CCD物體重量實時動態監測的研究
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一、引言
由于CCD具有尺寸小，重量輕、功耗低、超低噪聲，動態范圍較大，線性好，光計量準確、光譜響應范圍寬，幾何結構穩定，工作可靠和耐用等優點。因而，在工件尺寸測量，工件表面質量檢測，物體膨脹系數檢測以及圖象傳感，攝像機，智能傳感器等方面得到了廣泛的應用。本文則討論利用CCD作為圖象傳感器結合光學技術對物體的重量進行測量。目前，對物體的重量進行測量主要依據兩種基本原理。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，并且是一種經濟的方法，但測量精度有限和需人工完成。因此這種方法無法達到實時動態測量。后者由于采用了傳感器，這就有利于利用電子裝置來對重量信息進行分析、計算，以及結果的顯示。但是很多傳感器受到動態范圍的限制。本文則從光學技術角度結合力學原理利用CCD傳感實現了對重物的動態實時測量。
二、測量原理
CCD對物體進行測量的原理如圖1所示。平面鏡的轉動支點為O，且垂線OW交透鏡軸為W點。W點位于f′v焦距w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出測量公式。
1、被測物體在彈簧上產生形變。設物重為G，彈簧的彈性系數為k，形變為x，根據虎克定律：
2、將彈簧形變反映為平面鏡的轉角變化θ
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3、半導體激光器發出的連續平行激光，入射到平面反射鏡上，平面鏡不同位置對應于不同反射光線。反射光線聚集到CCD上，如圖1所示，利用副光軸的作圖法，不難得出下面關系式：
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@，那么通過求反函數就可以求得θ
下面推導測物體重量G的公式，也就是要導出G與y@關系式。
其中l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：
（3）利用相似三角形比例公式有：
（4） 又
（5）
由（3）、（4）、（5）得
（6）
由公式（2）、（6）得
（7）
將式（7）代入式（1）得
（8）
三、系統設計
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如圖2所示本系統的工作原理：CCD圖像傳感器把光信號轉變為電信號。在A/D轉換器中，將CCD產生的電信號轉換為數字信號，并傳輸到圖象存儲單元。DSP通過對數字信號進行處理，最后輸出結果。
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