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摘要
在我國(guó)，無(wú)論是煤礦還是冶金礦所使用的提升設(shè)備都普遍存在著鋼絲繩磨損的問(wèn)題，尤其是斜井提升設(shè)備上使用的鋼絲繩，最突出的問(wèn)題就是鋼絲繩磨損，直徑變細(xì)。我國(guó) 《煤礦安全規(guī)程》 規(guī)定，礦用提升鋼絲繩斷面積減小 5% 時(shí)，不能用來(lái)提升工作人員；斷面積減小 10% 時(shí)，不能用來(lái)提升礦用物資。而提升鋼絲繩的提升能力及使用狀態(tài)對(duì)于提升設(shè)備的安全可靠運(yùn)行至關(guān)重要，因此，每天必須對(duì)提升鋼絲繩進(jìn)行檢測(cè)，以確保提升設(shè)備的安全可靠運(yùn)行。目前，廠礦企業(yè)仍然沿用傳統(tǒng)的人工檢測(cè)方法，即人工使用游標(biāo)卡尺進(jìn)行抽點(diǎn)檢測(cè)。這種檢測(cè)方法存在著很大的弊端，它檢測(cè)精度低，不能進(jìn)行連續(xù)的實(shí)時(shí)在線檢測(cè)，漏檢的情況也時(shí)有發(fā)生，這就給提升安全帶來(lái)嚴(yán)重隱患。同時(shí)，這種方法勞動(dòng)強(qiáng)度大，檢測(cè)速度慢。另外，在進(jìn)行人工檢測(cè)時(shí)，提升鋼絲繩必須停止提升，這樣會(huì)降低工作效率和設(shè)備利用率。而且人工檢測(cè)全憑實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，精度、效率也會(huì)隨之降低，既不能完成非接觸檢測(cè)，又不能實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)，同時(shí)還增加了檢測(cè)時(shí)給工作人員所帶來(lái)的危險(xiǎn)性。針對(duì)這種現(xiàn)狀，國(guó)內(nèi)外各高校及研究部門對(duì)提升鋼絲繩直徑的連續(xù)實(shí)時(shí)在線檢測(cè)進(jìn)行了大量的研究工作。從檢測(cè)方法看，主要有兩類：磁通檢測(cè)法、激光掃描法，但這兩種檢測(cè)方法都存在著較大的缺點(diǎn)。磁通檢測(cè)法檢測(cè)精度低、設(shè)備笨重；激光掃描檢測(cè)法雖然檢測(cè)精度高，但是設(shè)備復(fù)雜、成本高。在這種情況下，利用CCD技術(shù)本文提出了一種新的提升鋼絲直徑測(cè)量方法 —— CCD 實(shí)時(shí)在線非接觸式線徑測(cè)量數(shù)碼管顯示 具有測(cè)量快速高效 自動(dòng)化程度高 示直觀等特點(diǎn) 并能克服人工檢測(cè)所具有的缺點(diǎn).
關(guān)鍵詞 鋼絲繩磨損；光電技術(shù)；非接觸式測(cè)量；CCD技術(shù)
Abstract
In our country, whether or metallurgical coal mine upgrade equipment used by the wire rope wear is prevalent problem, particularly the inclined shaft upgrade equipment used wire rope, the most prominent is the issue of wire rope wear, small diameter. China's "coal mine safety regulations", mine hoisting cable basal area decreased 5%, should not be used to enhance staff; basal area decreased 10 percent, can not be used to upgrade mine supplies. Wire Rope for upgrading and enhancing capacity and the use of state equipment to upgrade the safe and reliable operation of utmost importance, therefore, must be to upgrade the rope daily testing to ensure that lifting equipment safe and reliable operation. At present, mining enterprises are still using the traditional methods of detection, the use of a vernier caliper pumping detection. This test is the presence of large defects, it detects low accuracy but not continuous real-time detection, missed the situation occurred from time to time, which to enhance security serious hidden dangers. At the same time, this method labor intensity, slow detection. Meanwhile, in artificial testing, must stop hoisting cable upgrade, which will reduce efficiency and equipment utilization. Detection entirely artificial and practical work experience, accuracy and efficiency will also be reduced, neither complete non-contact detection, and detection can not be achieved online, at the same time also increased the detection of staff to the dangers posed by sexual. In view of this status quo, and colleges and universities at home and abroad and research departments to upgrade the diameter of the wire rope for real-time detection of a large amount of research work. From the detection method, there are mainly two categories: the magnetic flux detection, laser scanning method, but the two detection methods exist more weaknesses. Detection of magnetic flux detection of low accuracy, heavy equipment, laser scanning detection Although the detection of high precision, but the complex equipment, high costs. In such circumstances, the paper using CCD technology, a new upgrade wire diameter measurement method - CCD-line non-contact measurement of diameter measurement with digital display quickly and efficiently show a high degree of automation and intuitive features, such as artificial overcome Detection by the drawbacks.
Keywords rope wear photovoltaic technology on-contact measurement CCD technology
II
徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)
目 錄
1緒論 …………………………………………………………………………………………… 1
1.1課題的意義和目的………………………………………………………………………… 3
1.2 CCD檢測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)和分析……………………………………………………………… 4
1.3 基于CCD技術(shù)的鋼絲繩檢測(cè)系統(tǒng)………………………………………………………. 4
2鋼絲繩的選用 ………………………………………………………………………………… 6
2.1鋼絲繩的計(jì)算及合理參數(shù) ……………………………………………………………. 6
2.2鋼絲繩的使用 ……………………………………………………………………………. 8
2.3鋼絲繩的養(yǎng)護(hù)和報(bào)廢 ……………………………………………………………………. 9
2.4鋼絲繩直徑的計(jì)算………………………………………………………………………. 11
3 CCD工作原理及選用……………………………………………………………………….. 13
3.1電荷的存儲(chǔ)………………………………………………………………………………. 13
3.1.1電荷的耦合…………………………………………………………………………… 16
3.2電荷的注入和檢測(cè)………………………………………………………………………. 17
3.2.1電荷的注入………………………………………………………………………….. 17
3.2.2電荷的檢測(cè)………………………………………………………………………….. 17
3.2.3 CCD 的特性參數(shù)……………………………………………………………………..18
3.3 CCD選型…………………………………………………………………………………..19
3.4 CCD工作原理……………………………………………………………………………..20
4光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)……………………………………………………………………………… 21
4.1光學(xué)成像基本計(jì)算公式…………………………………………………………………. 21
4.1.1 理想光學(xué)系統(tǒng)的基本參數(shù) ………………………………………………………… 21
4.1.2 理想光學(xué)系統(tǒng)成像的物像關(guān)系 …………………………………………………… 22
4.1.3 理想光學(xué)系統(tǒng)的放大率 …………………………………………………………… 23
4.2光學(xué)中光闌的作用………………………………………………………………………. 24
4.2.1 孔徑光闌、入射光瞳和出射光瞳…………………………………………………. 24
4.2.2 視場(chǎng)光闌 ………………………………………………………………………….. 25
4.3 照明系統(tǒng)設(shè)計(jì) …………………………………………………………………………. 25
4.3.1 照明方法……………………………………………………………………………. 25
4.3.2 聚光鏡的作用………………………………………………………………………. 27
4.3.3 照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則………………………………………………………………. 28
4.4 遠(yuǎn)心光路的應(yīng)用………………………………………………………………………… 28
4.5 光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ………………………………………………………………………. 29
4.5.1成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)…………………………………………………………………….. 29
4.5.2照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù) ………………………………………………………………. 30
5 機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) …………………………………………………………………………. 35
5.1 機(jī)械設(shè)計(jì)的原理和要求 ………………………………………………………… …….35
5.2 支架的作用 ……………………………………………………………………………. 36
6 CCD在線的實(shí)驗(yàn) ………………………………………………………………………… .. 37
6.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備 ……………………………………………………………………………… 37
6.2 實(shí)驗(yàn)方案………………………………………………………………………………… 37
6.3實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)……………………………………………………………………………. 38
6.4數(shù)據(jù)采集 ………………………………………………………………………………. 39
6.4.1系統(tǒng)標(biāo)定……………………………………………………………………………… 39
6.4.2影響測(cè)量的幾個(gè)因素及改進(jìn)方法…………………………………………………… 40
結(jié)論和展望……………………………………………………………………………………. 41
致謝……………………………………………………………………………………………. 43
參考文獻(xiàn)………………………………………………………………………………………. 43
附錄……………………………………………………………………………………………. 46
附錄1… ………………………………………………………………………………………. 46
46
1 緒論
1.1 課題的意義和目的
提升機(jī)是國(guó)內(nèi)外豎井煤礦生產(chǎn)的咽喉[1]。井下煤炭的輸出、生產(chǎn)人員與設(shè)備的出入井等，它是唯一的運(yùn)輸工具，因此，它的運(yùn)行狀態(tài)直接關(guān)系到人身安全和煤炭生產(chǎn)。一個(gè)罐籠一次最多可提升 150 人，他們的生命都寄托于鋼絲繩懸掛的罐籠。井上的物料和井下的礦石也無(wú)一不是用不同的提升裝備每天運(yùn)送的。但更換鋼絲繩的成本對(duì)運(yùn)行費(fèi)用影響極大。因而，保持鋼絲繩間的載荷一致，對(duì)延長(zhǎng)鋼絲繩的壽命、減輕襯墊磨損、保證設(shè)備安全運(yùn)行有著很重要的意義。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》第 399 條規(guī)定，摩擦提升裝置中任一根提升鋼絲繩的載荷與平均載荷之差不得超過(guò)±10%。一旦超過(guò)（即失衡）就潛伏下了危險(xiǎn)，如不能及時(shí)調(diào)整就可能發(fā)生重大事故。在此之前，煤礦系統(tǒng)只能按照現(xiàn)行的安全規(guī)程，定期停產(chǎn)檢查調(diào)整或者更換價(jià)格昂貴的鋼纜。這樣不僅影響正常的煤炭生產(chǎn)，又造成很大的浪費(fèi)，更重要的是不能從根本上保證提升機(jī)運(yùn)行的安全。國(guó)內(nèi)幾乎年年都發(fā)生提升機(jī)“墜井”的重大惡性事故，造成重大經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，成為煤炭生產(chǎn)中的一項(xiàng)重大技術(shù)難題。因此，要從根本上預(yù)防事故的發(fā)生，必須隨時(shí)、自動(dòng)地監(jiān)測(cè)各鋼絲繩的載荷變化狀況。但由于礦井特殊環(huán)境和煤礦生產(chǎn)條件的制約，國(guó)內(nèi)外多年來(lái)的研究成果都難以實(shí)用化，除了理論估算和預(yù)算外，沒有一個(gè)實(shí)用有效地自動(dòng)監(jiān)測(cè)手段。因此，對(duì)鋼絲繩的承載大小及各鋼絲繩之間平衡情況的掌握和監(jiān)測(cè)方法的研究，就成為實(shí)現(xiàn)煤礦安全提升很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。礦井提升過(guò)中，隨著礦井深度的增加和一次提升量的加大，由于多繩摩擦式提升設(shè)備體積小、重量輕、提升能力大、安全性能好、常用于深井等優(yōu)點(diǎn)，成為我國(guó)很多礦井生產(chǎn)中的主要提升設(shè)備。但由于多繩摩擦提升中存在各鋼絲繩張力分配不均的特殊問(wèn)題，解決不好不但影響生產(chǎn)，同時(shí)也給設(shè)備的安全運(yùn)行帶來(lái)隱患，因此對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行研究并加以解決具有現(xiàn)實(shí)意義。
