线阵CCD在长杆测量中的应用

　　CCD摄像机作为光电探测的前端传感器早已被人们广泛采用。由线阵CCD、光学系统、微计算机数据采集和处理系统构成的CCD检测系统,具有非接触、自扫描、高分辨率、高灵敏度、结构紧凑等优点。近十年来,应用领域在不断扩展,无论是应用领域的广泛性,还是在科研项目中的应用深度上,都是前所未有的。线阵CCD用于长度测量时,光照方式有投影式和反射式两种,投影式的光学系统要求严格,结构复杂,它的应用已有专文详细讨论;反射式结构简单、体积小,具有较大的开发潜力。本文针对长杆反射式测量中光源、被测物的形状、表面特性及其相互影响等作一探讨。

　　1　测量装置及系统

　　线阵CCD反射式测量系统包括光学系统(含光源S),线阵CCD和数据采集处理系统(图1)。光源S发出的光,投射到被测物上,经反射由光学系统成象到CCD像面上,CCD信号经A/D转换后由计算机采集,经二值化,就可定出被测物的边界,从而求得被测物体的高(长)度。

　　对于长杆这样大的被测物,长度达数米到十多米,若是单件或数件的测量,在精度要求不太高的情况下,任何简单的办法都可以做到。若是成批的又要求简单快速测量时,采用线阵CCD测量,不失是一种好方法。但是单个线阵CCD的测量范围往往较小,不能满足测量要求,如果采取光学缩小的办法,必然导致分辨率下降,测量精度降低。这时可以采用以下方法:把长杆垂直竖起,靠其自身重量使长杆保持直线状态;或者把长杆放置于V型槽中,使其保持直线状态。在长杆两端适当的位置安装两套CCD测量系统,用已知长度的直杆(标准杆)事先定出两CCD间的距离H,这样就可以成批测量长杆的长度了(图2)。被测杆的长度等于两端CCD测量系统测得值加上H的值。其数学表达式可表示为:

式中h——被测长杆的长度;

　　n1——CCD1测得的光敏元个数;

　　n2——CCD2测得的光敏元个数;

　　H——两CCD间的距离;

　　a——光敏单元的宽度;

　　B——光学系统的放大倍数。

　　2　实验和分析

　　被测物体的外表面的状况对光的反射效果有着直接影响。理想被测物表面是光滑的,即光散射和漫反射的影响很小。对平面形物体而言,反射光基本在同一方向,即使被测物体在Y方向有一位移,完全不影响测量结果的准确性。但对于曲面(以圆柱为例),产生的效果却不一样。在图1的测试系统中,垂直于Z轴作一剖视图如图3所示(图中只画出单光源)。

　　当光源横向位置(Y向)有一微小变化,必将引起像在CCD成像面上很大变化,从而,使得CCD获取信号失败。不过设计的光源本身都具有一定的尺寸,光学系统有一定的景深,被测物在Y向允许有一定的变化量。总之测量圆柱物体时,CCD相机、光学系统、被测物之间的相对位置要求是比较严格的。