现代科学技术日新月异的发展，应用于输电线路运行维护工作的高科技技术也越来越多。营口供电公司检修公司输电运检每年的反事故措施接点测试工作中，导线接点测试已经由接触测试全部改为了非接触式红外测温。营口地区的负荷结构与辽宁其他地区不同，负荷高峰期一般都是在夜间11点至凌晨1点左右，所以导线测试工作都要在夜间进行。由于夜间巡视进行接触式测温需要在夜间登上杆塔进行，存在着较大的安全隐患。而采用红外测温仪只需瞄准，按动触发器，在LCD显示屏上读出温度温度数据即可。红外测温仪重量轻，体积小，使用方便，并能可靠的测量热的、危险的或者难以接触的物体，而不会污染或损坏被测物体。红外测温仪每秒可测若干读数，而接触测温仪每秒测量就需要若干分钟的时间，不仅减轻了工作强度，提高了工作效率，又大大提升了工作安全性[1]。
2红外线辐射
红外线辐射无处不在、永无休止，物体之间的温差越大，辐射现象就越明显。真空可将太阳发出的红外线辐射能量通过9300万英里的时空传送到地球，被我们吸收，为我们带来温暖。当我们站在商场的食品冷藏柜前时，我们身体发出的红外辐射热量被冷藏食品吸收，令我们感到非常凉爽。这两个例子中辐射效果都非常的明显，我们可以明显感觉到其中的变化并感觉到它的存在。当我们需要对红外辐射的效果进行量化时，我们就需要测量红外辐射的温度，此时就要用到红外测温仪。材料不同，所表现的红外辐射特性也不同。在使用红外测温仪读取温度之前，我们首先要了解红外辐射测量的基本原理和具体被测材料的红外辐射特征[2]。
红外辐射率=吸收率-反射率+透射率
无论何种红外辐射，一旦发出都将被吸收，因此吸收率=发射率。红外测温仪所读取的正式物体表面发出的红外辐射能量，红外辐射仪无法读取空气中散失的红外辐射能量，因此在实际测量工作中我们可以忽略透射率不计，这样我们就得到一个基本的红外辐射测量公式：
红外辐射率=发射率—反射率
反射率与发射率成反比，物体反射红外辐射的能力越强，其本身红外辐射的能力就越弱。同通常采用的目测的方法大致判断物体的反射率大小，新铜的反射率较高而发射率较低（0.07—0.2），被氧化的铜的反射率较低而发射率较高（0.6—0.7），因重度氧化而变黑的铜的反射率甚至更低，而发射率则相应会更高（0.88）。绝大多数涂有油漆的表面发射率都非常高（0.9—0.95），而反射率则可以忽略不计。
对于绝大多数红外测温仪来说，唯一需要设置的就是被测材料的额定发射率，该值通常预设为0.95，这对于测量钢芯铝绞线的表面就足够了。通过调整测温仪发射率，可以补偿部分材料表面红外辐射能量不足的问题，尤其是金属材料。只有被测物体表面附近存在并反射高温红外辐射源时才需要考虑反射率对测量的影响。
3红外测温仪的基本工作原理
红外测温仪由光学系统、光电测探器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成。光学系统汇聚其视场内的目标红外辐射能量，红外能量聚集在光电探测器上并转变为相应的电信号，该信号再经换算转为被测目标的温度值。
红外测温仪接受多种物体自身发射出的不可见红外能量，红外辐射式电磁频谱的一部分，它包括无线电波、微波、可见光、紫外、R射线和X射线。红外位于可见光和无线电波之间，红外波长常用微米表示，波长范围为0.7微米—1000微米，主要用于红外测温仪的是0.7微米—14微米波带[3]。
红外技术及其原理的无异议的理解为其精确的测温。当由红外测温仪测温时，被测物体发射出的红外能量，通过红外测温仪的光学系统在探测器上转换为电信号，该信号的温度读数显示出来，有几个决定准确测温的重要因素，最重要的因素是发射率、视场、到光斑的位置。发射率，所有物体会反射、透过和发射能量，只有发射的能量能指示物体的温度。当红外测温仪测量表面温度时，仪器能接受到所有这三种能量。因此，所有红外测温仪必须调节为只读出发射的能量。测量误差通常由其它光源反射的红外能量引起的。有些红外测温仪可改变发射率，多种材料的发射率值可以出版的发射率表汇总找到。其它仪器为固定的予置为0.95的发射率。该发射率值时对于氧化表面的表面温度，测量出来也就是钢芯铝绞线的温度，即为其真是温度。距离与光斑之比，红外测温仪的光学系统从圆形测量光斑收集能量并聚焦在探测器上，光学分辨率定义为红外测温仪到物体的距离与被测光斑尺寸之比（D:S）。比值越大，红外测温仪的分辨率越好，且被测光斑尺寸也就越小。激光瞄准，只有用以帮助瞄准在测量点上。红外光学的最新改进是增加了近焦特性，可对小目标区域提供精确测量，还可以防止背景温度的影响。视场，确保目标大于红外测温仪测量时的光斑尺寸，目标越小，就应离它越近。当精度特别需要时，要确保目标至少2倍于光斑尺寸。
