应用场景：CCD图像传感器

CCD图像传感器可用于尺寸测量。图8.67所示是线型CCD图像传感器测量物体尺寸的基本原理。当所用光源含红外光时，可在透镜与传感器间加红外滤光片。当光源过强时，可再加一个滤光片。

图8.67　CCD尺寸测量的基本原理

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设所用透镜焦距为f，物距与像距分别为a和b，光学成像倍率为M，像素间距和像素数分别为p和n，视场为L0，传感器长度为Ls，由几何光学可知

若已选定透镜（即焦距f和视场L0已知），且已知物距为a，则所需传感器的长度Ls为

【例8.13】　用CCD图像传感器测量小尺寸物体。

测量原理如图8.68所示。测量小尺寸物体时，将被测物的未知长度Lx投射到CCD器件上，根据总像素数目和被物像遮掩的像素数目，可计算出尺寸Lx。图（a）表示在透镜前方距离a处置有被测物，在透镜后方距离b处置有CCD器件，该器件的总像素数目为N0。若照明光源由被测物左方向右方照射，在整个视场范围L0之中，将有Lx部分被遮挡，与此相应，在CCD上只有N1和N2两部分接受光照。于是有

式中，N1为上端受光照的像素数，N2为下端受光照的像素数，如图8.68（b）所示；N0、L0为常数。

图8.68　用CCD图像传感器测量小尺寸物体

根据输出脉冲数可得N1、N2的值，从而可计算出被测尺寸Lx。

【例8.14】　用CCD图像传感器测量大尺寸物体。

当被测物尺寸很大时，可采用图8.69所示的方法，由两套光学成像系统和两个CCD器件，分别对被测物两端进行测量，然后计算出物体尺寸。以连续轧制的钢板宽度测量为例，在被测物左右边缘下方设置光源，经过各自的透镜将边缘部分成像在各自的CCD器件上。两器件间的距离是固定的。设两个CCD的像素数都是N0，两个CCD都监测不到的盲区的长度为L3，也是固定值。被测钢板的总宽度L＝L1+L2+L3，其中L1和L2分别是由CCD1和CCD2测出的边缘宽度。

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图8.69　CCD测量板材宽度的原理

采用这种方法测量尺寸，当被测物左右晃动时，N1和N2一个增大一个减小，总的检测值不受影响。

【例8.15】　自动方向识别器。

如图8.70所示，小车运行时，传感器实时地检测出车子与信号线之间的偏移量。CCD自动方向识别器能自动识别出绘制在地面上的“信号线”，以使搬运小车自动地沿线前进，检测信号经反馈通过车把的转动做相应的补偿。

图8.70　自动方向识别器的原理

【例8.16】　铁路轮对外形尺寸动态检测系统。

图8.71是铁路轮对外形尺寸动态检测系统的原理。检测设备安装在列车运行的轨道旁边，当列车以一定速度到达检测区间时，轮对触发传感器给出信号，检测系统开始工作。首先，激光光源发出线激光，在通过车轮轮心的方向上形成从车轮轮缘到车轮踏面的光截线，这其中包含了车轮的外形尺寸信息；而图像传感器经光学镜头等成像器件捕获光截线图像，经图像处理算法提取以及与标准车轮外形曲线的比较获得车轮的相关尺寸参数，从而实现对车轮外形尺寸的动态检测。

图8.71　铁路轮对外形尺寸动态检测原理

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【例8.17】　受电弓滑板磨耗动态检测系统。

图8.72是受电弓滑板磨耗动态检测系统的原理。当列车通过检测区间时，安装在检测棚上的图像传感器以一定的角度拍摄受电弓滑板的图像，通过图像拼接和处理提取出滑板磨耗参数。

图8.72　受电弓滑板磨耗动态检测系统的原理

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