高速CCD摄像系统及其应用_王军波
高速公路高清视频监控的应用
平和服务水平 。总之 ，基于智能检测的管理系统可以成为一个辅
助决 策 系 统 ，为路 段 的综 合 管理 提 供技 术上 的 支持 和科 学 的 、数 据 的准备 。
的数字处理技术很难支撑得起这样大带宽的多路交换处理。
高 速公 路 视 频 监 控 “ 高 清 ”是 没有 可 能 也 没 有 必 要 的 。 全 要 保证 高 清视 觉 效果 ，全 数 字化 高清 视频 码 流存 储流 和 浏 览流之 和 是标 清 的 ４ 之多 ，也就 是 说 ｌ 清监 控 用摄 像机 在通 信 上 的 倍 台高
频源数量庞大 ，网络结构越来越复杂 ，依靠人工来实时监测的难
度越 来越 大 。
是采集、显示系统的简单升级，便会走上在标清视频监控系统
设 过 程 中一 度 存在 的低 智 能化 的 错误 路 线 。在 总结 了高 速公 路 视 频 监 控 系统 建 设 的经验 基 础上 ，本文 提 出的 解 决方 案支 持提 高 前 端 智 能 化 ，将 每个 高清 摄 像机 定 义 为一 个具 有 图像 采集 、分析 处 理 、网络 通 信 的智 能视 频 单兵 ，在 遇 到场 景 、异 常 行为 出现 时 ， 高 清 智 能前 端发 出 相应 的 报警 并 支持 异 常状 态模 式 提高 解析 度 录 像 ，是高 清视 频监 控和 智 能监 控结 合 的路线 。 （ ）高 清智 能前 端应 支 持 以下针 对道 路 、车 辆 、气 象环 境 一 等 检 测数 据 ：进入 区 域检 测 、 离 开 区域 检测 、区域 内物体 遗 留 、 速 度 异常 、行 人检 测 。 （ ） 通数 据监 测 ，在 智能 化高 清 前端 的辅 助 下 ，系统 应 二 交 提 供 以 下交 通 数据 ：平 均 车流 量 统计 、平均 车 速统 计 、车 道 占有 率统 计 。 （ ） 统 计运 营 管 理 ，系 统 应 提供 丰 富 的短 期 分 析报 表 模 三 板 ，为 路段 日常运 营 管理 作 出技 术上 的 支持 。管理 系统 对 各种 检 测可 以打 印检 测 内容 、统 计生 成报 表 。 系 统提 供 中 、长期 分 析报 表模 型 ，支 持数 据 分类 、统 计 生成 月 或年 报表 ，为高 速公 路 长 期运 行积 累 数据 打 造平 台 ，利 于高 速 公 路 长 期 运营 分析 并 改善 路段 运 营 状况 、提 高 路段 管理 、维护 水
ccd技术的原理与应用及高清摄像机CCD技术（2017年12月14日）
ccd技术的原理与应用及高清摄像机CCD技术（2017年12月14日）CCD，英文全称：Charge-coupled Device，中文全称：电荷耦合元件。
可以称为CCD图像传感器，也叫图像控制器。
CCD是一种半导体器件，能够把光学影像转化为电信号。
CCD上植入的微小光敏物质称作像素（Pixel）。
一块CCD上包含的像素数越多，其提供的画面分辨率也就越高。
CCD的作用就像胶片一样，但它是把光信号转换成电荷信号。
CCD上有许多排列整齐的光电二极管，能感应光线，并将光信号转变成电信号，经外部采样放大及模数转换电路转换成数字图像信号。
CCD图像传感器可直接将光学信号转换为模拟电流信号，电流信号经过放大和模数转换，实现图像的获取、存储、传输、处理和复现。
其显著特点是：1.体积小重量轻；2.功耗小，工作电压低，抗冲击与震动，性能稳定，寿命长；3.灵敏度高，噪声低，动态范围大；4.响应速度快，有自扫描功能，图像畸变小，无残像；5.应用超大规模集成电路工艺技术生产，像素集成度高，尺寸精确，商品化生产成本低。
因此，许多采用光学方法测量外径的仪器，把CCD器件作为光电接收器。
CCD从功能上可分为线阵CCD和面阵CCD两大类。
线阵CCD通常将CCD内部电极分成数组，每组称为一相，并施加同样的时钟脉冲。
