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硕士论文水准泡尺寸的自动化检测分选装置及其研究 摘要 本论文详细论述了一种水准泡尺寸的自动化检测和分选装置。该装置由c m o s 图像传感器获取水准泡图像信号，经过单片机处理后得到水准泡中水泡的位置信息， 单片机根据所得到的位置信息判断水准泡是否平衡并控制步进电机将水准泡调节到 水平位置，最后得到的水泡大小并将水泡大小分类后显示在自己编写的界面软件上。 文章还进一步对水准泡的光学理论数学模型进行了研究，并根据光学理论数学模型探 讨出最适合该自动检测和分选装置的图像处理算法。实践证明该装置能较好的实现水 准泡的自动检测，使水泡检测的效率大大提高，并且检测精度可达5 o n 一1 0 u n ，远 远超出人眼的最大分辨本领0 2 m m 。 本论文还具体描述了该自动化检测和分选装置的硬件和软件组成。硬件组成主要 包括图像采集模块、主处理器、步进电机控制模块和显示模块四个部分；软件部分主 要包括图像处理算法的具体实现和界面软件的编写。 关键词：水准泡，光学理论模型，自动检测，图像处理，界面软件 硕士论文 水准泡尺寸的自动化检测分选装置及其研究 a b s t r ac t a na u t o d e t e c t i n ga n dc l a s s i f y i n gd e v i c eo ft h es i z eo fp l a t el e v e li sd i s c u s s e di nt h e p a p e r t h i se q u i p m e n t o b t a i n st h ei m a g es i g n a lo fp l a t el e v e lt h r o u g hc m o si m a g es e n s o r , a n dg e t st h ep o s i t i o ni n f o r m a t i o no fb u b b l ei nt h ep l a t el e v e la f t e rp r o c e s s i n g p r o c e s s o r e s t i m a t e sw h e t h e rt h ep l a t el e v e li sp l a n eo rn o ta c c o r d i n gt ot h ek n o w ni n f o r m a t i o n ，a n d c o n t r o l st h em o t o rt oa d ju s tt h ep l a t el e v e lt oap l a n ep o s i t i o n ，a n df i n a l l yd i s p l a y st h es i z e a n dc l a s s i f i c a t i o no fb u b b l eo nt h ei n t e r f a c es o f t w a r ew r i t t e nb yt h ea u t h o r t h i sp a p e rh a s a l s of t l l t h e rr e s e a r c h e st h et h e o r e t i c a lo p t i c a lm o d e l ，a n df i n d so u tam o s ts u i t a b l ei m a g e p r o c e s s i n ga r i t h m e t i cf o rt h ea u t o d e t e c t i n ga n dc l a s s i f y i n ge q u i p m e n ta c c o r d i n gt ot h e t h e o r e t i c a lo p t i c a lm o d e l i th a sp r o v e dt h a tt h i se q u i p r f i e n tc a np e r f e c t l yc a r r yo u tt h e a u t o - d e t e c t i n g ，a n dg r e a t l yi m p r o v et h ed e t e c t i n ge f f i c i e n c yw i t ht h ep r e c i s i o no f5 _ o n 一 10 a nw h i c hi sf