机械转子式流速仪的（），受水流驱动绕着水流方向的垂直轴或水平轴转动，其转速与周围流体的局部流速关系密切。

此题为判断题(对，错)。

此题为判断题(对，错)。

  实验目的

  (1)掌握面阵CCD实验仪的基本操作和各个部件的功能；

  (2)掌握隔列转移型面阵CCD的基本工作原理；

  (3)掌握面阵CCD各路驱动脉冲波形及其所涉及部分的功能；

  (4)掌握面阵CCD输出的视频信号与PAL电视制式的关系。

  实验所需仪器设备

  (1)双踪迹(或四踪迹)同步示波器(带宽50MHz以上)一台；

  (2)彩色面阵CCD多功能实验仪YHACCD-Ⅱ型一台。

  实验准备内容

  (1)学习面阵CCD的基本工作原理(可参看《光电检测技术》教材第5章中第3节有关内容)；

  (2)学习隔列转移型面阵CCD的基本工作原理；

  (3)仔细阅读“彩色面阵CCD多功能实验仪”说明书，并对照《面阵实验仪器》实物对其进行初步了解，尤其注意各个开关、接线柱、连接线的功能，找到内置面阵CCD摄像机与外置面阵CCD摄像机及其转换开关。

  实验内容

  (1)面阵CCD的垂直与水平驱动脉冲的驱动波形、频率、周期、相位的测量与分析；

  (2)面阵CCD行、场自扫描电视制式的测量；

  (3)视频输出信号的测量。

  实验基本原理

  按一定的方式将一维线阵CCD的光敏单元及移位寄存器排列成二维阵列，即可以构成二维面阵CCD。由于排列和组成方式不同，面阵CCD主要有下述三种。

  1．帧转移型面阵CCD(FT—CCD)

  下图为三相面阵帧转移型摄像器的结构图。它由成像区(光敏区)、暂存区和水平读出寄存器三部分构成。成像区由并行排列的若干电荷耦合沟道组成(图中的虚线方框)，各沟道之间用沟阻隔开，水平电极横贯各沟道。假定有M个转移沟道，每个沟道有N个成像单元，整个成像区共有M×N个单元。暂存区的结构和单元数都和成像区相同。暂存区与水平读出寄存器均被遮蔽。

  FT—CCD的工作过程是：当光学图像经物镜成像到光敏区时，若光敏区的某一相电极(如)加有适当的偏压，则光生电荷将被收集到这些电极下方的势阱里。这样就将被摄光学图像变成了光积分电极下的电荷包图像。当光积分周期结束时，加到成像区和存储区电极上的时钟脉冲使所收集到的信号电荷迅速转移到存储区中。然后，依靠加在存储区和水平读出寄存器上的适当脉冲，并由它经输出级输出一帧信息。当第一场读出的同时，第二场信息通过光积分又收集到势阱中。一旦第一场信息被全部读出，第二场信息马上就传送给寄存器，使之连续地读出。

  这种面阵CCD的特点是：结构简单，可正、反两面光照，灵敏度较高，光敏单元的尺寸可以很小，容易做成高分辨率的器件，并使其模传递函数MTF较高。但光敏面积占总面积的比例小，图像有拖影发晕现象。

  2．行间转移型面阵CCD(IT—CCD)

  行间转移型面阵CCD的结构如下图(a)所示。它的像敏单元(图中虚线方块)呈二维排列，每列像敏单元被遮光的读出寄存器及沟阻隔开，像敏单元与读出寄存器之间又有转移控制栅。由图可见，每一像敏单元对应于二个遮光的读出寄存器单元(图中斜线表示被遮蔽，斜线部位的方块为读出寄存器单元)。读出寄存器与像敏单元的另一侧被沟阻隔开。由于每行像敏单元均被读出寄存器所隔，因此，这种面阵CCD称为行间转移型CCD。图中最下面是二相时钟脉冲Φ₁，Φ₂驱动的水平读出寄存器。