所需相数由CCD芯片内部结构决定，结构相异的CCD可满足不同场合的使用要求。
线阵CCD有单沟道和双沟道之分，其光敏区是MOS 电容或光敏二极管结构，生产工艺相对较简单。
它由光敏区阵列与移位寄存器扫描电路组成，特点是处理信息速度快，外围电路简单，易实现实时控制，但获取信息量小，不能处理复杂的图像（线阵CCD如右图所示）。
面阵CCD的结构要复杂得多，它由很多光敏区排列成一个方阵，并以一定的形式连接成一个器件，获取信息量大，能处理复杂的图像。
CCD工作原理CCD的特点1、高解析度（HighResoluTIon）：像点的大小为μm级，可感测及识别精细物体，提高影像品质。
全波段CCD系统在影像判读技术方面的应用分析
２ 影像提取 及分析
２１ 实验 平台介绍 ． 基 于 Ｃ Ｄ系统 的激光扫描尺 寸或图像测量 实验装置如 Ｃ 图Ｉ 所示 。该装置采用的三维激光扫描 技术 ，克服 了传统视
觉机器把三维景物投影成二维 图像 ，造成重构三 维景物不 唯
微弱 的痕迹 图像 ，可 以很好的显示其特征。全波段 Ｃ Ｄ系统 Ｃ
【 稿 日期 】２ １ － １ １ 收 ０２０－６
图 １ 实验装置 系统结构 图
【 作者简介 】赵 国斌 ，空军航 空大学基 础部 物理教研 室助教 ，硕士研究生 ，从事大学物理及其 实验相 关方面的研 究。
实验 装置的结构及工作原理激光扫描尺寸测量装置 系统
＋ ｃ届 ｆｏ ｔ ｃ 届＋ （ ｎ Ｎ） ｏ ｔ ｎｔ ／ ａ
同理 ，设 方 向像 素 间 的 间距 为 Ｙ ，总 像 素 数 为 ２ Ｍ＋１ ， 有：
其光 束经 光学 系统成 为在 垂直 方 向的扇形 平面光 照射 被测
物，在被测物上形成条纹 。用 Ｃ Ｄ摄 像机倾斜观察该条纹得 Ｃ 到一幅条纹 图像 ，所得数据信 息经图像采 集卡送入计算机 由 测 量软件处理 ，根据几何光 学和三角 法将 该条纹图案的变形 转换成沿 Ｚ轴方 向的高度 变化 。 而且 被测物沿一定方向按一 定规律运动 ，故可 以得 到物体表面 的深度 图像 信息 。
数 ；ｒ ｍ Ｎ和 Ｍ 由图像通过计算机处理后可直接读取。 ｌ ， ，
图 ２ 系统 工 作 流 程 图
２３ 实验验 证 ．
测量 实物采用直径 ５ｎｌ ｎ ｌ，高 ８ ｌ ０ｌ ｎ ｎ的圆柱形零件 ，步进 量 ２ｍ ｍ ，系统标定采用标准量块 ，测 出量块与参考坐标点的 距离作为标准深度 ，量块高度作为标准高度 。由测量结果可
ccd应用场景
ccd应用场景CCD（Charge Coupled Device）是一种常用于图像传感器的技术，具有高灵敏度、高分辨率和低噪声的特点。
它在许多领域中都有广泛的应用场景。
本文将从医疗、农业、工业和安防四个方面，介绍CCD的应用场景。
一、医疗领域CCD技术在医疗领域中有着重要的应用。
例如，在医学影像诊断中，CCD传感器可以捕捉X射线或超声波等影像信息，通过数字化处理后，医生可以清晰地观察患者的内部结构，准确地判断疾病的情况。
此外，CCD还可以应用于内窥镜、显微镜等医疗设备中，帮助医生进行病灶检测和手术操作。
二、农业领域CCD技术在农业领域也有着广泛的应用。
例如，农业无人机配备了CCD传感器，可以通过拍摄农田的高清图像，帮助农民判断作物生长情况、测量土壤水分含量、检测病虫害等。
这些信息可以帮助农民制定科学的农业生产计划，提高农作物的产量和质量，减少资源的浪费。
三、工业领域在工业领域，CCD技术被广泛应用于质量检测、自动化生产等方面。
例如，CCD传感器可以用于检测产品的表面缺陷、尺寸偏差等质量问题，提高产品的合格率和生产效率。
此外，CCD还可以用于机器人视觉系统中，实现对工件的精确定位、抓取和组装等自动化操作。
四、安防领域CCD技术在安防领域中也有着重要的应用。
例如，CCD摄像头可以用于监控系统，实时监测公共场所、商业建筑、居民小区等区域的安全情况。
