基于DSP利用CCD傳感實(shí)現(xiàn)對(duì)重物的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)測(cè)量

　引言
　　由于CCD具有尺寸小、重量輕、功耗低、超低噪聲、動(dòng)態(tài)范圍較大、線性好、光計(jì)量準(zhǔn)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(diǎn)，因而在工件尺寸測(cè)量、工件表面質(zhì)量檢測(cè)、物體膨脹系數(shù)檢測(cè)，以及圖像傳感、攝像機(jī)、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(xué)技術(shù)對(duì)物體的重量進(jìn)行測(cè)量。目前，對(duì)物體重量進(jìn)行測(cè)量主要依據(jù)兩種基本原理，一是利用力學(xué)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(hào)，再對(duì)此電信號(hào)進(jìn)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(cè)出從非常輕到非常重的物體的重量，并且是一種經(jīng)濟(jì)的方法，但測(cè)量精度有限，需人工完成，因此這種方法無法達(dá)到實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量。后者由于采用了傳感器，有利于利用電子裝置來對(duì)重量信息進(jìn)行分析、計(jì)算，以及結(jié)果的顯示，但是很多傳感器受到動(dòng)態(tài)范圍的限制。本文則從光學(xué)技術(shù)角度結(jié)合力學(xué)原理利用CCD傳感實(shí)現(xiàn)了對(duì)重物的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)測(cè)量。
　　測(cè)量原理
　　CCD對(duì)物體進(jìn)行測(cè)量的原理如圖1所示。平面鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)支點(diǎn)為O，且垂線OW交透鏡軸為W點(diǎn)。W點(diǎn)位于f‘焦距與2f’之間。當(dāng)沒有測(cè)量物體時(shí)，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(jì)算y’。
　　
　　下面分析其原理并導(dǎo)出測(cè)量公式。
　　1．被測(cè)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(duì)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(diǎn)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(zhǔn)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(cè)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(diǎn)距水平位置的高度，φ為平面鏡處于平衡位置時(shí)與垂直方向的夾角。s為彈簧到平面鏡固定點(diǎn)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）