1.2 CCD檢測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)和分析
CCD（Charge Coupled Devices）電荷耦合器件是20世紀(jì)70年代初發(fā)展起來(lái)的新型半導(dǎo)體集成光電器件，是由美國(guó)貝爾試驗(yàn)室的W.S.Boyle和G.E.Smith于1970年首次提出的。在經(jīng)歷了一段時(shí)間研究之后，建立了以一維勢(shì)肼模型為基礎(chǔ)的非穩(wěn)態(tài)CCD理論并逐漸完善，發(fā)展成為一種新型的固體成像器件。實(shí)際上，CCD是在大規(guī)模硅集成電路工藝基礎(chǔ)上研制而成的模擬集成電子芯片，它既具有光電轉(zhuǎn)換的功能，又具有信號(hào)電荷的存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)移和讀出的功能。而且，它具有體積小、重量輕、高靈敏度、高精度、抗震好、壽命長(zhǎng)和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。CCD從結(jié)構(gòu)上講，可分為面陣CCD和線陣CCD兩種。面陣CCD主要用于圖像記錄、儲(chǔ)存等方面；線陣CCD主要用于產(chǎn)品外部尺寸的非接觸檢測(cè)、控制和分類、產(chǎn)品表面質(zhì)量評(píng)定、自動(dòng)化及機(jī)器人視覺中的精確定位等［1］。
CCD技術(shù)在光電掃描技術(shù)、圖像處理技術(shù)和非接觸檢測(cè)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。諸如冶金部門中各種管、線、帶材軋制過(guò)程中的尺寸測(cè)量，光纖及纖維制造中的線徑尺寸測(cè)量、控制，機(jī)械產(chǎn)品尺寸測(cè)量、分類，產(chǎn)品表面質(zhì)量評(píng)定，文字與圖形識(shí)別，光譜測(cè)量以及空間測(cè)量等；它還可以應(yīng)用于數(shù)碼攝相、復(fù)印、掃描等。而以CCD技術(shù)為核心的數(shù)碼相機(jī)的發(fā)展之迅猛令人難以想象。自1991年第一架數(shù)碼相機(jī)問(wèn)世以來(lái)，數(shù)碼相機(jī)的發(fā)展可謂日新月異，其像素?cái)?shù)由原來(lái)的幾十萬(wàn)增加到幾百萬(wàn)乃至上千萬(wàn)。而應(yīng)用CCD技術(shù)的掃描儀和復(fù)印機(jī)更是現(xiàn)代辦公必不可少的設(shè)備，極大提高了工作效率。
同時(shí)，CCD不但廣泛應(yīng)用于民用范圍，也廣泛應(yīng)用于軍事工業(yè)[19][20]。CCD圖像技術(shù)可用于特定的場(chǎng)合，如偵察、探測(cè)等，借助軍用PDA（Personal Digital Assistant）的存儲(chǔ)、處理和傳輸功能來(lái)達(dá)到相應(yīng)的軍事目的。例如美國(guó)KH-11偵察衛(wèi)星，衛(wèi)星上裝有二套相機(jī)。其中一套是高分辨率CCD 可見光相機(jī), 它能提供分辨率為0.1m的圖片。而應(yīng)用于海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中使用CCD相機(jī)的SPOT衛(wèi)星，它所提供的數(shù)字圖像對(duì)作戰(zhàn)效果的提高是十分明顯的, 它使精確制導(dǎo)炸彈的單發(fā)摧毀概率由30% 提高到70%，在海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中發(fā)揮了極大作用。
近年CCD應(yīng)用技術(shù)已成為集光學(xué)、電子學(xué)、精密機(jī)械和計(jì)算機(jī)技術(shù)為一體的綜合性技術(shù)，在現(xiàn)代光子學(xué)、光電檢測(cè)技術(shù)和現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域中日趨廣泛，而該技術(shù)的應(yīng)用和研究在國(guó)內(nèi)外都發(fā)展的很快。
1.3 基于CCD技術(shù)的鋼絲繩檢測(cè)系統(tǒng)
由以上CCD特性分析可知，其用于尺寸測(cè)量是非常有效的非接觸式檢測(cè)技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于在線檢測(cè)和高精度、高速度的檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。由CCD光電傳感器、光學(xué)系統(tǒng)、單片機(jī)數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)構(gòu)成的CCD光電尺寸檢測(cè)儀器的使用范圍和優(yōu)越性，不僅是人工檢測(cè)所無(wú)法比擬的，也是現(xiàn)有機(jī)械式、光學(xué)式、電磁式測(cè)量?jī)x器都無(wú)法比擬的。近年來(lái)，利用CCD進(jìn)行非接觸檢測(cè)在國(guó)外已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，但國(guó)內(nèi)在這方面的應(yīng)用還處在研制和試用階段，而在礦用提升鋼絲繩直徑檢測(cè)方面還是個(gè)空白［1］。如果用CCD來(lái)對(duì)提升鋼絲繩直徑進(jìn)行非接觸實(shí)時(shí)在線測(cè)量，不但可以克服人工測(cè)量的缺點(diǎn)，而且還可以克服磁通檢測(cè)法和激光掃描法的缺點(diǎn)。因此，本項(xiàng)目擬研制開發(fā)CCD實(shí)時(shí)在線非接觸式線徑測(cè)量系統(tǒng)來(lái)取代原有的人工測(cè)量，對(duì)于提升設(shè)備的安全可靠運(yùn)行具有重大意義，并具有較大的社會(huì)效益和巨大的經(jīng)濟(jì)效益。
圖1-1 CCD實(shí)時(shí)在線非接觸式線徑測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
圖1-2 CCD實(shí)時(shí)在線非接觸式線徑測(cè)量系統(tǒng)原理圖
本項(xiàng)目研究的CCD實(shí)時(shí)在線非接觸式線徑測(cè)量系統(tǒng)由照明系統(tǒng)、提升鋼絲繩（被測(cè)物）、成像系統(tǒng)、CCD光電檢測(cè)系統(tǒng)和單片機(jī)處理系統(tǒng)構(gòu)成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖1-1，系統(tǒng)原理圖見圖1-2。穩(wěn)壓穩(wěn)流電源為照明系統(tǒng)提供穩(wěn)定的平行照明光，被照明的提升鋼絲繩直徑經(jīng)成像系統(tǒng)成像在線陣CCD的光敏陣列面上。由于鋼絲繩為不透明物體，鋼絲繩直徑所成的像會(huì)在CCD光敏陣列面的中間部分形成暗帶，兩側(cè)形成亮帶，暗帶的寬度就是鋼絲繩直徑所成像的大小。線陣CCD在驅(qū)動(dòng)脈沖的作用下完成光電轉(zhuǎn)換并產(chǎn)生視頻信號(hào)，將光敏面的空間寬度轉(zhuǎn)換成時(shí)間寬度信號(hào)。此視頻信號(hào)送到二值化電路中進(jìn)行二值化（即0和1）處理，產(chǎn)生二值化信號(hào)，其二值化信號(hào)波形見圖1-3。此二值化信號(hào)送到單片機(jī)系統(tǒng)中進(jìn)行處理，得到高電平寬度，此高電平寬度即對(duì)應(yīng)著鋼絲繩直徑在CCD像敏面上所成的像寬，再查標(biāo)定表和換算即可得到鋼絲繩直徑的真實(shí)寬度。
