基于DSP利用CCD传感实现对重物的动态实时测量

　引言
　　由于CCD具有尺寸小、重量轻、功耗低、超低噪声、动态范围较大、线性好、光计量准确、光谱响应范围宽、几何结构稳定、工作可靠和耐用等优点，因而在工件尺寸测量、工件表面质量检测、物体膨胀系数检测，以及图像传感、摄像机、智能传感器等方面得到了广泛应用。本文讨论利用CCD作为图像传感器结合光学技术对物体的重量进行测量。目前，对物体重量进行测量主要依据两种基本原理，一是利用力学中的杠杆平衡原理，二是利用各种传感器将物体的重量信息转化成电信号，再对此电信号进行分析处理提取该物体的重量信息。前者适用范围广，即可测出从非常轻到非常重的物体的重量，并且是一种经济的方法，但测量精度有限，需人工完成，因此这种方法无法达到实时动态测量。后者由于采用了传感器，有利于利用电子装置来对重量信息进行分析、计算，以及结果的显示，但是很多传感器受到动态范围的限制。本文则从光学技术角度结合力学原理利用CCD传感实现了对重物的动态实时测量。
　　测量原理
　　CCD对物体进行测量的原理如图1所示。平面镜的转动支点为O，且垂线OW交透镜轴为W点。W点位于f‘焦距与2f’之间。当没有测量物体时，平面镜与激光束的交角为θ。CCD放在透镜的右边，它和透镜中心的距离为f‘，这样便于计算y’。
　　
　　下面分析其原理并导出测量公式。
　　1．被测物体在弹簧上产生形变。设物重为G，弹簧的弹性系数为k，形变为x，根据虎克定律：
　　G=kx （1）
　　2．将弹簧形变反映为平面镜的转角变化θ。
　　3．半导体激光器发出的连续平行激光，入射到平面反射镜上，平面镜不同位置对应于不同反射光线。反射光线聚集到CCD上，如图1所示，利用副光轴的作图法，不难得出下面关系式：
　　y‘=f’tg2θ （2）
　　
　　其中y‘代表CCD上的光点到光轴的距离，f’代表透镜的焦距，θ代表平面反射镜的转角。由此可见如果能够通过CCD快速准确地获得y‘，那么通过求反函数就可以求得θ。
　　下面推导测物体重量G的公式，也就是要导出G与y’关系式。
　　其中l为弹簧原长，h为平面镜固定点距水平位置的高度，φ为平面镜处于平衡位置时与垂直方向的夹角。s为弹簧到平面镜固定点O水平方向上的距离。由图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）
　　将式（7）代入式（1），得
　　　（8）