【正文】 超聲波波速 sV = 0sf?? ，本實(shí)驗(yàn)中采用的光源為λ 0=650nm 的半導(dǎo)體激光器，其中 sf 為超聲波頻率。單片機(jī)通過(guò)編程產(chǎn)生串行時(shí)鐘，并按時(shí)序發(fā)送與數(shù)據(jù)接受數(shù)據(jù)位，完成通道方式 /通道數(shù)據(jù)的寫(xiě)入和轉(zhuǎn)化結(jié)果的讀出，數(shù)據(jù)采集程序 RDAD 如下，供數(shù)據(jù)采集模塊調(diào)用。內(nèi)部多達(dá) 384字節(jié)的發(fā)送緩沖區(qū)和 128字節(jié)的接收緩沖區(qū)，滿(mǎn)足高速通信與單片機(jī)接口的需要。該模塊有許多特點(diǎn)，如模塊內(nèi)部已經(jīng)封裝全部 USB協(xié)議 :模塊有大于 380byte的 F工 FO，可與任何高、低速單片機(jī)連接 。它是一種簡(jiǎn)單的計(jì)算機(jī)外圍接口標(biāo)準(zhǔn)。 ② 在 DATA OUT短串行輸出 8,1 2或 16為各數(shù)據(jù)，當(dāng)插入 /CS高電平脈沖控制件工作時(shí)，第一個(gè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)在 /CS下降沿 。 TLC2543C 的轉(zhuǎn)換過(guò)程 其工作過(guò)程分為兩個(gè)周期 :I/0 周期和實(shí)際轉(zhuǎn)換周期 : (1) 1/0周期 /CS變低后器件進(jìn)入 I/0周期，同時(shí)進(jìn)行兩種操作。 TLC2543C的引腳如圖 圖 37所示。 TLC2543是美國(guó)德州儀器公司于近幾年推出的一種性能價(jià)格比較優(yōu)越的 12位 A/D轉(zhuǎn)換芯片，具有多種封裝形式，并具有民用級(jí)、工業(yè)級(jí)、軍用級(jí)產(chǎn)品。應(yīng)用 AD623的 CCD模擬信號(hào)處理電路如圖 35。共模抑制比 (CMRR)就是差模增益 G 與共模增益的比值。 由于是對(duì)差分信號(hào)的處理，所以先討論一下差分電路的基本概念。而且有效信號(hào)幅值較小，約為 500 mV。初始化循環(huán)參數(shù) nop nop nop nop nop out portb,ccd2 nop nop out portb,ccd1 nop nop out portb,ccd3 nop nop nop nop nop out portb,ccd4 nop nop out portb,ccd3 。初始化 B 口 ldi r21,$03 ldi r22,$01 lp: out portb,r22 。 硬件連接如圖： AVR 單片機(jī)提供 CCD 驅(qū)動(dòng)脈沖編程 : .include .def ccd1=r11 。 (16) 工作電壓范圍寬 , 電源抗干擾性能強(qiáng) 。 (12) AT90S1200 等部分 AVR器件具有內(nèi)部 RC 振蕩器 – 1MHz 的工作頻率 ,使該類(lèi)單片機(jī)無(wú)需外加元器件即可工作 ,真是簡(jiǎn)單方便 。 (8) 單片機(jī)內(nèi)有模擬比較器 ,I/O 口可作 A/D 轉(zhuǎn)換用 , 可組成廉價(jià)的 A/D 轉(zhuǎn)換器 。 聲光效應(yīng)線(xiàn)陣 ccd 測(cè)試儀畢業(yè)論文 22 (4) 工業(yè)級(jí) (WDT)產(chǎn)品 !具有大電流 (灌電流 )10 20mA 或 40mA(單一輸出 ),可直接驅(qū)動(dòng) SSR 或繼電器 ,有看門(mén)狗定時(shí)器 (WDT),安全保護(hù) ,防止程序走飛 ,提高產(chǎn)品的抗干擾能力 。由表中可以看出，他是一種性能優(yōu)良的線(xiàn)陣 CCD 器件。 靈敏度 線(xiàn)陣 CCD 的靈敏度參數(shù)定義為單位曝光量的作用下器件的輸出信號(hào)電壓， R=voHU (210) 公式中 OU 為線(xiàn)陣 CCD 輸出的信號(hào)電壓， VH 為光明面上的曝光量。