a rs u r p a s st h ec a p a b i l i t yo fn a k e d - e y e0 2m m i na d d i t i o n ，t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ec o m p o n e n t so fa u t o - d e t e c t i n ga n dc l a s s i f y i n g e q u i p m e n ti sp a r t i c u l a r l yd e s c r i b e di nt h i sp a p e r t h eh a r d w a r ec o m p o n e n t sm a i n l yi n c l u d e f o u rp a r t s ：i m a g ea c q u i s i t i o nm o d u l e ，c e n t r a lp r o c e s s o r , m o t o rc o n t r o l l i n gm o d u l ea n d d i s p l a y i n gm o d u l e ；t h es o t w a r ec o m p o n e n t sm a i n l yi n c l u d et h ec o n c r e t er e a l i z a t i o no f i m a g ep r o c e s s i n ga r i t h m e t i ca n dw r i t i n gi n t e r f a c es o f t w a r e k e yw o r d ：p l a t el e v e l ，t h e o r e t i c a lo p t i c a lm o d e l ，a u t o - d e t e c t i o n ，i m a g ep r o c e s s i n g ， 声明尸明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 己在论文中作了明确的说明。 研究生签名：j 蟀 谐年乡月冶 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生虢强蝉一 砌年石月洎 硕士论文 水准泡尺寸的自动化检测分选装置及其研究 1 绪论 水准器提供高精度的水平基准，作为安平指示器应用于各类仪器，尤其在测量仪 器的安平中，用来指示某一轴线处于水平或铅垂位置。而目前作为长水准器主要部件 的长水准泡的检测主要是目视的人工检测，检测精度和检测效率较低，不适应于批量 的生产和校验。本课题意义就在于通过设计水准泡尺寸的自动化检测分选装置使对长 水准泡的检测和分选实现自动化，以提高检测的精度和效率，适应水准泡批量生产和 校验的工业化要求。 目前国内的水准器生产厂家由于制造工艺的相对落后，生产出来的各种水准器存 在一定的质量问题，比如：溶剂里面含有杂质，影响水准泡的精度和格值；不同厂家 生产出来的同一规格的水准器由于选用溶液的不同而造成灵敏度的不同；同一规格的 水准泡里水泡大小不同；水准泡有细小的裂纹等等。应用水准泡的测量仪器也因水准 泡的问题而使其性价比大打折扣，满足不了国际化的标准需求。所以实现水准泡检测 和分选的自动化很有研究价值，应用市场很广泛，不但可以节约劳动力成本，更重要 的是提高检测的精度和效率，以提高企业国内和国际的竞争力。 参与本课题研发的c h e r v o n 公司是一家香港注册公司，专业从事电动工具的研发、 生产、测试与销售，是立足于中国的全球性电动工具重要供应商之一，产品畅销包括 美国、欧洲、澳洲和日本在内的全球主要市场。公司在中国大陆、香港、北美、欧洲 建立了专业化的生产制造基地、贸易公司、服务公司以及产品研发、测试中心，现有 员工4 0 0 0 多名。该公司第一事业部位于南京，主要生产水平指示及测试装置，主要产 品有：水平尺、激光笔、激光十字仪、扫平仪等，这些仪器的安平主要采用长水准器， 日水准器的使用量超过2 0 0 0 0 个，而目前作为长水准器主要部件的长水准泡的检测主 要是目视的人工检测，检测精度和检测效率较低，导致产品的返回率比较高，主要原 因就在于安装于产品内的水准器，例如任意取出同一种产品中的几个放在一起比较， 会出现水泡的大小不一致；更甚者，同一个产品中安装的多个水准泡也会有水泡大小 不一致的现象，满足不了国际和国内用户的使用要求。