引言

由于CCD具有尺寸小、重量輕、功耗低、超低噪聲、動態(tài)范圍較大、線性好、光計量準確、光譜響應(yīng)范圍寬、幾何結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、工作可靠和耐用等優(yōu)點，因而在工件尺寸測量、工件表面質(zhì)量檢測、物體膨脹系數(shù)檢測，以及圖像傳感、攝像機、智能傳感器等方面得到了廣泛應(yīng)用。本文討論利用CCD作為圖像傳感器結(jié)合光學技術(shù)對物體的重量進行測量。目前，對物體重量進行測量主要依據(jù)兩種基本原理，一是利用力學中的杠桿平衡原理，二是利用各種傳感器將物體的重量信息轉(zhuǎn)化成電信號，再對此電信號進行分析處理提取該物體的重量信息。前者適用范圍廣，即可測出從非常輕到非常重的物體的重量，并且是一種經(jīng)濟的方法，但測量精度有限，需人工完成，因此這種方法無法達到實時動態(tài)測量。后者由于采用了傳感器，有利于利用電子裝置來對重量信息進行分析、計算，以及結(jié)果的顯示，但是很多傳感器受到動態(tài)范圍的限制。本文則從光學技術(shù)角度結(jié)合力學原理利用CCD傳感實現(xiàn)了對重物的動態(tài)實時測量。

測量原理

CCD對物體進行測量的原理如圖1所示。平面鏡的轉(zhuǎn)動支點為O，且垂線OW交透鏡軸為W點。W點位于f‘焦距與2f‘之間。當沒有測量物體時，平面鏡與激光束的交角為θ。CCD放在透鏡的右邊，它和透鏡中心的距離為f‘，這樣便于計算y‘。

下面分析其原理并導(dǎo)出測量公式。

1．被測物體在彈簧上產(chǎn)生形變。設(shè)物重為G，彈簧的彈性系數(shù)為k，形變?yōu)閤，根據(jù)虎克定律：

G=kx (1)

2．將彈簧形變反映為平面鏡的轉(zhuǎn)角變化θ。

3．半導(dǎo)體激光器發(fā)出的連續(xù)平行激光，入射到平面反射鏡上，平面鏡不同位置對應(yīng)于不同反射光線。反射光線聚集到CCD上，如圖1所示，利用副光軸的作圖法，不難得出下面關(guān)系式：

y‘=f‘tg2θ (2)

　　
其中y‘代表CCD上的光點到光軸的距離，f‘代表透鏡的焦距，θ代表平面反射鏡的轉(zhuǎn)角。由此可見如果能夠通過CCD快速準確地獲得y‘，那么通過求反函數(shù)就可以求得θ。

下面推導(dǎo)測物體重量G的公式，也就是要導(dǎo)出G與y‘關(guān)系式。

其中l(wèi)為彈簧原長，h為平面鏡固定點距水平位置的高度，φ為平面鏡處于平衡位置時與垂直方向的夾角。s為彈簧到平面鏡固定點O水平方向上的距離。由圖1可知：

|WQ|=h·tg(φ+θ)(3)

利用相似三角形比例公式有： (4)

又|PQ|=s+|WQ| (5)

由(3)、(4)、(5)，得 (6)

由公式(2)、(6)，得 (7)

將式(7)代入式(1)，得
　　(8)

系統(tǒng)設(shè)計

圖2是本系統(tǒng)的工作原理。CCD圖像傳感器把光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?；在A/D轉(zhuǎn)換器中，將CCD產(chǎn)生的電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并傳輸?shù)綀D像存儲單元；DSP通過對數(shù)字信號進行處理，最后輸出結(jié)果。

物體使彈簧產(chǎn)生的形變，通過傳動裝置，平面鏡會轉(zhuǎn)動一個角度，激光器產(chǎn)生的激光照射在平面鏡上不同的位置產(chǎn)生不同的反射光線，通過透鏡聚集到CCD上。CCD產(chǎn)生的電信號是視頻信號，需要對它進行預(yù)處理。由于信號比較小，首先要進行放大，然后還需要進行抗混疊濾波。