  IT—CCD的工作过程是：在光积分期间，光生电荷包存储在像敏单元的势阱里，转移栅为低电位，转移栅下的势垒将像敏单元的势阱与读出寄存器的变化势阱隔开。当光积分时间结束，转移栅上的电位由低变高，其下形成的势阱将像敏单元的势阱与此刻读出寄存器某单元(此刻该单元上的电压为高电平)的势阱沟通，像敏单元中的光生电荷便经过转移栅转移到读出寄存器。转移的过程为并行的，即各行光敏单元的光生电荷同时转移到对应的读出寄存器中。转移过程很快，转移控制栅上的电位很快变为低电平。转移过程结束后，光敏单元与读出寄存器又被隔开，转移到读出寄存器中的光生电荷在读出脉冲的作用下一行行地向水平读出寄存器中转移，水平读出寄存器快速地将其经输出端输出。在输出端得到与光学图像对应的一行行视频信号。

  图(b)是隔行转移面阵CCD的二相注入势垒器件的像敏单元和寄存器单元的结构图。采用两层多晶硅，第一层提供像敏单元上的MOs电容器电极，又称为多晶硅光控制极。第二层基本上是连续的多晶硅，选择掺杂后得到二相转移电极系统，称为多晶硅寄存器栅极系统。转移方向用离子注入势垒造成，使电荷只能按规定的方向转移，其沟阻常用来阻止电荷向外扩散。

  这种IT—CCD的特点是：因为电荷转移距离比FT—CCD的距离短，所以工作频率高些；由于行间转移器件小些，有些受光面小些，产生的固定图案噪声小些；由于是隔行转移，可以与棋盘图案的滤色片配用，多为彩色摄像机所选用；由于IT—CCD总的转移次数较少，拖影效应不严重。但它只能正面光照，且结构比较复杂，工艺难度大，价格相对较高。

  3．帧行间转移型面阵CcD(FIT—CCD)

  对于FT—CCD而言，由于光敏区兼有垂直移位寄存器件的功能。在场消隐期间，所有成像区的电荷都要向下转移。在这一过程中，如强光继续照射某区域，这就使得凡是向下通过该区的各像素单元的电荷数都会因此而受到强光的影响，而产生高亮度垂直拖尾现象。

  对于IT—CCD而言，在场消隐期间，成像区中的各像素的电荷快速地向垂直移位寄存器中转移。而在场正程期的行逆程时间内，以逐行并行的方式以行频的速度向输出移位寄存器中转移。由于在垂直存储条上面的光屏蔽层的不严密性，使入射光的一部分将通过这些缝隙照射到光屏蔽层下面的存储条中的垂直移位寄存器，形成强光对邻近存储条的“污染”。所以凡是在垂直转移过程中通过被强光污染了的存储条时，也会产生类似于FT—CCD的高亮度垂直拖尾现象。

  根据以上分析，显然IT—CCD比FT—CCD由于强光而引起的垂直拖尾现象要轻一些，并且也比较容易采取克服措施：措施之一是增加光屏蔽层的密封性，尽量挡住强光对垂直存储条的污染；措施之二是提高电荷在垂直移位寄存器中的转移速度，使转移电荷尽量少受强光的影响。

  根据以上想法，松下公司于1983年推出了FIT—CCD器件。它是在IT—CCD的基础上，增加了一个场存储器，以存储由垂直移位寄存器快速转移来的电荷。并且改进了光屏蔽层的结构，所以使得该器件具有极好的抗拖尾性能。如有一种39万个像素的这种器件，当垂直转移速度由普通的行频提高到750kHz时，强光造成的垂直拖尾可下降到原来的1/50。即改善程度与垂直转移速度几乎成正比。该器件的结构图如下图所示。由于在成像区与水平读出寄存器之间设备了场存储区，这就使得在成像区的电荷能高速地转移到该区，从而达到大量减轻拖尾现象的目的。如松下公司的高性能摄像机BL730与CL830就是这种结构。但这种器件由于增加了存储区，较IT—CCD的转移次数增多，因而会导致转移效率的下降，并且结构也较复杂，成本较高。

  上述的任何一种面阵CCD图像传感器都是摄像机的核心，它完成光电图像的转换、存贮与传输的作用功能。但不管是哪一种面阵CCD，都需要外围驱动电路才能工作。这种驱动电路，产生二相或三相时钟脉冲，以及转移控制脉冲、复位脉冲、行频、场频、消隐以及处理电路所需的同步和校正等脉冲信号。当光学图像经镜头到CCD图像传感器，它才能按驱动脉冲的驱动而输出随时间变化的视频图像信号。这种时序的视频信号包含了图像信号、复位电平和干扰脉冲。为了取出图像信号，消除干扰，必须要将图像信号作适当的处理与放大，恢复其直流分量，混入同步、消隐信号，达到输出具有一定幅度、一定负载能力的全电视信号。