圖1-3 CCD二值化信號(hào)圖
2 鋼絲繩的選用
2.1 鋼絲繩的選用和合理參數(shù)
隨著技術(shù)發(fā)展 ,鋼絲繩的品種日益增多 ,應(yīng)用范圍越來(lái)越廣 ,要安全經(jīng)濟(jì)地使用好鋼絲繩 ,除了需要鋼絲繩制造企業(yè)努力提高質(zhì)量 、發(fā)展品種 、降低成本之外 ,設(shè)計(jì)部門和使用單位對(duì)鋼絲繩及其有關(guān)裝置合理地選擇 、正確使用以及妥善養(yǎng)護(hù)等關(guān)系甚大 ,而合理選擇則是正確使用的基礎(chǔ) 。實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐證明 :同樣工作條件下由于選擇不同品種的鋼絲繩 ,使用壽命有成倍差別 [21]。正確選擇鋼絲繩要首先在購(gòu)買鋼絲繩前確定鋼絲繩的用途 。例如用于立井提升可選用三角股鋼絲繩、線接觸鋼絲繩或多層股鋼絲繩 ;用于開鑿立井提升 ( 建井用) 可選用多層股鋼絲繩或異型股鋼絲繩 ; 用于立井罐道及索道承重可選用密封鋼絲繩 、三角股鋼絲繩 、多層股鋼絲繩或普通鋼絲繩等 。其次要明確不同用途鋼絲繩的安全系數(shù)(2～5)。鋼絲繩最小破斷拉力應(yīng)不小于鋼絲繩最大工作靜拉力與鋼絲繩最小安全系數(shù)的乘積 。最后進(jìn)行結(jié)構(gòu)與規(guī)格的選擇。
例如 ,某煤礦主井礦車提物單繩纏繞 ,鋼絲繩實(shí)際使用長(zhǎng)度 250 m ,繩端最大靜載荷 49 kN ,礦車平均運(yùn)行速度 3. 5 m/ s。選擇步驟如下 :
(1) 根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定 ,單繩纏繞式提升裝置專為升降物料的安全系數(shù)最低為 6. 5 ,則需選用的鋼絲繩破斷拉力應(yīng)不小于 318.5 kN ;
(2) 最后選擇時(shí)還需綜合考慮鋼絲繩的柔軟性 、耐疲勞性 、耐磨性 、耐擠壓性以及價(jià)格等因素 。一般常用圓股鋼絲繩柔軟性 、耐疲勞性 、耐磨性三者之間的關(guān)系見表 1 。耐擠壓性一般來(lái)說(shuō)股內(nèi)鋼絲數(shù)少相對(duì)穩(wěn)定 [21] ;
(3) 由上分析 ,本例選用 26NAT6 × + FC 167019ZS 的鋼絲繩可滿足要求 。
表2-1 圓股鋼絲繩柔軟性 、耐疲勞性 、耐磨性之間的關(guān)系
柔軟性
耐磨性
耐疲勞性
結(jié)構(gòu)
軟 (A) - 硬 ( E)
強(qiáng) (A) - 弱 ( H)
高(A) - 低( H)
6×7
E
A
H
6×19
D
C
G
6×19S
E
B
F
6×19W
D
C
E
6×25Fi
D
C
C
6×31SW
D
C
C
6×29Fi
C
D
C
6×36SW
C
D
B
6×24
C
E
G
6 ×41SW
B
F
A
6×37
B
G
G
2.2 鋼絲繩的使用
(1) 解卷
將繩盤放在專用支架上 ,也可用鋼管穿入繩盤孔 ,兩端套上繩索吊起 ,將繩盤緩緩轉(zhuǎn)動(dòng)抽出鋼絲繩 。抽取鋼絲繩的同時(shí)應(yīng)采取措施防止鋼絲繩打環(huán)、扭結(jié) 、彎折或粘上雜物 。
(2) 剪切
鋼絲繩剪切前應(yīng)在距切割處左右各 10～20 mm處分別用鐵絲扎緊 ,捆扎長(zhǎng)度為繩徑的 1～4 倍 ,再用切割工具切斷。
(3) 安裝
鋼絲繩投入使用前 ,用戶應(yīng)確保與鋼絲繩工作有關(guān)的各種裝置已安裝就緒并運(yùn)轉(zhuǎn)正常 。如果當(dāng)鋼絲繩空載時(shí)與機(jī)械的某個(gè)部位發(fā)生摩擦則應(yīng)將能接觸到的部位加以防護(hù) 。新鋼絲繩不要立即在高速 、重載下直接使用 ,而要在低速 、中載條件下運(yùn)行一段時(shí)間 ,使新繩適應(yīng)使用狀后 ,再逐步提高鋼絲繩運(yùn)行速度和加大提升載荷 ,即新鋼絲繩在進(jìn)行高速 重負(fù)荷作業(yè)前必須經(jīng)過(guò)初期磨合階段 。
(4) 使用
1.鋼絲繩和滑輪配合使用時(shí) ,必須注意防止鋼絲繩從輪槽中跳出 。如果鋼絲繩脫落了輪槽后還在繼續(xù)使用 ,鋼絲繩將會(huì)產(chǎn)生擠壓變形 、扭結(jié)、 斷絲、 斷股 ,嚴(yán)重縮短鋼絲繩使用壽命 ,如果發(fā)生斷繩現(xiàn)象 , 往往會(huì)帶來(lái)災(zāi)難性的后果 。
2.鋼絲繩在使用時(shí)不能受到強(qiáng)烈擠壓 ,以免鋼絲繩變形 ,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞而出現(xiàn)早期斷絲 、斷股甚至斷繩 ,顯著降低鋼絲繩使用壽命并危及作業(yè)安全 。
3.鋼絲繩在高速運(yùn)行時(shí)應(yīng)避免與非匹配輪槽外的其它物體發(fā)生摩擦 。因?yàn)樵诟咚偾闆r下 ,鋼絲繩與這些物體相互運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的瞬間摩擦熱 ,可導(dǎo)致鋼絲表層出現(xiàn)馬氏體組織 ,而這種組織上的變化雖然無(wú)法通過(guò)肉眼辨別 ,然而卻是引起鋼絲早期斷裂的主要原因 。
4.鋼絲繩不能過(guò)載使用 ,否則將急速加劇其被擠壓變形程度 、內(nèi)部鋼絲之間及外部鋼絲與匹配輪槽之間的磨損程度 ,對(duì)作業(yè)安全性帶來(lái)嚴(yán)重危害 ,同時(shí)縮短滑輪使用壽命 。
5.鋼絲繩使用過(guò)程中 ,如果運(yùn)行速度頻繁發(fā)生急劇變化 ,將造成沖擊載荷 。每次沖擊雖然只是瞬間加載 ,但隱含著極大的危害性 。沖擊負(fù)荷超過(guò)鋼絲繩允許使用工作應(yīng)力時(shí)就會(huì)產(chǎn)生斷繩現(xiàn)象 。即使沖擊載荷不一定導(dǎo)致鋼絲繩斷裂 ,但多次沖擊 ,將會(huì)嚴(yán)重縮短鋼絲繩的使用壽命 。對(duì)于已經(jīng)使用了一段時(shí)間的鋼絲繩 ,與新繩相比 ,由于伸縮性較小 ,耐沖擊性會(huì)更低
6.運(yùn)轉(zhuǎn)速度越低 ,鋼絲繩的損傷越少 。隨著運(yùn)轉(zhuǎn)速度的加快 ,鋼絲繩的損傷相應(yīng)增加 。為此 ,應(yīng)避免在運(yùn)行中速度急劇變化 ,避免突然 、劇烈加載以及猛烈地剎車 ,這樣可以減少鋼絲繩的損傷 。鋼絲繩在中等運(yùn)轉(zhuǎn)速度最大負(fù)荷下工作與在高速運(yùn)轉(zhuǎn)中等負(fù)荷下工作相比 ,前者的使用壽命要長(zhǎng)得多 。
7.鋼絲繩在使用中應(yīng)做到不沾水 ,不在積水和潮濕的沙土中穿過(guò) ,應(yīng)盡可能地在干燥的環(huán)境下使用 。在容易生銹的條件下推薦使用鍍鋅鋼絲繩 。
2.3鋼絲繩養(yǎng)護(hù)與報(bào)廢
(1)油垢的清除 。鋼絲繩表面的油脂 ,經(jīng)過(guò)一定時(shí)間使用 ,由于落入各種粉塵和其它雜質(zhì)而逐硬化失效形成油垢 。油垢不僅阻礙新油脂和鋼絲繩表面接觸 ,而且在鋼絲繩磨損時(shí)起到磨料作用 ,加速了鋼絲之間的磨損 ［21］［22］。油垢如果龜裂還會(huì)起到吸水作用 ,容易造成鋼絲銹蝕 。如果沒有將油垢及時(shí)清除就在上面涂油 ,則不能很好地和鋼絲結(jié)合 ,所以涂油前應(yīng)先設(shè)法將油垢清除。
(2)鋼絲繩的潤(rùn)滑 。鋼絲繩在制造時(shí)雖已涂了足夠的油脂 ,但國(guó)內(nèi)常用的鋼絲繩表面脂滴點(diǎn)低 ,附著力差 ,經(jīng)運(yùn)行后 ,油脂會(huì)逐漸減少 ,且鋼絲繩表面會(huì)沾有塵埃 、碎屑等污物 ,易引起鋼絲繩及繩輪的磨損和鋼絲繩生銹 ,影響鋼絲繩的使用壽命 ,應(yīng)定期對(duì)鋼絲繩進(jìn)行清洗和加油 ,特別是那些繞過(guò)滑輪時(shí)經(jīng)受彎曲的部位 。缺乏維護(hù)是鋼絲繩壽命短的主要原因之一 ,特別是在腐蝕性環(huán)境中工作以及在不能潤(rùn)滑的情況下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)更是如此 。
