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。
圆柱面透镜的焦线位置(焦距)的计算与球面透镜的焦点位置的计算完全一致。由几何光学中球面厚透镜的相关公式[3]可计算得:一折射率为n、半径为R的圆柱形透镜置于空气中时,其焦距为
其主面位于中心对称面,因此f′即为圆柱形透镜焦线至其圆心轴线的距离。
为了使LED和CCD之间的距离最小,应该采用1倍成像系统,此时LED和CCD对称地放置于玻璃管两边,并且它们各自距离主面(也即玻璃管中心轴线)的距离都是2f′,如图3所示。
三、分析及结论
由公式(1)可知,因为液体折射率一般在1～2之间,所以公式中分母里的因子(n-1)项较小,焦距f′对液体折射率n的变化比较敏感。从而LED所成线状像的位置对于不同折射率的液体来说变化较大,又因为线阵CCD的接收像素宽度很小(仅为十几微米),则像的位置离开CCD较小距离就会使CCD像素所接收到的束角远小于像方光线的会聚角θ,引起CCD上光强的很大变化,使CCD所输出的视频信号有较大的起伏变化。从以上分析可知,对于两种折射率不同的液体,其所引起CCD输出的信号有较大不同,此光学系统能很好地保证对两种液体界面判断的准确性。
例如对于油水分界面的检测,水的折射率n=1.33,油的折射率取其较小值n=1.4,计算得水柱焦距f′=2R,油柱焦距f′=1.75R。以水对光源所成像作为基准像,计算得油对光源所成像距离CCD所在基准位置的距离为d=0.47R,玻璃管直径取较小值Φ10mm,即R=5mm,则d=2.35mm,可见CCD像素宽度b(14μm)对油所成的光源像所张的接收角(约为b/d弧度角)远小于成像光线的会聚角(θ约为2R/2f′=0.5弧度,其中f′为水柱焦距),对油层部分CCD所接收到的光能远小于其在水层部分所接收到的光能。
以上分析忽略了玻璃管壁对光线会聚的影响,这是合理的。因为管壁厚度相对于玻璃管直径来说较小,其所引起的光焦度较小;而且玻璃管光焦度对两种液体聚光作用的影响同样存在而使得其对分析结果的影响可忽略。另外,由于实际中线光源具有一定的宽度(光源像具有一定的宽度保证了线阵CCD接收位置便于调整)而对CCD上所接收到的光能大小也有一定的影响,但此种影响可通过对光源宽度的大小加以调整和控制,使其影响不大。
如上可知,在液位界面的检测中,当两种可透光液体(或液气)之间的透光率比较接近时,利用液柱的聚光性质来进行光学系统设计,比起单纯利用液体(或液气)之间的透光率不同来判断液位界面的位置,其灵敏度和可靠度都有很大提高,同时对检测信号后续处理电路的要求也有很大降低。
参考文献
1 蔡文贵等.CCD技术及应用.北京:电子工业出版社,1992,42～47
2 王庆有,孙学株.CCD应用技术.天津:天津大学出版社,1993,17～45
3 Max Born and Emil Wolf. Principles of Optics, 5thed. Oxford, Pergamon press, 1975, 161～163
本文作者：何树荣 杨丽君 熊政辉