信號經(jīng)過預(yù)處理后，還不能被DSP所接受，需要把信號進行A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，在A/D轉(zhuǎn)換時采用TI公司的高速A/D轉(zhuǎn)換芯片TLC5510，A/D轉(zhuǎn)換是在DSP的控制下進行的。TLC5510的工作特點是，當采樣時鐘為高電平時，A/D轉(zhuǎn)換器處于跟蹤狀態(tài)；時鐘下降沿時，輸入信號被保持，A/D轉(zhuǎn)換器進入轉(zhuǎn)換狀態(tài)，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)延遲2.5個時鐘周期后在時鐘上升沿輸出。這樣對于A/D采樣，每一個時鐘到來時就會有采樣數(shù)據(jù)輸出。因此TLC5510除了數(shù)據(jù)線外，還包含一個輸出允許（）接口信號。對于一個數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)關(guān)鍵的是地址產(chǎn)生電路和采樣時鐘產(chǎn)生電路，傳統(tǒng)的采樣大多是借助于邏輯芯片來分別實現(xiàn)這兩部分電路。而這里引入軟件采樣的概念，即利用軟件編程的方法來分別產(chǎn)生A/D采樣所需的時鐘脈沖和地址信號?？刂撇蓸拥闹噶钊缦隆?/p>

LD 起始地址，A
RPT 每行采樣點數(shù)
WRITE Smem

本系統(tǒng)采用TMS320C5409為核心的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。在運算過程中，DSP以中斷方式讀取A/D采樣結(jié)果。整個系統(tǒng)是CCD傳感器光采樣與A/D數(shù)據(jù)采集、DSP數(shù)據(jù)處理三級流水線結(jié)構(gòu)。所采用的CCD有效光敏元數(shù)為2048，驅(qū)動時鐘選為1MHz，CCD光積分周期T至少需要2.084ms。CCD是串行輸出，DSP是成組使用數(shù)據(jù)，所以要設(shè)置數(shù)據(jù)緩沖區(qū)存放A/D采樣數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)存儲器中要劃出兩塊緩沖區(qū)分別進行數(shù)據(jù)采樣與處理，緩沖區(qū)的切換通過軟件實現(xiàn)，即當其中一塊進行A/D采樣，同時另一塊對前一時刻的A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理。

數(shù)據(jù)處理

在數(shù)據(jù)處理中，CCD傳感器分奇偶場輸出電信號，首先將它存到先入先出(FIFO)緩沖器，DSP從FIFO中取數(shù)字信號時，就可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時處理。一個目標通常覆蓋了連續(xù)幾行上的像元，每個目標在覆蓋行上的起始位置和連續(xù)幾個像元處的強度值已存在FIFO中。實時算法每次只需取得FIFO中連續(xù)兩行的目標信號，比較當前行和前一行上目標起始位置和終止位置，即可確定一個目標的構(gòu)成是剛開始還是在繼續(xù)，或是已完成，直到所有行數(shù)據(jù)處理完畢，這樣所有目標像點的坐標就計算出來了。算法流程圖如圖3所示，重心坐標公式如下。

(9)
(10)

Xc，Yc為二維重心坐標；Xi，Yi為第i個像元的序號；Vi為第i個像元對應(yīng)的信號幅值。

DSP采用重心算法對目標位置y‘進行計算時，A/D采樣選用8位的A/D芯片，系統(tǒng)檢測精度可達到1μm以下，系統(tǒng)誤差非常小，測量精度很高。

結(jié)束語

本系統(tǒng)硬件簡單、功能強大、接口方便，不僅可以應(yīng)用于測量橋梁載重，而且還可應(yīng)用于測量汽車等運動物體，具有較高的測量精度和實時性。