(3)檢查記錄 。使用鋼絲繩必須定期檢查并做好記錄 ,定期檢查的內(nèi)容除了上述的清洗加油外 ,還應(yīng)檢查鋼絲繩磨損程度 、斷絲情況 、腐蝕程度等。
鋼絲繩的報(bào)廢在鋼絲繩使用過(guò)程中 ,為確保使用安全 ,一旦發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象必須及時(shí)調(diào)整或更換 ( 詳細(xì)規(guī)定可見相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)) 。異?，F(xiàn)象包括 : (a) 鋼絲繩有超過(guò)規(guī)定的斷絲根數(shù) ; (b) 鋼絲繩繩股斷裂 ; (c) 由于繩芯損壞而引起的繩徑減小 ; (d) 鋼絲繩彈性減小 ; (e) 鋼絲繩的鋼絲磨損嚴(yán)重 ; (f) 鋼絲繩的鋼絲腐蝕嚴(yán)重 ; (g) 鋼絲繩變形 ; (h) 由于熱或電弧作用引起的損壞。使用單位應(yīng)嚴(yán)格按照要求做好維護(hù)保養(yǎng)工作并做好檢查記錄 ,遇有異常情況要及時(shí)處理 ,必要時(shí)需報(bào)廢更換 ,如不及時(shí)處理就可能造成嚴(yán)重后果 。
2.4 鋼絲繩的直徑計(jì)算
礦井提升鋼絲繩是礦井提升系統(tǒng)的重要組成部份 ,對(duì)安全生產(chǎn)起著非常重要的作用 。根據(jù)礦井條件選定了鋼絲繩的結(jié)構(gòu)之后 ,就需要通過(guò)計(jì)算來(lái)確定鋼絲繩的公稱直徑 。
1 鋼絲繩直徑計(jì)算的理論依據(jù)
關(guān)于鋼絲繩的強(qiáng)度計(jì)算理論 ,國(guó)內(nèi)外都作了大量的研究工作 ,取得了一些成績(jī) ,但由于鋼絲繩的結(jié)構(gòu)復(fù)雜 ,受力復(fù)雜 ,再加上磨損 、銹蝕、 環(huán)境等影響因素較多 ,尚未完善地用于工程計(jì)算 。因此 , 鋼絲繩的強(qiáng)度計(jì)算 ,至今仍按《煤礦安全規(guī)程》的規(guī)定 :根據(jù)其工作中所承受的最大靜拉力和鋼絲繩中鋼絲最小破斷拉力總和來(lái)計(jì)算 ,使它具有一定的安全系數(shù) 。其強(qiáng)度條件可寫為 :
Q 式（2.1）
式中 Q j —— 鋼絲繩工作中所承受的 ) 最大靜拉力 ,N ;
Fh ——鋼絲繩中鋼絲最小破斷拉力總和N;
b —— 鋼絲繩的安全系數(shù) 。式 (2.1 )中的 Fh / b 就是鋼絲繩的許用力 。安全系數(shù) b 的值應(yīng)滿足《煤礦安全規(guī)程》的要求 。關(guān)于安全系數(shù)需要指出的是 ,由于提升鋼絲繩的工作應(yīng)力非常復(fù)雜 ,影響鋼絲繩使用壽命的因素又很多 ,所以《煤礦安全規(guī)程》中的安全系數(shù)并不代表鋼絲繩的真正強(qiáng)度安全儲(chǔ)備值 ;而僅僅表示經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期實(shí)踐證明 ,在規(guī)定的安全系數(shù)條件下 ,鋼絲繩才能安全可靠地運(yùn)行 。式 (2.1) 并不能直接進(jìn)行繩徑的計(jì)算 ,因?yàn)樽畲箪o拉力不僅與繩端的荷重 ( 提升容器 、人、物及連接裝置等的質(zhì)量) 有關(guān) ,而且與鋼絲繩自身的質(zhì)量有關(guān) 。計(jì)算之前鋼絲繩的質(zhì)量還是個(gè)未知數(shù) ,所以必須從另外的角度來(lái)考慮 。
圖2-1 立井提升鋼絲繩計(jì)算示意圖
這時(shí)在鋼絲繩上部截面 A 處承受著的最大靜拉力為 :
Q j = ( mL + Q 0 ) ?g 式(2.2)
式中 Q i —— 鋼絲繩在 A 處受的最大靜拉力 , N;
Q 0 ——鋼絲繩終端載荷質(zhì)量 , kg ;
m —— 每百米長(zhǎng)鋼絲繩質(zhì)量 , kg/ m ;
L —— 鋼絲繩的懸垂長(zhǎng)度 , hm ;
g —— 重力加速度 ,9. 8 m/ s2 。
由 GB/ T8918 第 4. 3. 1 條知
m = Kd 式(2.3)
式中 d —— 鋼絲繩的公稱直徑 , mm ;
K —— 鋼絲繩的質(zhì)量系數(shù) , kg/ hm? 2mm( K 值見 GB/ T8919 表 5) 。
將 (2.3) 式代入 (2.2) 式得
Q j = ( Kd + Q 0 ) ?Lg 式(2.4)
根據(jù) GB8706 - 88 鋼絲繩術(shù)語(yǔ)》15.2.1條《第和 GB/ T8918 第 5.3.1條 ,鋼絲繩最小破斷拉力 ( 理論計(jì)算的鋼絲繩破斷拉力最小值) 的計(jì)算公式為:
F0 = K′d ?R?2 R 式(2.5)
式中 F0 ———鋼絲繩最小破斷拉力 , N ;
d ———鋼絲繩公稱直徑 , mm ;
R ———鋼絲繩公稱抗拉強(qiáng)度 , M Pa ;
K′———某一指定結(jié)構(gòu)鋼絲繩的最小破斷拉力系統(tǒng)( K′見 GB/ T8918 表值5) 。
根據(jù) GB/ T8918 第 5.3.2條 ,鋼絲繩中鋼絲最小破斷拉力總和( GB8706 - 88 第15. 2.3 條稱為鋼絲計(jì)算破斷拉力總和)可用下式表達(dá) ,即
F = K? RF 式(2.6)
式中K —( 破斷拉力)換算系數(shù)(該符號(hào)—是自己設(shè)定的,其值見GB/T8918 表 14 ～ 表31下注)。將(2.5)式代入(2.6)式得
Fh = Kh?K′d ?R?2 R 式(2.7)
將(2.4)式和(2.7)式代入(2.1)式得
Kh ?Kd ?R?2R( Kd ? + Q 0 ) ? ≤Lg, b
Kh ?Kd ?R?2 R2Kd+ Q 0 ? ≤Lgg b
Kh ?K d 2 ?R?R得：
d 式（2.8）
礦井鋼絲繩的計(jì)算及選擇
已知條件 ： 主井井深 450m 箕斗容量 8噸
計(jì)算鋼絲繩每米的重量P
p= 式（2.9）
Q ——— 一次提升量，Q=8噸；
Q———8噸箕斗的自重，由表1-3查得Q=5500kg《礦井提升設(shè)備》
——— 鋼絲繩鋼絲的極限抗拉強(qiáng)度，取=
m——— 安全系數(shù)，《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，主井箕斗提升m取m=6.5s
Hc ———鋼絲繩最大懸垂長(zhǎng)度 Hc=Hs+H+H=450+32+18=500m式中
H———井架高度 , 暫取32m
P= 式（2.10）
選擇標(biāo)準(zhǔn)鋼絲繩 （查表1-2）
由于提升的量不是的太大且井的深度不是太深，可考慮選用普通的鋼絲繩圓股繩6型鋼絲繩 普通圓形股6（19）型新鋼絲繩的主要規(guī)格是：
鋼絲繩直徑d=40mm 鋼絲直徑
鋼絲繩每米重量p=5.717 鋼絲繩鋼絲的極限抗拉強(qiáng)度 全部鋼絲繩斷裂力之和Q=102500
以上數(shù)據(jù)由鋼絲繩規(guī)格表中選取
現(xiàn)驗(yàn)算 m= =
由于實(shí)際的安全系數(shù)大于6.5上述的鋼絲繩不可以，可取
p ==
m 故可以
鋼絲繩直徑d=40mm; 鋼絲直徑；鋼絲每米重：5.717
鋼絲繩公稱抗拉強(qiáng)度:
故按照《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定 由于實(shí)際安全系數(shù)大于6.5上述鋼絲繩可用故選用6（19）型鋼絲繩
。
3 CCD工作原理及選用
CCD 的突出特點(diǎn)是以電荷作為信號(hào),而不同于其他大多數(shù)器件是以電流或電壓為信號(hào)。CCD的基本功能是電荷的存儲(chǔ)和電荷的轉(zhuǎn)移 ,它的工作過(guò)程中的主要問(wèn)題是信號(hào)電荷產(chǎn)生存儲(chǔ)、傳輸和檢測(cè)。CCD 有兩種基本類型: 一是電荷包存儲(chǔ)在半導(dǎo)體與絕緣層之間的界面, 并沿界面?zhèn)鬏斶@類器件稱為表面溝道 CCD, 簡(jiǎn)稱 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)體體內(nèi)沿一定方向傳輸， 這類器件稱為體溝道或埋溝道器件，簡(jiǎn)稱 BCCD 。我以 SCCD 為例來(lái)說(shuō)明 CCD 工作原理 ?！?