  视频处理电路中包含了AGC(自动增益控制)放大、γ校正电路、自动黑电平箝位、混同步信号、消隐信号以及为了与负载匹配联接设置的功率放大等视频输出级。这些处理、放大电路大都已集成化，所以调试方便、性能稳定可靠。为了保证在监视器上显示的图像与CCD摄像机摄取的图像完全一致(即要求送往监视器的视频信号与摄像机送出的视频信号完全同步)，必须在视频信号中包含有同步信息，并使这些同步信息以同步脉冲的形式加在行、场消隐期间传送。含有行、场同步信息和行、场消隐信息的黑白全电视信号的波形如下图所示。其中，图(a)为场正程期间的行信号波形；图(b)为场逆程期间的信号波形。

A、包括细胞流，一般采用负压方面控制

B、鞘液以加速度通过流动室

C、整个液流系统运行流速逐渐加快，以促使细胞排列

D、包括压缩空气泵、压力传感器、鞘液过滤器和样本压力调节器等部件

E、鞘液流驱动与细胞流一样采用负压控制

A.驱动

B.传感器

C.显示

D.旋转盘

  实验目的

  (1)激光多普勒测速系统可以对各种流体速度进行非接触测量。通过实验，可了解激光多普勒测速一般原理。

  (2)激光多普勒测速系统是一种精密的光电系统，它使用了多种光电信息处理技术，因通过调试这一实验，能够综合训练实验能力。

  29.2 实验准备内容

  (1)DRAIN L M著、王仕康等译，激光多普勒技术，清华大学出版社，1985；

  (2)孙渝生，激光多普勒测流速的信号处理，应用激光，1983年No3；

  (3)教材与其他书中有关激光多普勒测速部分；

  实验内容

  (1)对水泵抽出的水在水管中的水流，进行激光多普勒测速。

  (2)进行频谱分析，求出多普勒频率与流速。

  实验设备与器材

  (1)水泵抽运流动系统及玻璃管。

  (2)He-Ne激光器及驱动电源。

  (3)带放大器的光电二极管组件(放大器带宽1MHz)及电源。

  (4)准直透镜与透镜等光路。

  (5)2107频谱分析仪。

  (6)声光调制器。

  (7)示波器。

  (8)测量显微镜等。

  (9)高通滤波放大器及频率计等。

  实验基本原理

  激光多普勒测速系统可以对各种流体速度进行非接触测量。在扰动流体、火焰温度场和生物血流研究等方面获得了广泛应用。激光多普勒测速的原理如下图所示，它是基于流体中的微粒对光产生的多普勒效应。

  如果液体中微粒流动的速度是v，照射在微粒上的光为平面单色光波，波矢量为k_s，光频率为，光速为c。一般v比c要小得多。根据相对论理论，微粒相对于光波运动，微粒散射光的频率因多普勒效应而发生频移。微粒散射光的频率应为

  (29-1)

  θ为光波波矢量与微粒速度矢量间的夹角。散射光相对于入射光产生的多普勒频移量△为：

  (29-2)

  式中，为散射光波长。如果实时地测出微粒散射光相对于入射光的多普勒频移△就可得到微粒运动速度，从而也就知道了流体速度。

  由于光频率很高，散射光微小的多普勒频移不能直接被光电探测器测得。若采用光外差探测法，原理上可以实现多普勒频移量△的测量。光外差法测运动微粒散射光的原理，如下图所示。

  由图可见，氦氖激光器发射出单色连续激光，先经半反射半透射平面镜M₁后，分成两束光。M₁的透射光照射在流体中的微粒上。M₁的反射光再经反射镜M₂和半反射半透射镜M₃反射后，透射到光电探测器上作为外差探测的参考光束。微粒散射光是沿各方向传播的，其中只有极小部分其方向与参考方向一致，能在光电探测器上形成差拍信号。经光电探测器检波输出，就得到了微粒散射光多普勒频移的电信号。由外差原理可知，此时光电探测器输出光电流i(t)为

  = (29-3)