通过CCD摄像头拍摄的图像和视频可以提供给安防人员进行监控和查证。
此外，CCD还可以用于人脸识别、车牌识别等安防技术中，提高安全性和便利性。
总结起来，CCD技术在医疗、农业、工业和安防等领域中都有着重要的应用场景。
随着技术的不断进步，CCD传感器的性能将进一步提升，应用范围也将更加广泛。
相信在不久的将来，CCD技术将在更多的领域中发挥重要作用，为人们的生活带来更多的便利和进步。
高速摄像技术及其应用
但是由于国内高速摄像机起步较晚，总体上来说目前高速摄像机技术和经验的积累都不够，摄像机的性能和品质依然远落后于进口摄像设备。
而进口高速摄像机品牌中，要数日本和美国的品牌比较优质。
日本nac公司，其生产的高速摄像机种类繁多，性能佳，获得了全球各个国家的高度认可。
高速摄像机技术具有实时目标捕获、图像快速记录、即时回放、图像直观清晰等突出优点。
高速运动目标受到自然光或人工辅助照明灯光的照射产生反射光，或者运动目标本身发光,这些光的一部分透过高速成像系统的成像物镜。
经物镜成像后，落在光电成像器件的像感面上，受驱动电路控制的光电器件，会对像感面上的目标像快速响应，即根据像感面上目标像光能量的分布，在各采样点即像素点产生响应大小的电荷包，完成图像的光电转换。
带有图像信息的各个电荷包被迅速转移到读出寄存器中。
读出信号经信号处理后传输至电脑中，由电脑对图像进行读出显示和判读，并将结果输出。
因此，一套完整的高速成像系统由光学成像、光电成像、信号传输、控制、图像存储与处理等几部分组成。
高速摄像机主要应用于科研，军事测试以及工业生产评估等领域。
例如汽车碰撞测试，焊接过程中的电弧的产生，电池爆炸过程中的有机液体飞溅，像这一类速度非常快的现象必须借助高速摄像机才能清晰的捕捉到。
高速摄像机可以在很短的时间内完成对高速目标的快速、多次采样，当以常规速度放映时，所记录目标的变化过程就清晰、缓慢地呈现在我们眼前。
图例：实验室使用nac品牌高速摄像机对激光诱导等离子体瞬间的变化进行捕捉。
上图实验所使用的设备为nac品牌中的ASC型号高速摄像机，该型号为nac 新出产品，也是目前世界上首个能达到每秒400亿像素的高速摄像机，基本参数如下：传感器独特的CMOS全局快门芯片大小为28.16mm×19.71mm像元尺寸20um最大分辨率1280×896最大拍摄速率22万fps感光度ISO（REI）50000支持PIV PIV帧间间隔125ns内置存储空间64GB/128GB/256GB图像深度8bit/10bit/12bit可输入信号Trigger（TTL/Contact）/EST/IRIG-B接口类型千兆网口/USB3.0电源20-32V直流大小175W×175H×206D（单位：mm）重量7.3kg帧率与像素对应表如下：FPS PixelH V40,000128080050,00086464060,00080052875,000720400100,000640288200,0001280112武汉中创联达科技有限公司，专业从事光电子影像产品（低照度相机、高速摄像机，超高速摄像机，高分辨率相机及其图像分析软件）的销售、研发，提供特殊环境下的拍摄、成像服务。
高速CCD图像数据光纤传输系统
高速CCD图像数据光纤传输系统
张达;徐抒岩
【期刊名称】《光学精密工程》
【年(卷),期】2009(017)003
【摘要】提出了一种多路高速C图像数据光纤并行传输系统,并应用于空间遥感相机中.设计并实现了单路有效数据率最高可达1.28 Gb/s的光纤传输通道.阐述了系统设计思想,光纤传输通道结构,并对其中的关键技术-高速总线接口、高速串行光电接口等进行了详细分析.实际完成了5通道TDIC图像数据光纤并行传输系统,总有效数据率高达5.7 Gb/s.实验证明该系统工作稳定可靠,实时传输效果好,无误码,满足了高速多通道C图像数据的速率和距离传输要求.