4红外测温仪使用中应注意的问题
为了红外测温仪测温，将红外测温仪对准要测得物体，按触发器在仪器的LCD上读出温度数据，保证安排好距离和光斑尺寸之比，和视场。用红外测温仪时有几件重要的事要记住：
1）只测量表面温度，红外测温仪不能测量内部温度。
2）不能透过玻璃进行测温，玻璃有很特殊的反射和透过特性弥补允许精确红外温度度数。但可通过红外窗口测温。红外测温仪最好不用于光亮的或抛光的金属表面的测温（不锈钢、铝等）。
3）定位热点，要发现热点，仪器瞄准目标，然后在目标上作上下扫描运动，直至确定热点。
4）注意环境条件：蒸汽、尘土、烟雾等。它阻挡仪器的光学系统而影响精确测温。
5）环境温度，如果红外测温仪突然暴露在环境温差为20度或更高的境况下，允许仪器在20分钟内调节到新的环境温度。
5红外测温仪的应用及经验
目前，我们使用红外测温仪是2005年浙江大立出产的DL-500型红外测温仪，共测量过500kV线路2条次，220kV线路8条次，66kV线路40条次，发现了多处接点过热。其中：
1、2005年11月，66kV都虎甲线55号虎山分中线引流并沟线夹过热，温度达到108度。
2、2005年11月，66kV都虎甲线54号上线引流液压耐张线夹过热，温度达到86度。
“1”和“2”购进仪器的第一次测温，当时还带上了触蜡接触测温工具，并在发现温度过高的现场进行了触蜡实现。测试结果，“1”处蜡烛接触到线夹立即融化，融化的蜡烛连续滴落。“2”处蜡烛接触到线夹立即发软，然后融化，融化的蜡烛断续滴落。经过测试，证明了红外测温的准确性，也使输电运检的接点测试工作从技术方面上了一个新的台阶。
在输电线路实际接点温度测温工作中，由于工作量比较大，这就需要人员有很高的操作水平，并需要一些测量技巧。本人在接点温度测量工作中，通过大量的反复使用试验，总结出以下几点经验：
1）温度调节在B档，也就是温度在0—100左右的区间，温度越高，设置颜色越浅，这样有利于发现发热点。
2）初始测量应该选用区域测温，这样就可以快速巡视全部的接点，巡视的同时，在显示屏上观察最高温度，这样就可以很快看出是否有发热区域。
3）发现发热区域后，要用3点法查看发热点温度，并确定其位置，最后将发热点照相、储存。
6结束语
利用红外测温仪对导线接点进行非接触测温，不仅减少了线路接点测试的工作量，而且能够及时发现并消除线路存在的安全隐患，提高了输电线路供电可靠性，保证电网安全、健康、可靠运行。
参考文献
[1]谭湛.红外成像测温技术在变电站设备中的应用[M].河南电力，2009(04).
现代光学测试技术范文6
Abstract: Through the introduction of concept of aerodynamics and aerospace technology in modern aerodynamics, the future directions of development of modern aerodynamics and aerospace issues that may be obstacles are analyzed and the technical problems are researched and studied in-depth, which is helpful for our country carrying out deeper aerodynamic research and development.
关键词：空气动力学；航空航天；发展
Key words: aerodynamics; aeronautics and astronautics; development
中图分类号：[O355] 文献标识码：A文章编号：1006-4311（2010）36-0227-01
0引言
空气动力学是研究物体在同气体做相对运动时的气体流动规律、受力特性以及伴随发证的物理变化，是力学的一个分支。空气动力学是建立在流体力学的基础上，伴随喷气推进技术和航空工业也逐渐发展起来的一门学科。
今后十年或更长一些时间内，航空航天技术必将有更大发展，正在研制和有可能开始投入研制的航空航天飞行器将主要有：高机动性作战飞机、无人侦察作战飞机、武装直升机、大型高速民航机和军用运输机、可重复使用的高超声速空天飞行器、微型飞行器、地效飞行器、智能控制可变形体飞行器等。上述这些飞行器的研制，对空气动力学发展提出的许多具有挑战性的课题，它们一般都涉及高度非定常、非线性、包括物理/化学变化效应，跨越力、热、电磁多种学科，从微观到宏观多种尺度的时/空瞬变流场等，都有很大的难度。空气动力学涉及的多学科、多目标优化，已成为重要的研究领域。下面给出几个空气动力学未来发展需要重点研究的几项课题。