這樣， 1 個(gè)行周期中共包括 2750 個(gè)單元，行周期應(yīng)該大于等于這些單元輸出的時(shí)間（即大于等于 2750T1）。只有行周期大于 2750 T1 ，才 能保證 SH 在轉(zhuǎn)移第二行信號(hào)時(shí)第一行信號(hào)能全部轉(zhuǎn)移出器件。轉(zhuǎn)移脈沖 SH 的高 電平期間，驅(qū)動(dòng)脈沖φ 1 必須也為高電平，而且必須保證 SH 的下降沿落在φ 1 的高電平上，這樣才能保證光敏區(qū)的信號(hào)電荷并行的向模擬移位寄存器的φ 1 電極轉(zhuǎn)移。 (3) TCD1252AP 的基本工作原理 在圖 212中， TCD1252AP 的驅(qū)動(dòng)器應(yīng)產(chǎn)生 SH、φ l、φ RS 等 4 路脈沖，其中轉(zhuǎn)移脈沖的周期遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他 4 路脈沖的周期。 (2) TCD1252AP 的外形尺寸 圖 211 TCD1252AP外形尺寸 TCD1252AP 為 DIP22 封裝形式的雙列直插型器件，外形尺寸如圖 211 所示。下面以線(xiàn)陣CCD為例說(shuō)明： TCD1252AP器件為 2700像敏單元的長(zhǎng)陣列器件，采用雙溝道結(jié)構(gòu)形式。一是電荷包存儲(chǔ)在半導(dǎo)體與絕緣體之間的界面并沿界面?zhèn)鬏?這類(lèi)器稱(chēng)為表面溝道 CCD(簡(jiǎn)稱(chēng) SCCD) 二是電荷包存儲(chǔ)在離半導(dǎo)體表面一定深度的體內(nèi)并在半導(dǎo)體內(nèi)沿一定向傳輸這類(lèi)器件稱(chēng)為體溝道或者埋溝道器件 (簡(jiǎn)稱(chēng) BCCD) 。常用調(diào)制傳 遞函數(shù) MTF來(lái)評(píng)價(jià)線(xiàn)陣 CCD。 (5) 暗電流 在正常工作的情況下， MOS電容處于未飽和的非平衡態(tài)，然而隨著時(shí)間的推移由于熱激發(fā)而產(chǎn)生的少數(shù)載流子使系統(tǒng)趨向平衡。由于 CCD的正面布置著很多電極，電極的反射和散射作用使得正面照射光譜靈敏度比背面照射時(shí)低。影響電荷轉(zhuǎn)移效率的主要原因是界面態(tài)對(duì)電荷的俘獲常采用胖零工作模式來(lái)提高電荷轉(zhuǎn)移效率即讓零信號(hào)也有一定的電荷。這三種方法可以將電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換為可以方便檢測(cè)出的電流或電壓信號(hào)，且電流、電壓與電荷之間滿(mǎn)足一定的函數(shù)關(guān)系。這樣，勢(shì)阱中有一定量的電荷，且勢(shì)阱中積存的電荷量與入射光強(qiáng)度成正比（ CCD 飽和情況除外） 聲光效應(yīng)線(xiàn)陣 ccd 測(cè)試儀畢業(yè)論文 14 圖 28 電荷存儲(chǔ)示意圖 ② 電荷轉(zhuǎn)移 如圖 29 所示，左圖為電荷轉(zhuǎn)移的過(guò)程，右圖為驅(qū)動(dòng)脈沖時(shí)序。當(dāng)加驅(qū)動(dòng)脈沖，則以使電極下存儲(chǔ)的電荷朝一定方向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了電荷的轉(zhuǎn)移。當(dāng)半導(dǎo)體材料為 P 型硅時(shí)，如在 3 兩個(gè)金屬電極上施加適當(dāng)?shù)恼妷?V，在電極 2 上加上正電壓 V’，少數(shù)載流子 — 電子被吸收到電極下的區(qū)域內(nèi)。圖 27a 圖所示的是單列位移寄存器結(jié)構(gòu)， 27b 是雙列寄存器結(jié)構(gòu)。 CCD 的單元結(jié)構(gòu)如下圖所示 圖 26 CCD 單元與線(xiàn)陣列結(jié)構(gòu)的示意圖 a) CCD 單元 b) CCD 線(xiàn)陣列 CCD 的工作原理 CCD（ Charge Coupled Device）電荷耦合器件，自 1970 年由美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的 Willard Boyle 和 Gee Smith 提出后，隨著半導(dǎo)體微電子技術(shù)的發(fā)展也得到了驚人的發(fā)展?