【总页数】7页(P669-675)
【作者】张达;徐抒岩
【作者单位】中国科学院,长春光学精密机械与物理研究所,吉林,长春,130033;中国科学院,研究生院,北京,100039;中国科学院,长春光学精密机械与物理研究所,吉林,长春,130033
【正文语种】中文
【中图分类】TN919.8
【相关文献】
1.一种基于高速串行接口技术的CCD图像数据传输系统的设计实现 [J], 李洪法
2.适于高速CCD图像数据光纤传输的纠错技术 [J], 李进;吕增明;陶宏江;李新娥;金
龙旭
3.高速多光谱TDICCD图像数据传输系统 [J], 朱宏殷;郭永飞;石俊霞;司国良
4.高速Cameralink图像数据光纤传输系统设计 [J], 何家维;何昕;魏仲慧
5.高速多通道CCD图像数据处理与传输系统设计 [J], 张贵祥;金光;郑亮亮;张刘因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
高清摄像机在高速公路全程监控的应用
高 清 摄 像 机 的 图 像 分 辨 率 高 ，可 从 １ （ 像 素 到 ５ ０ 像 】 ０万 ０万
信 号 的 反 复 转 换 造 成 图 像 质 量 的 下 降
摄像机的ｃＣＤ采集的 图像为点 阵数字模 式 ，在摄像机 内 转换 为复合视频信 号输 出。光 端机传 输为数字 信号 ，在 光端 机传 输中又经历模 拟到数字 、数字到模 拟两 次转换 。视 频信
由于其本质上 的点对 点传输特 点 ，增加 任何传 输通道 ， 都需要在定货 时一 次确定 ，所传输数 据 的接 口形 式也需要一
储、分配 、显示等全部 以数字化方式进行 ，由此减少了传统视频 系统 中多次Ａ／ Ｄ、Ｄ Ａ ／ 转换和频繁的图像预处理，大大减少了 由于转换和处理引起 的图像失真和延时 ，切实保证 了图像 的质 量。完全的数字 图像也方便后续的车辆检测、事件检测处理 。 系统采用全 Ｉ 寻址方 式 ，区别于 传统视频监控 系统 中摄 Ｐ 像机 点对点传输 方式 ，应用Ｉ 方式组 网 ，使每一 台前端摄像 Ｐ
机在 网络 内拥有 一个惟一 的Ｉ 地址 ，以此保证大范 围组 网时 Ｐ 的正确寻址 ，且接线简单 ，无端 Ｉ对应 关系。 同时也为 其他 ： １
数据传输提供了统一的平台。
一
、
图 像 的 显 示 和 存 储 质 量 稳 定
高 清摄像机 的监 控系统为全 数字系统 ，没有多次转换造
成 的图像质量下 降，直接 采用 摄像机产 生的Ｊ Ｅ Ｐ Ｇ图片 。
次确 定。传输 系统 一旦建成 ，若要有 增加摄像 机等调 整 ，只
能 更 换 设 备 或 再 增 加 传 输 设 备 。且 视 频 光 端 机 难 以和 其 他 传
输系统整合 ，不能构建 传输平台 。
强激光参数测量中的科学级ccd相机设计及其应用
优化激光应用
了解激光的各项参数有助 于对激光设备进行优化配 置，提高其在特定应用中 的性能表现。
激光参数测量方法
光束质量分析
通过分析光束的发散角、M^2因 子等参数，评估激光光束的质量
。
功率和能量测量
使用能量计和功率计测量激光的功 率和能量，确保其在安全范围内。
波长和光谱测量
利用光谱仪测量激光的波长和光谱 分布，以了解其频率特性和稳定性 。
研究内容包括CCD相机的光学系统设计、电路系统设计和数据处理算法设计等方面 。
目标是通过优化设计，提高CCD相机在强激光照射下的动态范围、信噪比和线性度 等性能指标，实现高精度、高实时性的强激光参数测量。
02
强激光参数测量原理
强激光的产生与特性
强激光的产生
强激光通常通过高能量密度的光 束产生，如通过放电泵浦或光学 谐振腔等机制。
05
实验结果与分析
实验设置与数据采集
实验设备
选用高灵敏度、高分辨率的科学级 ccd相机，配备合适的镜头和滤镜， 确保能够捕捉到强激光的细节和动态 变化。