3.1 電荷存儲(chǔ)
對(duì)于 SCCD 構(gòu)成 CCD 的基本單元是 MOS 金屬-氧化物-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)如圖 3-1(a),所在柵極施加正偏壓 UG 之前 p 型半導(dǎo)體中空穴多數(shù)載流子的分布是勻的,當(dāng)柵極施加正偏壓 UG ,此時(shí) UG 小于p 型半導(dǎo)體的閾值電壓 Uth 后,空穴被排斥產(chǎn)生耗盡區(qū).如圖 3-1(b)所示,偏壓繼續(xù)增加,耗盡區(qū)將進(jìn)一步向半導(dǎo)體內(nèi)延伸,當(dāng) UG>Uth 時(shí),半導(dǎo)體與絕緣體界面上的電勢(shì)常稱為表面勢(shì),用ФS 表示.變得如此之高以致于將半導(dǎo)體內(nèi)的電子少數(shù)載流子吸引到表面形成一層極薄的10-2μ m ,但電荷濃度很高的反型層 ,如圖 3-1(c)所示 ,反型層電荷的存在表明了, MOS 結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)電荷的功能 ,然而 ,當(dāng)柵極電壓由零突變到高于閾值電壓時(shí), 輕摻雜半導(dǎo)體中的少數(shù)載流子很少 .不能立即建立反型層在不存在反型層的情況下, 耗盡區(qū)將進(jìn)一步向體內(nèi)延伸, 而且柵極和襯底之間的絕大部分電壓降落在耗盡區(qū)上,如果隨后可以獲得少數(shù)載流子時(shí),那么耗盡區(qū)將收縮表面勢(shì)下降 ,氧化層上的電壓增加.當(dāng)提供足夠的少數(shù)載流子時(shí),表面勢(shì)可降低到半導(dǎo)體材料費(fèi)密能級(jí)ФF的兩倍例如: 對(duì)于摻雜為 1015cm-3 的 p型半導(dǎo)體費(fèi)密能級(jí)為 0.3V 耗盡區(qū)收縮到最小時(shí) ,表面勢(shì)ФS 下降到最低值 0.6V ,其余電壓降在氧化層上表面勢(shì)ФS 隨反型層電荷濃度 QINV 柵極電壓 UG 的變化而變化 ,當(dāng)摻雜一定時(shí) ,對(duì)于氧化層的不同厚度在不存在反型層電荷時(shí),表面勢(shì)ФS與柵極電壓UG的關(guān)系曲線以及表面勢(shì)ФS與反型層電荷密度的關(guān)系曲線直線性好說(shuō)明表面勢(shì)ФS與反型層電荷濃度QINV有著比例線性.
圖 3-1單個(gè) CCD 柵極電壓變化對(duì)耗盡區(qū)的影響
關(guān)系，這種線性關(guān)系很容易用半導(dǎo)體物理中的勢(shì)阱概念描述，電子是因?yàn)槟抢锏膭?shì)能最低 在沒有反型層電荷時(shí)，勢(shì)阱的深度與柵極電壓UG的關(guān)系恰如ФS與UG 的線性關(guān)系 。如圖 3-2(a)空勢(shì)阱的情況，圖3-2(b)為反型層電荷填充 1/3 勢(shì)阱時(shí)，表面勢(shì)收縮當(dāng)反型層電荷足夠多使勢(shì)阱被填滿時(shí)ФS 降到 2ФF，此時(shí)表面勢(shì)不再束縛多余的電子電子將產(chǎn)生溢出現(xiàn)象，這樣表面勢(shì)可作為勢(shì)阱深度的度量， 而表面勢(shì)又與柵極電壓 UG 氧化層的厚度dOX有關(guān)。即與MOS電容容量，COX 與UG 的乘積有關(guān)。
圖 3-2 勢(shì)阱
3.1.1 電荷耦合
觀察圖3-3中的CCD中四個(gè)彼此靠得很近的電極將有助于理解CCD中勢(shì)阱及電荷如何從一個(gè)位置遷移到另一個(gè)位置假定開始時(shí)有一些電荷存儲(chǔ)在偏壓為 10V 的第一個(gè)電極下面的深勢(shì)阱里 其他電極上均加有大于閾值的較低電壓例如 2V ,設(shè)圖 3-3(a)為零時(shí)刻 初始時(shí)刻 經(jīng)過(guò) t1 時(shí)刻后 各電極上的電壓變?yōu)閳D 3-3(b)所示 第一個(gè)電極仍保持為10V 第二個(gè)電極上的電壓由 2V 變?yōu)?10V 因?yàn)檫@兩個(gè)電極靠得很緊 間隔只有幾微米 他們各自的對(duì)應(yīng)勢(shì)阱將合并在一起 原來(lái)在第一個(gè)電極下的電荷變?yōu)檫@兩個(gè)電極下勢(shì)阱所共有 如圖 3-3(b)和(c)所示 若此后電極上的電壓變?yōu)閳D 3-3(d)所示 第一個(gè)電極電壓由 10V 變?yōu)?2V 第二個(gè)電極電壓仍為 10V,則共有的電荷轉(zhuǎn)移到第二個(gè)電極下面的勢(shì)阱中如圖 3-3(e)所示，由此可見，深勢(shì)阱及電荷包向右移動(dòng)了一個(gè)位置，通過(guò)將一定規(guī)則變化的電壓加到 CCD各電極上 電極下的電荷包就能沿半導(dǎo)體表面按一定方向移動(dòng)。通常把 CCD 電分為幾組， 每一組稱為一相并施加同樣的時(shí)鐘脈沖，CCD的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定了使其正常工作所需要的相數(shù)，圖3-3所示的結(jié)構(gòu)需要三相時(shí)鐘脈沖，其波形圖如圖3-3f 所示這樣的CCD稱為三相CCD，三相CCD的電荷耦合傳輸方式必須在三相交疊脈沖的作用下，才能以一定的方向逐單元地轉(zhuǎn)移。另外必須強(qiáng)調(diào)指出 CCD電極間隙必須很小，電荷才能不受阻礙地從一個(gè)電極下轉(zhuǎn)移到相鄰電極下,這對(duì)圖 3-3 所示的電極結(jié)構(gòu)是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。如果電極間隙比較大 兩相鄰電極間的勢(shì)阱將被勢(shì)壘隔開不能合并,電荷也不能從一個(gè)電極向另一個(gè)電極完全轉(zhuǎn)移 CCD 便不能在外部脈沖作用下正常工作， 能夠產(chǎn)生完全耦合條件的最大間隙一般由具體電極結(jié)構(gòu)，表面態(tài)密度等因素決定理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)證實(shí),為了不使電極間隙下方界面
圖 3-3 三相 CCD 中電荷的轉(zhuǎn)移過(guò)程