；蛘吒苯拥匕阉f(shuō)成是“一種在源極與漏極之間密布著許多柵極、溝道極長(zhǎng)的 MOS晶體管，即多柵 MOS晶體管，即多柵 MOS晶體管，如圖 25所示 聲光效應(yīng)線(xiàn)陣 ccd 測(cè)試儀畢業(yè)論文 12 圖 25 CCD 結(jié)構(gòu)示意圖 CCD 的典型結(jié)構(gòu)及其各部分的命名如圖 23所示。CCD攝像機(jī)具有體積小、重量輕、功耗低、噪聲小、可靠性高、無(wú)燒傷現(xiàn)象、不怕振動(dòng)、光譜響應(yīng)寬、輸出線(xiàn)性好等一系列顯著的優(yōu)點(diǎn)。而介質(zhì)折射率隨超聲波信號(hào)的變化，又會(huì)影響光在介質(zhì)中的傳播特性，光的強(qiáng)度、擷率等參數(shù)隨超聲波信號(hào)的變化而變化 . 聲光調(diào)制器 A由驅(qū)動(dòng)源 (產(chǎn)生頻率為 f的超聲波 )、轉(zhuǎn)換器和超聲波介質(zhì) (晶體 )等組成 。 聲光濾光器是一種根據(jù)各向異性介質(zhì)中的聲光衍射原理而工作的電調(diào)諧濾 光器。 聲光調(diào)制器是利用一定頻率的振幅來(lái)調(diào)制激光強(qiáng)度的。對(duì)于反常聲光器件只有滿(mǎn)足狄克遜方程的入聲光效應(yīng)線(xiàn)陣 ccd 測(cè)試儀畢業(yè)論文 10 射光可通過(guò)介質(zhì)產(chǎn)生衍射 .聲光介質(zhì)相當(dāng)于體相位光柵，介質(zhì)內(nèi)折射率會(huì)產(chǎn)生一定分布。 （ 2）按聲光互作用長(zhǎng)度分類(lèi) 根據(jù)聲光互作用區(qū)域的長(zhǎng)度，聲光效應(yīng)可分為布拉格聲光效應(yīng)和喇曼一奈聲光效應(yīng)。正常聲光效應(yīng)中入射光與衍射光的偏振態(tài)相同，它們?cè)谕唤橘|(zhì)中的折射率相同 。 3262 / svPnM ?? ，ρ為介質(zhì)密度， P為光的彈性系數(shù) 。可以證明 ，布拉格角滿(mǎn)足 SBi ??2sin ? (25) 式中 (25)稱(chēng)為布拉格條件。如前所述，應(yīng)變也以行波形式傳播，所以可寫(xiě)成 : )s in (0 yktSS Ss ?? ? (22) 當(dāng)應(yīng)變較小時(shí)，折射率作為 Y和 t的函數(shù)可寫(xiě)作 : )s in (),( 0 yktnntyn SS ???? ? (23) 式中， 0n 為無(wú)超聲波時(shí)介質(zhì)折射 率， n? 為聲致折射率變化的幅值，由 (2— 1)式可求出 0321 PSnn ??? (24) 當(dāng)聲光作用的距離滿(mǎn)足 ?? /2ssL? ，而且光束相對(duì)于超聲波波面以一角度斜入射時(shí)，在理想情況下除了 0級(jí)之外，只出現(xiàn) 1級(jí)或者一 1級(jí)衍射，如圖 23所示。介質(zhì)內(nèi)的彈性應(yīng)變也以行波形式隨聲波一起傳播。激光通過(guò)這個(gè)晶體時(shí)將會(huì)發(fā)生衍射現(xiàn)象。當(dāng)超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，將引起介質(zhì)的彈性應(yīng)變作時(shí) 間和空間上的周期性的變化，并且導(dǎo)致介質(zhì)的折射率也發(fā)生相應(yīng)的變化。但是 HeNe 激光器體積大，且預(yù)熱時(shí)間長(zhǎng)，發(fā)光效率差，操作不便，可供選擇激光波長(zhǎng)少，不能根據(jù) CCD 的響應(yīng)靈敏度進(jìn)行選擇。但是， HeNe 激光器發(fā)光效率低，與其他光源相比，需要的電壓較高，電源較復(fù)雜，體積也較大。