使用CCD测量玻璃管内液体界面位置的灵巧测量头

　　一、引　言

　　在CCD图像传感测量系统中,由光学系统与CCD组合而成的测量头是其重要的组成部分,测量头的设计将对测量结果有较大的影响。对于小尺寸的物体,一般采用平行光成像法[1],如图1所示,当一束平行光照射待测目标投影到CCD传感器上时,在CCD上形成相应于待测物体外形轮廓尺寸的阴影区,计数CCD上被遮光的光敏元的个数,即可确定被测物体的尺寸。当被测物体的尺寸较大时,则采用远心成像光学系统[2]。将被测物体通过远心成像物镜成像于CCD上,计数被物像遮挡或照亮的CCD光敏元的个数,得到像的尺寸T,则可计算得物的尺寸为δ=kT(k为成像物镜的放大倍数)。

　　上述两种方法适用于测量不透光或发光物体的尺寸。而对于透光特性相近的两种液体的界面测量的CCD测量头,文献资料很少有介绍。

　　本文以测量油水分界面位置为例,给出了这种CCD液位测量头的系统设计考虑及特点。

　　二、测量头装置及其系统特点

　　传统的玻璃试管外壁上刻有分划线,靠人眼观察管内液体界面位置来判读,无法适应长期连续监视的要求。本液面位置测量系统是为了使用计算机自动监测直径为15～25mm、长度近1m的玻璃试管内透明油水界面位置而设计的。在该测量系统中,将1m长的玻璃管分为50个测量段,在每个测量段内使用CCD构成的测量头进行液面的精确判读。该随动测量头沿着平行于玻璃管外壁的导轨上下分段爬行。在导轨上每一测量段设置一个定位开关作为测量头位于该段的判定标志,使用计算机控制测量头移动并判定其在哪一个测量段上。为此,既要求测量头的重量和体积小巧,以利于控制其上下爬行;还要求测量头当停在管壁上某一处时,能得到两种不同液体分界面在CCD上清晰的像。本文着重讨论CCD测量头的设计特点。

　　随动测量头装置如图2所示,待测液体位于一圆柱形的液位计量玻璃管G中,用线阵发光二极管(LED)作为线光源照明以使光源形式和线阵CCD接收光敏元的线阵列相匹配。为了使测量头装置结构小巧,应合理安置线阵LED和CCD,使它们之间的距离尽量地小。CCD输出的视频信号经过后续处理,输入微机完成测量采样、数据处理、参数分析及显示。

　　由于检测的液体具有一定的透光率,当两种液体的透光率比较接近时,若只是利用两种液体的透光性不同在CCD上所引起的光强差别进行信号鉴别,则CCD输出视频信号的起伏很小,不易进行检测,且受外界环境因素的影响也较大。为此,我们考虑到两种液体折射率的差别,利用了液体盛于圆柱形玻璃管中即形成一柱形透镜的特点。不同折射率的液体,其所形成柱状透镜的聚光能力不同,也即玻璃管中上下两种液体所形成的透镜各自有不同的焦距,因而它们对同一位置的光源(线阵LED)所成像的位置也就不一样。将进行信号接收的线阵CCD置于其一液体所成的光源像面上,而另一液体所成的光源距离较远,它所能达到CCD的光能较小,所以CCD上所接收的光强分布有较大起伏,而使得CCD所输出的视频信号便于后续处理的进行。对于CCD所在基准像面的选择,应选择透光率较大的液体所成光源像面作为基准像面,这样可以更加提高CCD上的光强起伏差别;当两种液体中有一种液体性质会变动时(如油水分层中的油其折射率就会变动),应选择另一种性质在测量时始终一致的液体(如油水分层中的水)所成的光源像作为基准像。