  式中，k为比例系数；A_L、A_s分别为参考光和信号光的振幅。上式中第三项就代表了多普勒频移信号。

  由于微粒散射光很弱，外差法要求信号光与参考光几乎是平行的(空间配准要求极高)。所以，通常实验采用双光束，同时通过流体的光路，如下图所示。两束光在流体中形成干涉场。这样可以用较大孔径的透镜会聚信号光于探测器上，从而容易获得较强的多普勒频移信号。

  光源通常选用单模(TEM₀₀)激光器。其出射光束横截面的光强分布是高斯分布规律。光束经透镜后，在透镜后焦面附近，高斯的光束腰是平面波前。两光束在此相交得到的干涉场是平行的干涉条纹空间，如下图所示。

  若两束光的夹角为α，光波长为λ时，由图(b)可以看出

  (29-4)

  式中，S是干涉条纹的间距，可表示为

  (29-5)

  条纹的空间频率(单位长度内的条纹明暗对数)f'为

  (29-6)

  当微粒以速度v穿过干涉条纹空间，如图(c)所示，明暗条纹使微粒受到周期性变化的光照强度，于是散射光也是周期性变化的。在f'一定的条件下，散射光强度变化频率f_D与微粒穿过干涉场的运动速度矢量有关，由此可得出

  (29-7)

  式中，β为微粒速度矢量和条纹垂直线间之夹角。可见，信号频率与干涉条纹间距成反比，与微粒速度在条纹垂直方向的分量成正比，而与观察方向无关。从实际效果看，这种情况比典型外差光路能得到较强的信号。

  然而，当两束光是同一频率时，只能由测得的多普勒频移量得到流体速度的大小(模)，而不能得到速度矢量的方向。如果两束光中有一束预先给予调制，使两束光的光频率略有差别，形成一定的载波频率，微粒散射光的多普勒频移叠加于载频上，就可判别方向，常用方法如下图所示。其办法是把两束光中一束先通过调制器，如在图中为声光调制器，由声光调制出射的一级衍射光去和另一束光建立干涉场。声光调制器一级衍射光相对于入射光有很小的固定频率移动(一般为几十兆赫)。于是，两束光形成的干涉条纹区，条纹是以几十兆赫频率移动的。微粒散射光多普勒频率叠加其上，使光电探测器获得的信号光频率是二者之和或差。于是，光电探测器输出信号频率高低，即能判别速度矢量的正或反。

  在湍流场(扰动流体)中，要准确测出速度矢量应测出v_x，v_y，v_z三个坐标方向的多普勒频率。从原理上讲，用上述三套光路可以实现，但是太繁杂笨重，目前已有更好的办法去解决，这里就不再赘述。

  激光多普勒测速实验系统

  一般，激光多普勒测速系统应包括：流体、光源、光学系统、光电探测器和信号处理电路等几个部分。现分别介绍如下：

  1．流体

  实际上，进行多普勒测速是通过实测流体中的微粒散射光，而获得信号的。没有微粒，“净”流体几乎得不到信号。但是，一般流体中都有某些污染，含有大气中的尘埃、盐粒等。必要时也可以人为地在流体中掺入微粒。实验结果证明：微粒尺寸应该小，这样它的速度才代表流速，否则，将会小于流速。一般微粒直径应小于10μm。从散射理论得知：当微粒直径远远小于光波长时，其散射规律服从瑞利散射规律，它们的散射光有确定的角分布。一般，微粒直径大些，更容易获得较强的信号。而且在前向(光进行方向)容易得到较强信号。散射光强除了与入射光强、微粒尺寸、观察角度有关外，还与流体介质折射率有关。

  2．光源和光学系统

  这里使用的光源，多半采用各种连续气体激光器。因为它亮度高、单色性好、适合于形成高亮度干涉场。常用的有氦氖激光器、氩离子激光器和氪离子激光器等。

  一种自准直式双光路光学系统有调试方便的优点，如下图所示。图中激光束先经扩束镜L₁扩束后，投向准直镜L₂，在L₂的前面放一个遮光屏M。屏M上有对称于光轴分布的、透光的两条长框把光束分成两束。这两束光经同一透镜L₂聚焦于流体某一点上。会聚透镜L₃，再把流体中的微粒散射光会聚于光电探测器上。这一光路调整容易，能获得较强信号。

