基于DSP的物體重量實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測的研究
研究了一種利用CCD傳感器對(duì)物體重量進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測量的方法。在討論了利用CCD測物體重量的原理的同時(shí),還給出了基于DSP的硬件實(shí)現(xiàn),最后給出了數(shù)據(jù)處理的過程及算法。
關(guān)鍵詞:電荷耦合器件,動(dòng)態(tài)測量,DSP
1 引 言
目前,對(duì)物體的重量進(jìn)行測量主要依據(jù)兩種基本原理。一是利用力學(xué)中的杠桿平衡原理,二是利用各種傳感器將物體的重量信息轉(zhuǎn)化成電信號(hào),再對(duì)此電信號(hào)進(jìn)行分析處理提取該物體的重量信息。前者適用范圍廣,量程大,是一種經(jīng)濟(jì)的方法,但測量精度有限且需人工完成,因此,這種方法無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測量。后者采用了傳感器,這就有利于用電子裝置來對(duì)重量信息進(jìn)行分析、計(jì)算,并顯示結(jié)果,但是,很多傳感器受動(dòng)態(tài)范圍的限制。本文則從光學(xué)技術(shù)角度結(jié)合力學(xué)原理利用CCD傳感實(shí)現(xiàn)了對(duì)物體的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)測量。
2 測量原理
CCD對(duì)物體進(jìn)行測量的原理如圖1所示。平面鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)支點(diǎn)為O,且垂線OW交透鏡軸為W點(diǎn)。W點(diǎn)位于f′(焦距)與2f′之間。當(dāng)沒有測量物體時(shí),平面鏡與激光束的交角為θ。CCD放在透鏡的右邊,它和透鏡中心的距離為f′,這樣便于計(jì)算y′。下面分析其原理并導(dǎo)出測量公式。
被測物體在彈簧上產(chǎn)生形變。設(shè)物重為G,彈簧的彈性系數(shù)為k,形變?yōu)閤,根據(jù)虎克定律,則
G=kx。(1)
將彈簧形變反映為平面鏡的轉(zhuǎn)角變化θ。
半導(dǎo)體激光器發(fā)出的連續(xù)平行激光,入射到平面反射鏡上,平面鏡不同位置對(duì)應(yīng)不同反射光線。反射光線聚集到CCD上,如圖1所示,利用副光軸的作圖法,不難得出如式(2)所示的關(guān)系:
其中,y′代表CCD上的光點(diǎn)到光軸的距離。f′代表透鏡的焦距,θ代表平面反射鏡的轉(zhuǎn)角。由此可見,如果能夠通過CCD快速準(zhǔn)確地獲得y′,那么通過求反函數(shù)就可以求得θ。
下面推導(dǎo)測物體重量G的公式,也就是要導(dǎo)出G與y′的關(guān)系式。
圖1中,l為彈簧原長,h為平面鏡固定點(diǎn)距水平位置的高度,φ為平面鏡處于平衡位置時(shí)與垂直方向的夾角,s為彈簧到平面鏡固定點(diǎn)O水平方向上的距離。由圖1可知,
又
將式(7)代入式(1)得
3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
圖2所示是本系統(tǒng)的工作原理:CCD圖像傳感器把光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。在A/D轉(zhuǎn)換器中,將CCD產(chǎn)生的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),并傳輸?shù)綀D像存儲(chǔ)單元。DSP通過對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理,最后輸出結(jié)果。
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