處出現(xiàn)阻礙電荷轉(zhuǎn)移的勢(shì)壘 間隙的長(zhǎng)度應(yīng)小于3μm 這大致是同樣條件下半導(dǎo)體表面深耗盡區(qū)寬度的尺寸，當(dāng)然如果氧化層厚度 表面態(tài)密度不同 結(jié)果也會(huì)不同 但對(duì)絕大多數(shù)CCD1μm 的間隙長(zhǎng)度是足夠小的以電子為信號(hào)的CCD稱為 n 型溝道CCD簡(jiǎn)稱為 n 型CCD而以空穴為信號(hào)電荷的CCD稱為 p 型溝道，CCD簡(jiǎn)稱為 p 型CCD由于電子的遷移率 單位場(chǎng)強(qiáng)下的運(yùn)動(dòng)速度 遠(yuǎn)大于空穴的遷移率， 因此 n 型 CCD 比 p型CCD的工作頻率高得多。
3.2電荷的注入和檢測(cè)
3.2.1電荷的注入
在 CCD 中， 電荷注入的方法有很多歸納起來(lái)， 可分為光注入和電注入兩類。 在 CCD 實(shí)時(shí)在線非接觸式線徑測(cè)量系統(tǒng)中，我使用的 CCD 器件是 TCD1206SUP,CCD 器件的電荷注入方式是光注入 ?！?
當(dāng)光照射到CCD 硅片上時(shí)， 在柵極附近的半導(dǎo)體體內(nèi)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)其多數(shù)載流子被柵極電壓排開， 少數(shù)載流子則被收集在勢(shì)阱中形成信號(hào)電荷光注入電荷。
QIP=η q Δneo ATC 式（3.1）
式中 : ——— 為材料的量子效率；
q ———為電子點(diǎn)荷量；
neo ———為入射光的光子流速率 ；
A ———為光敏單元的受光面積；
TC ———為光注入時(shí)間 ?！?
由式(3.1)可以看出 ,當(dāng) CCD 確定以后 q 及 A 均為常數(shù), 注入到勢(shì)阱中的信號(hào)電荷 QIP與入射光子流速率Δneo 及注入時(shí)間 TC成正比 .注入時(shí)間 TC 由 CCD 驅(qū)動(dòng)器的轉(zhuǎn)移脈沖的周期 TSH 決定 ,當(dāng)所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器能夠保證其注入時(shí)間穩(wěn)定不變時(shí) ,注入到 CCD 勢(shì)阱中的信號(hào)電荷只與入射輻射光子流速率Δneo 成正比 .
3.2.2 電荷的檢測(cè) (輸出方式)
在 CCD 中 ,有效地收集和檢測(cè)電荷是一個(gè)重要問(wèn)題. CCD 的重要特性之一是信號(hào)電荷在轉(zhuǎn)移過(guò)程中與時(shí)鐘脈沖沒有任何電容耦合 ,而在輸出端則不可避免.因此 ,選擇適當(dāng)?shù)妮敵鲭娐房梢员M可能的減小時(shí)鐘脈沖容性地饋入輸出電路的程度. 目前 CCD 的輸出方式有電流輸出、浮置擴(kuò)散放大器輸出和浮置柵放大器輸出。我所選用的 CCD 器件是 TCD1206SUP,它的電荷檢測(cè)方式是電流輸出 ，電流輸出如圖 3-4 所示 ，當(dāng)信號(hào)電荷在轉(zhuǎn)移脈沖的驅(qū)動(dòng)下向右轉(zhuǎn)移到末極電極 ，圖3-4 中Ф2電極下的勢(shì)阱中后，Ф2 電極上的電壓由高變低時(shí)，由于勢(shì)阱提高，信號(hào)電荷將通過(guò)輸出柵， 加有恒定的電壓下的勢(shì)阱進(jìn)入反向偏置的二極管。圖中（ n+區(qū)）。由UD 、電阻 R、襯底 p 和 n+區(qū)構(gòu)成的反向偏置二極管相當(dāng)于無(wú)限深的勢(shì)阱進(jìn)入。，到反向偏置的二極管中的電荷， 將產(chǎn)生輸出電流 ID，且 ID 的大小與注入到二極管中的信號(hào)電荷量成正比，而與電阻 R 成反比 。電阻 R 是制作在 CCD 內(nèi)的電阻 ，阻值是常數(shù)。所以輸出電流 ID 與注入到二極管中的電荷量成線性關(guān)系 。由于 ID 的存在， 使得 A 點(diǎn)的電位發(fā)生變化。ID 增大，A 點(diǎn)電位降低。所以可以用 A 點(diǎn)的電位來(lái)檢測(cè)二極管的輸出電流 ID，用隔直電容將A 點(diǎn)的電位變化取出， 再通過(guò)放大器輸出 。圖 3-4 中的場(chǎng)效應(yīng)管 。TR為復(fù)位管它的主要作用是將一個(gè)讀出周期內(nèi)輸出。二極管沒有來(lái)得及輸出的信號(hào)電荷通過(guò)復(fù)位場(chǎng)效應(yīng)輸出 。因?yàn)樵趶?fù)位場(chǎng)效應(yīng)管復(fù)位柵為正脈沖時(shí)復(fù)位場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通，它的動(dòng)態(tài)電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于偏置電阻R使二極管中的剩余電荷被迅速抽走，使 A 點(diǎn)的電位恢復(fù)到起始的高電平。
圖3-4電荷的輸出
3.2.3 CCD 的特性參數(shù)
轉(zhuǎn)移效率和轉(zhuǎn)移損失率 ：
電荷轉(zhuǎn)移效率是表征 CCD 性能好壞的重要參數(shù)。一次轉(zhuǎn)移后到達(dá)下一個(gè)勢(shì)阱中的電荷與原來(lái)勢(shì)阱中的電荷之比稱為轉(zhuǎn)移效率。如在 t=0 時(shí),注入到某電極下的電荷為 Q(0)； 在時(shí)間 t 時(shí) ,大多數(shù)電荷在電場(chǎng)作用下向下一個(gè)電極轉(zhuǎn)移，但總有一小部分電荷由于某種原因留在該電極下。若被留下來(lái)的電荷為 Q(t)，則轉(zhuǎn)移效率為
η=[Q(0)-Q(t)]/Q(0)=1-Q(t)/Q(0) 式（3.2）
如果轉(zhuǎn)移損失率定義為
ε=Q(t)/Q(0) 式（3.3）
則轉(zhuǎn)移效率和轉(zhuǎn)移損失率的關(guān)系為
η=1-ε 式（3.4）
理想情況下η應(yīng)等于1 ，但實(shí)際上電荷在轉(zhuǎn)移過(guò)程中有損失， 所以 η總小于 1 的(常為 0.9999 以上) 。一個(gè)電荷為 Q(0)的電荷包， 經(jīng)過(guò) n 次轉(zhuǎn)移后， 所剩下的電荷為
Q(n)=Q(0)ηn 式（3.5）
這樣 ，n 次轉(zhuǎn)移前后電荷量之間的關(guān)系為
Q(n)/Q(0)=e-nε 式（3.6）
如果 =0.99 ，經(jīng) 24次轉(zhuǎn)移后等于78%而經(jīng)過(guò)192次轉(zhuǎn)移后，等于14%。由此可見，提高轉(zhuǎn)移效率η是電荷耦合器件能否實(shí)用的關(guān)鍵 。我所選用的 CCD 器件是 TCD1206SUP,它的轉(zhuǎn)移效率η 是 92% ?！?