1湍流理论、涡结构、转披和分离机制及主动涡控制技术
流动现象大致可以分为层流和湍流两大类。对层流的研究已经达到了相当成熟的阶段，而对湍流的研究则一直进展缓慢。19世纪初人们认为湍流是一种完全不规则的随机运动，因此，雷诺首创用统计平均方法来描叙湍流运动。1937年泰勒和冯・卡门对湍流下过定义，认为湍流是一种不规则运动，它在流体流过固壁或相邻不同速度流体层相互流过时产生。后来欣策在此基础上予以补充，说明湍流的速度、压强、温度等量在时间与空间坐标中是随机变化的。从20世纪70年代初开始，很多人认为湍流并不是完全随机的运动，而是存在一种可以被检测和显示的拟序结构，也称大涡拟序结构。它的处理与随机的小涡结构不同，它在切变湍流的脉动生成和发展中起主导作用。但是人们对这个说法仍存在争议，有人认为这种大尺度结构不属于湍流的范畴，而有人认为这是湍流的一种表现形式。目前大多数人的观点是：湍流由各种大小和涡量的涡旋叠加而成，其中最大涡尺度与流动环境密切相关，最小涡尺度则由赫性确定；流体在运动过程中涡旋不断破碎、合并，流体质点轨迹不断变化；在某些情况下，流场做完全随机的运动，在另一些情况下，流场随机运动与拟序运动并存。
2气动光学与气动声学
气动光学研究空气动力流场中密度、温度、压力等参数的不均匀变化和脉动特性引起的光线偏折、相位变化等造成的图像偏移、抖动、模糊、强度衰减以及光波在大气中传输时产生的折射、散射、吸收等现象对光传播和光学成像影响。
气动光学对进攻性或防御性高速成像制导武器的目标自动跟踪和瞄准误差有重要影响；对空中侦察、照相的影响是引起图像模糊和定位误差；对激光武器的影响是引起瞄准误差以及靶的聚焦能量衰减，最终造成损伤、摧毁作用的减弱。
流场特性预示是气动光学效应的研究基础。目前，包括激波、剪切层、喷流、湍流、旋涡运动及其相互干扰作用的各种复杂流场变化以及气动加热形成的热辐射影响预示方法都有自己的局限性，必须进一步深人研究和开发满足不同需求的高速流场数值预示方法包括雷诺平均NS方程、大涡模拟和直接数值模拟方法的研究，开展化学非平衡/高温辐射流场的藕合计算方法研究。要大力发展湍流流场试验测试技术，精确测量流场中的各种湍流平均量和脉动量以及它们的时空分布特征。建立和发展高速流场中气动力/热耦合环境下的模拟验证设备和相应测试手段，进一步探索高温流场红外辐射机理及其试验预测方法。要进一步深人研究目标图像和光波传输特征等基本气动光学参数的理论计算及数值仿真及气动光学传输效应验证试验方法，开展流场控制原理、气体热辐射抑制原理及气动光学效应的校正工作。气动声学研究空气动力流场中喷流、激波、分离流、旋涡、边界层压力等脉动引起的噪声辐射及其他声学效应。气动噪声是决定飞行器结构疲劳动强度和仪器舱噪声振动环境的主要因素，对物体表面边界层转挨和阻力特性也有密切的联系。主要研究内容包括：湍流边界层压力脉动特性和噪声产生的机理，激波振荡、分离旋涡、波涡干扰、喷流及其与外部流场的相互作用，物体表面沟槽、空穴、突起物和部件间干扰产生气动噪声的机制、理论和数值预测以及试验研究方法，气动噪声的主动、被动控制技术，噪声抑制机制和降噪原理和方法研究等。
3MAV与低Re数流动
低Re数空气动力学是微型飞行器研制的基础。由于微型飞行器尺度小，飞行速度低，对应的R。数范围为102-104量级。在这样的低R。数下是层流主导的流动，对流动参数的变化非常敏感，在飞行过程中，微小的参数变化都可能使翼面上出现层流分离，形成很大的分离泡，而且一旦分离就很难再附，气动特性明显下降，最大升阻比一般只有3-5左右。在这种条件下，如果按照传统的气动理论设计出的微型飞行器，有效载荷能力非常小，很难满足任务要求。
人们从仿生学研究中得到启示，鸟类和昆虫在飞行过程中能够产生比现有理论预示大得多的有效升力，因此，探讨新的高升力机制成为微型飞行器研制中的关键气动力问题之一。因内外在这方面都开展了很多研究，对扑翼、旋翼和其他仿生飞行模式，进行了广泛的研究，揭示了高升力产生的新机制。微型飞行器面向实用化遇到的另一个重要问题是如何在较大的外界环境干扰(如强风、大气湍流等)下保持稳定飞行，常规的空气舵面控制对非常小尺度、低Re数情况，很难提供足够的控制力，看来，人们也许会从昆虫和鸟类翅膀在飞行中的柔性变形和对外界扰动的自适应外形变化中得到启示。此外，已有的分析计算结果已经表明，低Re数情况下，非定常效应起着非常明显的作用，可以在很大程度上改变流场特性。这些都是有待深入研究的问题。
参考文献：
