一种基于CCD的物位测量方法

　　1　引　　言

　　物位测量在工业生产中具有重要的意义。一般物位测量仪器对使用条件都有较大的限制,如浮子式液位计要求环境温度不太高,测量对象粘性小,腐蚀性 低等;电容式物位计要求测量对象物理特性稳定,同时,　高温下的强腐蚀性将使电容式物位计的抗腐蚀设计难度剧增甚至难以实现;超声波物位计、雷达物位计是 非接触式测量工具,不受测量对象等因素的影响,但实践表明,物料容器的形状和结构将直接影响其测量结果。因此,在较复杂的应用条件下(如化工等行业中的某 些反应釜的物位测量),上述常用测量仪器都难以使用。

　　本文采用的CCD物位测量方法也是一种非接触式测量方法,不受测量对象的影响;同时这种方法也不受容器的形状和结构等的影响。因此能够应用于较复杂的应用场合。

　　2　测量原理

　　CCD物位测量方法是指以CCD作为图像传感器,用计算机进行图像处理来获取物位信息的一种计算机视觉检测方法。按所用的照明方式的不 同,CCD物位测量方法可分为主动式方法和被动式方法[1]。结构光方法属于主动式方法,是指向被测目标发射可控光源(光束、光栅等),然后获取目标图 像,通过测量模型进行物位测量的方法。对于特征不明显的物面,可用结构光方法来形成特征点。本文采用光束式结构光方法,这种方法的可控光源是激光光束,其 结构简单,计算方便,适应性强。

　　基于光束式结构光的CCD物位测量原理,是由激光器产生测量所需的固定光束,在被测物面上形成特征光点,当被测物面沿某一方向移动时,光点在 CCD像面上形成的像点位置也随之变化,根据成像原理,可由像点的移动距离估计出被测物面的位置。通常采用的CCD物位测量原理如图1所示[2],假设 CCD垂直于物面;物面1为设定零点位置,物面2为待测位置,且物面1和物面2均在CCD镜头的焦距附近;激光光线与CCD中轴线在物面1上交于一点。设 θ为激光光线与CCD中轴线间的夹角,CCD镜头与物面1间的距离为H。由成像原理可以得出物面2的位置h和　　像点位置变化d的关系,即测量模型为:

　　上述原理存在两个缺陷:1)测量模型是在激光光线与CCD中线在物面1上交于一点的假设条件下得出的,在实际应用中,这个条件很难达到;2)上 述假设条件在实际应用中有时会限制夹角θ的增加。由图1和(1)式可以看出,夹角θ和测量精度有直接相关:当夹角较大时,h增加单位长度将使光束的像点移 动较多的像素,即当d增大时,每个像素所对应的h变化量越小,所以可以得到较高的精度。在应用中,为提高测量分辨力,应尽量增大角度θ。