工作頻率 f
CCD 器件有工作頻率下限和工作頻率上限。
為了避免由于熱產(chǎn)生的少數(shù)載流子對(duì)注入信號(hào)的干擾 ，注入電荷從一個(gè)電極轉(zhuǎn)移到另一個(gè)電極所用的時(shí)間 t 必須小于少數(shù)載流子的平均壽命τ。 即：
t<τ 式（3.7）
在正常工作條件下 對(duì)于三相 CCD
t=T/3=1/3(f<τ) 式（3.8）
故
f>1/3τ 式（3.9）
可見 ，工作頻率下限與少數(shù)載流子的壽命有關(guān) 。
而當(dāng)工作頻率升高時(shí)， 若電荷本身從一個(gè)電極轉(zhuǎn)移到另一個(gè)電極所需要的時(shí)間t 大于驅(qū)動(dòng)脈沖使其轉(zhuǎn)移的時(shí)間 T/3 ，那么， 信號(hào)電荷跟不上驅(qū)動(dòng)脈沖的變化， 將會(huì)使轉(zhuǎn)移效率大大下降， 為此， 要求 t≤T/3， 即?。?
f≤1/3t 式（3.10）
這就是電荷自身的轉(zhuǎn)移時(shí)間對(duì)驅(qū)動(dòng)脈沖頻率上限的限制我所選用的 CCD 器件是 TCD1206SUP,它的工作頻率的上限是 2MHz,典型值是 1MHz 。
3.3 CCD 選型
該系統(tǒng)要求的測(cè)量范圍為15-45mm，測(cè)量精度和相對(duì)精度要求較高，所以，應(yīng)該選擇1000像元以上的線陣CCD才可以滿足本測(cè)量系統(tǒng)的精度要求，而線陣CCD芯片TCD1206SUP 滿足以上要求，所以，本系統(tǒng)選擇TCD1206SUP型線陣CCD它的有效像元數(shù)為2160像元，尺寸為0.014 0×014mm ，像元中心距為0.014mm，足以滿足本測(cè)量系統(tǒng)的要求：
該器件的主要技術(shù)指標(biāo) ：
像敏單元數(shù)2160 像元總長(zhǎng)為30.24mm
像元中心距 14μm 驅(qū)動(dòng)頻率1MHz
行周期 2.5ms 靈敏度 45V/lx.s
在 1MHz 數(shù)據(jù)率情況下工作時(shí)， 有效像元輸出時(shí)間為 2.3ms,鋼絲繩直徑信號(hào)產(chǎn)生于 2.3ms 期間 ，輸出信號(hào)的暗電平可控制在 1.0V 左右,而高電平可接近 10V 相差比較大 當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)調(diào)整得比較好時(shí) ，圖像邊緣的信號(hào)比較陡 ，測(cè)量誤差較小 ?！ ?
3.4 CCD 工作原理
TCD1206SUP 在圖 3-5 所示的驅(qū)動(dòng)脈沖作用下工作。
圖 3-5 TCD1206SUP 驅(qū)動(dòng)脈沖波形圖
當(dāng)ФSH 脈沖的高電平到來(lái)時(shí) ，正值Ф1 電極下均形成深勢(shì)阱 ，同時(shí)ФSH的高電平使Ф1 電極下的深勢(shì)阱與 MOS 電容存儲(chǔ)勢(shì)阱溝通。
如圖 3-6 所示 ，MOS 電容中的信號(hào)電荷包通過(guò)轉(zhuǎn)移柵轉(zhuǎn)移到模擬移位寄存器的Ф1 電極下的勢(shì)阱中。 當(dāng)ФSH 由高變低時(shí) ФSH 低電平形成的淺勢(shì)阱將存儲(chǔ)柵下勢(shì)阱與Ф1 電極下的勢(shì)阱隔離開。存儲(chǔ)柵勢(shì)阱進(jìn)入光積分狀態(tài) ，而模擬移位寄存器將在Ф1 與Ф2 脈沖的作用下驅(qū)使轉(zhuǎn)移到Ф1 電極下勢(shì)阱中的信號(hào)電荷向左轉(zhuǎn)移 ，并經(jīng)輸出電路由 OS 電極輸出。由于結(jié)構(gòu)上的安排，OS端首先輸出13個(gè)虛設(shè)單元信號(hào)，再輸出 51個(gè)暗信號(hào)，然后才連續(xù)輸出 S1 到 S2160的有效像素單元信號(hào)。第 S2160信號(hào)輸出后，又輸出9個(gè)暗信號(hào)，再輸出2個(gè)奇偶檢測(cè)信號(hào)，以后便是空驅(qū)動(dòng)。空驅(qū)動(dòng)數(shù)目可以是任意的。由于該器件是兩列并行分奇、偶傳輸?shù)?，所以在一個(gè)ФSH周期內(nèi)至少要有1118個(gè)Ф1 脈沖，即TSH>1118T1ФR為復(fù)位級(jí)的復(fù)位脈沖，復(fù)位一次輸出一個(gè)信號(hào)?！?
圖 3-6 光生電荷向Ф1 電極下勢(shì)阱轉(zhuǎn)移
4 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
4.1光學(xué)成像的基本計(jì)算公式
在光電光學(xué)系統(tǒng)中，光學(xué)系統(tǒng)的作用是把物體或待處理的圖像成像(或投影) 到光電器件 (如 CCD 器件)上，因此，在確定系統(tǒng)原理方案時(shí)，首先要進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)的外形尺寸計(jì)算 。而光學(xué)系統(tǒng)的外形尺寸計(jì)算是根據(jù)理想光學(xué)系統(tǒng)的有關(guān)公式進(jìn)行的。
4.1.1