数据采集
在实验过程中，对激光的功率、脉冲 宽度、光束质量等参数进行实时监测 和记录，同时利用ccd相机拍摄激光脉 冲的图像，以便后续分析。
实验结果展示
激光特性
强激光具有高功率、高能量、高 亮度和高定向性的特点，这些特 性使其在科学研究、工业制造、 医疗等领域具有广泛的应用。
激光参数测量的重要性
01
02
03
保证实验安全
准确测量激光参数可以确 保实验过程的安全性，避 免因激光能量过高或光束 质量不佳而引发意外。
提高实验精度
精确的激光参数测量有助 于提高实验结果的精度和 可靠性，为后续的科学研 究提供准确的数据支持。
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收稿日期:2001-05-28作者简介:王军波,男,1973年出生,硕士,在读博士生基金项目:国家自然科学基金项目(编号:59975050),清华大学“211”、“985”经费资助.高速CCD 摄像系统及其应用王军波,孙振国,陈 强(清华大学机械工程系,北京 100084)摘 要:介绍了DA LSA 公司生产的CA —D6型高速CCD 摄像系统的基本组成、工作原理,以及其在CO 2短路焊接过程及熔滴尺寸检测、压铸充型模拟实验过程检测、激光深熔焊等离子体形态检测、人体运动分析等科研领域的典型应用。
此类应用为“高速CCD 摄像系统原理及应用”实验课程的教学提供了丰富的素材。
关键词:高速CCD 摄像系统;激光焊接;CO 2焊;压铸充型;人体运动分析中图分类号:T B853.1+7文献标识码:A 文章编号:1002-4956(2001)06-0016-04当今世界进入信息时代,以数字化、计算机、通讯、电视和多媒体为主要特征的新的信息革命正在兴起。
CCD (Charge Coupled Device )作为近几年新兴的固体成像器件,具有体积小、重量轻、动态范围大、灵敏度高、可靠性好等优点,广泛应用于机器人视觉系统、安全保卫系统、智能交通系统以及Internet 接入装置等领域,为人类探索微观世界和瞬态运动过程作出和提供了丰富的视觉信息。
近年来,CCD 摄像机在分辨率、拍摄速度和智能化水平等性能指标上有了质的飞跃。
目前国产线阵CCD 器件的分辨率已有128、256、512和1024象素等,面阵CCD 的分辨率也有100×100、120×150和320×256象素等,拍摄速度为每秒钟几十帧。
国外线阵CCD 的分辨率已达4096象素以上,面阵CCD 分辨率已达到4096×4096象素以上,而图像摄取速度则可达到每秒钟上千帧,最快的达到每秒钟1万帧(64×64象素)。
本着提高相关课程教学水平,同时服务于科研工作的宗旨,在“211工程”资助下,我系于2000年1月引进了一套高速CCD 摄像系统。
许多学生在学习、了解高速CCD 摄像系统的基本组成、工作原理和操作方法后,与其从事的科研工作紧密结合,使得该系统已经在CO 2短路焊接过程及熔滴尺寸检测、压铸充型模拟实验过程检测、激光深熔焊等离子体形态检测、人体运动分析、电弧放电过程检测等众多科研工作中发挥了重要作用。
而从这些研究工作中取得的成果又进一步丰富了课程教学内容,为今后的教学工作提供了大量的素材和使用经验。
本文着重介绍高速CCD 摄像系统的基本组成及其在科研工作中的典型应用实例,供相关的科研和教学工作人员参考。
16中国科技论文统计源期刊 实 验 技 术 与 管 理 Vol .18 No .6 2001 1.高速CC D 摄像系统高速CCD 摄像系统由高速CCD 摄像机、光学系统、图像采集卡和计算机组成,如图1所示。
