CCD物位测量技术

1、CCD在物位测量中的应用电测二班 赵梵丹1 引言近年来，电子型物位仪表发展很快，微电子技术的渗入大大促进了新型物位测量技术的发展，在连续测量和定点测量领域都开发了许多新型物位测量仪表，并使物位测量仪表产品结构产生很大变化。其中非接触测量物位技术是发展最快、应用最广的一种物位测量技术。物位测量仪器对使用条件都有较大的限制，如超声波物位计、雷达物位计，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。基于CCD的物位测量方法也是一种非接触式测量方法，同时这种方法也不受容器的

2、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 CCD物位测量2.1 CCD简介电荷耦合器件(CCD) 是一种新型的固体成像器件，是近代光学成像领域中非常重要的一种高新技术产品。作为一种新型图象传感器，CCD 器件具有灵敏度高、光谱响应宽、动态范围大、操作简便、易于维护、成本低、应用广等诸多优点。由于CCD的像元尺寸小、几何精度高，配置适当的光学系统，即可获得很高的空间分辨率，特别适用于各种精密图象传感和无接触工件尺寸的在线检测。由于CCD是以时间积分方式工作的，光积分时间可在很宽的范围内调节，因此使用方便灵活，适应性强，CCD的输出信号易于数字化处理，易于与计算机连接组成实时自动测量

3、控制系统，可以广泛用于光谱测量及光谱分析，文字与图象识别，光电图象处理，传真、复印、条形码识别及空间遥感等众多领域。2.2 CCD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。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

4、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，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：（1）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

5、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的增加。由图1和( 1)式可以看出， 夹角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。为了弥补以上两个方面的缺陷，本文采用如图2所示的改进的CCD物位测量原理。图2中不需要假设激光光线与CCD中线在物面1相交，能够得到安装条件所允许的能达到的最大夹角。其中，L为CCD镜头中心到激光光线间的水平距离，d1、d2为物面1、物面2上的光点图像到CCD像面

6、中心的距离。由成像原理可得： ， （2）由( 2) 式可得测量模型为：（3）其中，a=H，b=Lf/H，d=d1+d2为物面2相对于物面1的像点位移。若激光器和CCD的参数和位置确定，则参数a和b也确定。但是在实际工作中，由于安装条件等的限制，常常要避免激光器、CCD的精确定位和CCD镜头的精确聚焦； 同时，为了简化测量装置以降低成本，在有些条件下(例如测量范围较小时)可使用定焦镜头。因此，参数a、b的值一般通过标定方法估计出，以得到离焦模型。3 小结基于光束式结构光的CCD物位测量，测量精度高，抗干扰能力强，能够在复杂的应用场合进行物位测量。随着CCD技术的发展，CCD的测量精度将会不断提高，而成本会不断降低，所以CCD物位测量技术将有广阔的应用前景。4 参考文献1 朱亚洲,熊庆国,肖琴,罗汉清. 我国物位测量技术的发展途径J. 工业仪表与自动化装置. 2006(04)2 宋华,孟晓风. 一种基于CCD的物位测量方法J. 仪器仪表学报. 200