  3．光电探测器件

  光电探测器件常用的是光电倍增管、雪崩光电二极管和光电二极管等。光电倍增管有高增益、响应速度快等优点，在可见光范围内有多种类型可选。光源光功率较低时(约10^-7W)，多普勒信号频率在100MHz以下，用光电倍增管是适合的。当多普勒信号频率高于100MHz时，采用雪崩光电二极管响应较好。在光源功率较大时(大于10^-5=W)，采用其他光电二极管，也能得到较高的信噪比。

  4．信号处理电路

  信号处理电路的任务是要从光电探测器输出的光电信号中检测出多普勒频率来。为此，首先要明确光电探测器输出信号的特点。由前面的光路分析中可以看出，会聚到流体中的激光干涉场的区域是很小的，在此区域中的光强分布与激光束的模式有关。单模气体激光束一般是高斯型光束。光束中心光强度高，而边缘较低，以高斯函数规律下降。在理想情况下，若有一微粒穿过干涉区时所能得到的光信号波形，如图(a)所示。其光强信号I(t)可表示为

  (29-8)

  式中，k是常数；A是两束光之振幅；v是流速；α为两束光之间的夹角；W是光束半径。

  由式(29-8)知，信号由低频部分和较高频率的高频部分，即第一项和第二项组成，如图(b)和(c)所示。其中，高频部分就是代表多普勒频率信号。

  多个散射粒子的散射光信号叠加后，就得到连续信号，如下图(a)所示。滤去低频分量后，可得到连续交流信号，如图(b)所示。由于多个粒子的先后次序差别以及速度微小差异，使散射光信号以不同相位叠加，于是光电探测器输出信号成为振幅、频率都被调制了的信号。加上微粒到达的随机性，信号有时还有间断。从这样复杂信号中测出瞬间多普勒频率或平均多普勒频率，信号处理的方法有许多种。根据信号强弱、速度高低、微粒浓度高低和测量精度要求不同，有不同的处理方法。最常用的方法有三种：

  (1)频谱分析法

  把光电探测器输出信号送进频谱分析仪，即可求得信号的频谱分布，然后再算出平均多普勒频率。实际上，2107低频频谱仪是Q值一定、中心频率可移动的带通滤波器。当转动频率转轮时，信号频谱分量就依次输出了，它可用于流速低而稳定的场合。工作于高频率范围的频谱仪一般工作于差拍方式(外差、混频式)。这种方式分析精度较高，差拍式频谱分析仪原理，如下图所示。

  由扫描发生器产生锯齿波电压去控制压控振荡器，使它输出频率连续变化的参考电压与多普勒信号同时进入乘法器相乘。乘法器输出信号由中频放大器滤出多普勒频率f。和参考信号频率f_L之差频信号，然后由时间平均电路的直流形式输出作为X—Y记录仪的Y向信号。同时，扫描发生器输出锯齿波电压，在控制压控振荡器同时还送到X—Y记录仪的X轴。于是，X—Y记录仪就画出了多普勒信号的频谱图，下图为信号频谱图一例。把频谱图分成N个频率间隔△f_i，可以求得平均多普勒频率为

  (29-9)

  频谱分析法测量时间长，适合于测稳定流速。

  (2)频率跟踪法

  这种方法实质是调频信号的解调方法，可以用锁相环实现频率跟踪解调出调频信号。但是，这里需要解决，信号瞬间不连续环路仍能重新锁定的问题，具体可参看，孙渝生的激光多普勒测流速的信号处理，该文发表在《应用激光》1983年No3上。

  (3)计数法

  这种方法是把光电探测器输出信号放大后，先通过高通(或带通)滤波器去除低频部分，取出含多普勒频率的交流成分。设定阈值电压使交流成分以过阈值触发的形式形成计数脉冲，取单位时间间隔进行脉冲计数，就可粗略记录瞬时多普勒频率，然后求得平均多普勒频率。但是，要取得高的测量精度，还需要采取一些措施，孙渝生在《应用激光》1983年No3上的激光多普勒测流速的信号处理，详述了一种精确计数方法，读者可自行参看。

A．软盘驱动器

B．硬盘驱动器

C．绘图仪

D．扫描仪

A．软盘驱动器

B．硬盘驱动器

C．绘图仪

D．扫描仪

A．软盘驱动器

B．硬盘驱动器

C．绘图仪

D．扫描仪

A.扫描仪的平板玻璃脏了

B.扫描速度太高

C.扫描仪驱动程序存在问题

D.扫描仪温度过低