高速摄像机采用加拿大DALSA 公司生产的CA —D6型,其基本性能指标为:分辨率260×260象素,最大感光面2.6×2.6m m 2,最大拍摄速度为955帧/秒,四路8bit 数据以每路25MHz 的速度同时输出,采用EIA —644协议,最小曝光时间0.8ms ,可通过键盘、鼠标及程序触发等方式控制拍摄时刻。
图像采集卡采用美国生产的PIXCI 型板卡,该板卡由差分输入及驱动单元、图像控制单元和PCI 总线接口单元组成。
其中:差分输入及驱动单元的作用将输入的差分信号转换为单端的TTL 信号;图像控制单元可以格式化图像数据、窗口化图像、控制摄像机A 、B 触发器,判断触发器触发条件、缓存从差分单元输往PCI 总线接口单元的数据;PCI 总线接口单元提供中断请求信号、PCI 协议寄存器、先入先出缓存器、PCI 总线主从控制等功能。
计算机采用PIII 500CPU ,配置1G 内存,运行环境为WIN N T。
图1 典型的高速摄像系统组成原理图根据拍摄对象的不同要求,一般需设计特殊的光学系统。
摄像机经由光学系统获取拍摄对象的图像信息,该信息由图像卡转换后读入计算机,用户借助相应的应用软件,对拍摄图像的特征进行综合分析研究。
2.C O 2短路焊接过程及熔滴尺寸检测CO 2短路焊接熔滴形状及尺寸是影响焊接工艺性能和焊缝质量的重要因素,受实验技术及研究手段等多方面因素的限制,目前的研究工作仍偏重于理论分析及数据模拟。
为了分析影响熔滴尺寸的因素和规律,了解熔滴控制效果,文献[1]建立了以He -Ne 激光器为背光照明的熔滴高速摄像研究系统。
高速摄像机以每秒955帧的速度,每次连续拍摄8000帧熔滴图像。
在拍摄图像的同时,与拍摄时序同步的数据采集卡采集焊接电弧电流和电压信号,这样得到了焊接过程中对应同一时刻的熔滴图像、焊接电流和电弧电压。
图像经处理后可以获得熔滴的尺寸,通过对熔滴尺寸与对应时刻电弧信号相关参数的动态分析,发现短路前熔滴体积及燃弧能量的随机性分布是造成熔滴尺寸不均匀分布的重要原因,而熔滴尺寸与其对应的再燃弧电压有着良好的相关性。
在此基础上,确定了将再燃弧电压作为逐个熔滴尺寸控制的反馈量,通过控制再燃弧电压,来实现熔滴尺寸闭环境控制的方案,取得了较好的工艺实验结果。
图2给出了高速摄像系统拍摄的CO 2短路焊接过程一个完整的熔滴过渡周期照片。
17高速CCD 摄像系统及其应用图2 CO 2短路焊接过程完整熔滴过渡周期3.压铸充型模拟实验过程检测压力铸造是一种高效低耗的材料精确成形方法,科研人员一直试图了解压铸充型过程金属熔液的流动和热交换规律,从而设计出合理的铸件、铸型结构及浇注系统,选择恰当的压铸工艺参数,实现理想的型腔充填和模具的热平衡状态,提高铸件质量和生产效率。
但是,压铸充填过程时间不超过1秒,而且发生在不透明的压铸模型腔之间,难以对其进行实时观测和控制。
采用计算机数值模拟技术对压铸充型过程进行数值模拟,通过求解描述充型过程流动和传热的偏微分方程,获得充型过程中任意时刻流体的自由表面形貌、速度场、压力场和温度场信息,从而优化工艺方案。
为验证计算机模拟结果的准确性和可信性,文献[2]基于相似性原理,利用水和有机玻璃铸型模拟金属熔液和金属铸型的充型过程,并通过增大模拟铸型的尺寸来降低流体注入型腔的速度,延长充型时间,使得高速摄像系统能够记录完整的流体充型过程。
图3给出了在压力作用下水在有机玻璃铸型中的充型过程,实验结果反映出压力条件下液体充型的流动趋势、充型顺序、卷气缺陷可能产生的位置等与计算机模拟计算机结果基本一致,从而较好的验证了数值模拟压铸充型过程的可信度。
图3 采用水—有机玻璃铸型模拟的压铸充型过程4.激光深熔焊等离子体形态检测在激光深熔焊过程中,金属材料在高功率密度激光的照射下熔化时,发生强烈汽化形成金属蒸气。
金属蒸气对激光有强烈的吸收作用,随着其温度进一步升高而电离,形成等18实 验 技 术 与 管 理离子体。