激光器的種類(lèi)很多，迄今為止已有好幾百種，在光電檢測(cè)技術(shù)中， HeNe 氣體激光器和半導(dǎo)體激光器用的最多，因此下面對(duì)這兩種激光器做一下簡(jiǎn)要介紹。 激光器基本上是由激光工作物質(zhì)、激勵(lì)（泵浦）系統(tǒng)和光學(xué)共振腔組成。 聲光效應(yīng)線(xiàn)陣 ccd 測(cè)試儀畢業(yè)論文 5 第二章 測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 測(cè)試系統(tǒng)總體描述 測(cè)試系統(tǒng)基本原理 本設(shè)計(jì)研究的主要是基于聲光效應(yīng)線(xiàn)陣 CCD測(cè)試儀的測(cè)試系統(tǒng)，其基本原理如圖 : 激光發(fā)生器超聲波發(fā)生器聲光晶體 器件數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)總線(xiàn)計(jì)算機(jī)處理軟件及顯示 圖 21 測(cè)試系統(tǒng)基本原理示意圖 該測(cè)試系統(tǒng)利用光通過(guò)某一受超聲波擾動(dòng)的介質(zhì)發(fā)生的衍射現(xiàn)象，用線(xiàn) CCD圖像傳感器將激光的衍射條紋轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再通過(guò)低通濾波處理、信號(hào)放大、A/D數(shù)據(jù)采集后，送入計(jì)算計(jì)進(jìn) 行相應(yīng)數(shù)據(jù)處理和分析。通過(guò) 聲光效應(yīng)線(xiàn)陣 ccd 測(cè)試儀畢業(yè)論文 4 分析選擇合適的與 CCD 相匹配的組成器件。 綜上所述，本論文課題的理論研究應(yīng)用研究具有一定科學(xué)前沿性，同時(shí)，也具有重要和廣泛的實(shí)際應(yīng)用前景。據(jù)國(guó)外專(zhuān)家統(tǒng)計(jì)， 1987年 CCD世界市場(chǎng)規(guī)劃為 16億美元，而實(shí)際上 1997年為 50億美元， 1998年為 65億美元。線(xiàn)陣 CCD器件是由陣列光敏元曝光一定時(shí)間后在相應(yīng)驅(qū)動(dòng)脈沖作用下，信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移至移位寄存器，由移位寄存器一位一位地將其輸出，從而得到所需的光電信息。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 自從 1969年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室 Boyle和 Smith利用當(dāng)時(shí)已發(fā)展得很好的硅技術(shù) 研制成第一個(gè) CCD以來(lái)，依靠業(yè)已成熟的 MOS集成電路工藝， CCD技術(shù)得以迅 聲光效應(yīng)線(xiàn)陣 ccd 測(cè)試儀畢業(yè)論文 3 速發(fā)展。 本研究課題結(jié)合學(xué)科發(fā)展趨勢(shì)和實(shí)際應(yīng)用需求，提出研究聲光效應(yīng)線(xiàn)陣 CCD應(yīng)用、信號(hào)放大處理、 A/D裝換和計(jì)算機(jī)處理等關(guān)鍵技術(shù)，開(kāi)發(fā)了聲光效應(yīng)線(xiàn)陣CCD測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并應(yīng)用于實(shí)際中。 綜合利用近代各種先進(jìn)技術(shù)，采用光電方法對(duì)各種光的、非光的物理量進(jìn)行檢測(cè)是光電檢測(cè)聲光效應(yīng)線(xiàn)陣 ccd 測(cè)試儀畢業(yè)論文 2 技術(shù)的基本內(nèi)容。 隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化程度的提高，高精度，高效率，非接觸在線(xiàn)檢測(cè)已成為檢測(cè)行業(yè)的發(fā)展方向。如果把多媒體、各種網(wǎng)絡(luò)和信息高速公路作為