工件在等离子体膨胀压力作用下形成小孔,是激光深熔焊的本质特征之一。
国内外采用光、声、电等检测手段,对焊接过程中等离子体形态的变化进行了大量的研究,认为不同的离焦量下深熔焊小孔内外等离子体数量分布的不同,是导致光伏探测器所检测到的等离子体光福射呈“U ”形曲线的主要原因。
但由于检测手段的限制,该解释并未得到进一步证实。
文献[3]采用高速摄像的方法,直接观测了低碳钢激光深熔焊过程中的等离子体形态,并针对激光焦点位置改变对等离子体的影响进行了实验研究,得到不同焊接模式下的等离子体的形态,从而验证了等离子体光信号随焦点位置改变而呈U 型曲线变化的规律。
图4给出了激光焦点位置从入焦依次变为离焦时高速摄像机拍摄的等离子体形态的变化过程,从中可以看到激光焊接模式按照“热导焊—不稳定焊—稳定深熔焊—不稳定焊—热导焊”依次变化。
图4 不同焦点位置焊接时的等离子体图像5.人体运动分析人体运动是人体和环境不断相互作用的结果,对其进行运动学和动力学分析,可以为医学、康复工程、体育、仿生学等领域的研究工作提供参考数据。
如采集多个健全人在平地、上下坡、上下楼梯等路况下行走时的位移—时间和地面反力数据,可以分析人体运动对路况环境的适应规律,对于分析异常步态及指导康复训练有着重要的意义。
而在排球、体操、游泳等体育项目中,通过对优秀运动员技术动作的现场拍摄和分析研究,总结出相关技术对应的人体运动特征,可以指导运动员科学训练,从而提高竞技水平。
人体可以看成是由许多连杆连接组成的关节系统,人体的运动特征主要反映在各个关节的角度变化上。
较常见的人体运动检测手段主要有基于电子测角仪和摄像设备两种。
前者将电子测角仪绑缚在人体主要关节上进行测量,其不足是对人体运动有一定影响。
采用高速摄影胶片摄取运动图像进行分析处理,通常系统复杂、成本较高。
目前普遍采用的基于普通摄像机的人体运动检测方法,受到普通摄像机的拍摄速度的制约(40ms /帧或20m s /场),只能用于人体的平缓运动检测,无法有效记录、分析人体的快速运动过程。
采用高速摄像系统可以克服上述方法的不足,低成本、高效率地获取所需要的不同环境下的人体快速运动过程图像,用于相关领域的分析研究。
图5给出了实时采集的人体上肢前臂完成一个舒展、变曲周期的图像,采用图像处理的方法,可以进一步分析研究肘(下转第23页)19高速CCD 摄像系统及其应用等教育改革的重要组成部分,是今后教学改革的重点和难点,它直接关系到教学改革的成功与否,应该引起各方面的高度重视。
随着创新教育改革的不断深入,实验编制的工程技术人员从事实验教学的工作量将会进一步加大。
由于国内很多大学的教学文件规定,只有任课教师才有资格上实验课。
而事实上,在国内很多大学里,有相当多的实验教学完全是由实验编制的工程技术人员承担的。
现在,实验编制的工程技术人员的结构层次已经与几十年前的情况有很大的不同,有相当多的既有学历又有学位、既有理论知识又有丰富实践经验的高层知识分子充实到了实验教学队伍中,他们在实验室建设、新实验设备的研制与开发、实验设备的管理与维护、实践性环节的教学、实验教学的改革等工作中,起着相当大的作用。
解决上述矛盾的关键就是让实验教学独立设课,自成体系。
这将会极大地调动广大实验教学工作者的积极性,促进创新教育改革的迅猛发展,为国家培养出更多的创造性人才。
[参考文献][1]邱宣怀,等.机械设计[M ].高等教育出版社,1990.(上接第19页)关节运动的相关规律,为拟人机器人的机构设计和控制提供参考。
6.结束语本文简要介绍了高速摄像系统在CO 2焊熔滴尺寸检测、压铸充型过程检测、激光焊接等离子体检测及人体运动学分析等领域的几个典型应用实例,希望借此促进相关的科研、实验、教学人员对高速摄像系统基本原理及其应用领域的了解,从而使该系统在相关的科研和教学工作中发挥更重要的作用。