应其公司要求，本课题组和其 公司达成合作协议，为其公司开发研制水准泡尺寸的自动化检测分选装置，以满足其 公司水准泡批量生产和校验的工业化要求n ，。 本学位论文的研究内容主要包括以下几个方面： 1 、水准器的物理属性：主要研究水准器的应用、工作原理、管壁材料、液体成 分等等的物理属性。 2 、水准泡的光学数学模型：主要根据水准泡的数学模型和不同的光照形式得出 不同光源下水准泡的理论光学数学模型，得到最佳光照形式的理论基础和依据，从而 模拟出本系统水准泡的理想数据图像。 1 绪论硕士论文 3 、系统的硬件研究：包括主要模块芯片的选择和系统的实现等。 4 、对得到的相应稳定的数字图像信号进行分析和处理，包括适合本系统的图像 处理算法的研究。 5 、用v c + + 完成相应检测、分选界面应用软件的设计和编写。 2 硕士论文 水准泡尺寸的自动化检测分选装置及其研究 2 水准器 2 1 水准器的用途、分类、工作原理及材料【2 】【3 】 2 1 1 水准器的用途 水准器是用来指示仪器的某一轴线处于水平或铅直位置的器具。在大地测量仪器 中，水准器有如下几个作用： ( 1 ) 使仪器的竖轴正置于铅垂位置，这种水准器称为竖轴水准器或照准部水准器。 ( 2 ) 使望远镜的视准轴位于水平位置，这种水准器称为望远镜水准器。 ( 3 ) 使竖直度盘指标处于零位，这种水准器称为竖直指示水准器。 水准器也用来精确地测量微小倾角，如测量经纬仪横轴倾斜量的跨水准器。在 天文观测中，用纬度水准器使望远镜设置在某一不变高度角。 水准器在精密机械设备的安装中使用也比较广泛，如精密机床的安装，大型发 电机主轴的安装、矿井大型提升机主轴的安装等。 2 1 2 水准器的分类 大地测量仪器用的水准器可分为两类，圆形水准器和管状水准器( 通称水准管) 。 管状水准器又可分为三种：普通式管状水准器；补偿式管状水准器和隔室式管状水准 器。 图2 1 2 1 管状水准器 普通式管状水准器如图2 1 2 1 所示，为了减少气泡长度随温度变化对灵敏度变化 的影响，在补偿式管状水准器中放一玻璃片后玻璃棒，来减少管内液体的体积，从而 减少液体体积受温度变化的影响，因而气泡长度的变化也减少。隔室式管状水准器用 一个带孔的玻璃片把整个水准管分成主副两格，用副格内的液体来调节主格内气泡的 长度。 圆形水准器如图2 1 2 2 所示，上部玻璃片的内表面为一均匀的圆球面，中央刻 有一小圆圈，下面为一带封嘴的玻璃座，两者用专门的合成胶胶合在一起，或者将上 玻璃片与玻璃座进行熔接，以免脱胶。 管状水准器和圆水准器一般采用烧制过的石膏固结在水准器座上，高精度的水准 器应当用弹性套固定，以防止因变形而降低精度。为了提高气泡的衬度，在水准器底 2 水准器硕士论文 部垫白纸或涂以白漆，在两侧衬上黑纸。井下或夜间使用的水准器，可以涂上夜光材 料，外加保护层。 2 1 3 水准器的工作原理 水准器的结构如图2 1 3 1 所示，它的内 部工作面( 上内表面) 是玻璃片，将其研磨 成一定曲率的球面或旋转圆弧面，里面灌有 液体，并留有一个空隙即所谓的气泡。由于 重力作用，气泡必定位于工作面的最高位 置，若从气泡的中心做工作面的切线或切面 则此线一定是水平线。 台面 图2 1 2 2 圆形水准器 通过水准器中点d i 对管内圆弧所作切线三三，称为水准器轴，它与通过d 点的铅 垂线d i d 垂直。为了指示气泡的位置，管状水准器上一般都刻有分划，分划线间距， 对于用肉眼观察的水准器规定为2 毫米。因水准 器倾斜而使气泡位置变动一格时的倾斜角称为工 水准器的角值。鉴于有些水准器是没有分划的或 其格线间隔不是2 毫米，为使参数的统一起见， 规定不论哪种水准器，当气泡变动2 毫米的倾斜 角，统称为水准器的角值。水准器的角值及尺寸 参数在国家标准g b l l 4 6 - 7 4 中有详细规定。 水准器的角值f 是每一格分划( 2 r a m ) 所对应 的圆心角，即 f i 一o ! o i ! ：三 图2 1 3 1 水准泡工作原理图 式中r 为圆弧半径，单位为毫米；p ”= 2 0 6 x1 0 5 。 由上式可以看出f ”与r 成反比，所以从几何尺寸上讲，r 值是水准器精度的决定 因素，当r = 4 1 2 5 3 0 m 时，f ”= l ”；当r = o 11 5 m 时，f ”= 6 0 。 圆水准器的角值有8 、1 5 、3 0 、6 0 等。 管状水准器的角值有4 ”、6 ”、1 0 ”、2 0 ”、3 0 ”、1 、2 、3 、6 - 、1 0 、1 5 、3 0 ，等。 2 1 4 水准器的材料 过去水准器主要采用玻璃作为外壁，水准器内的液体主要为乙醚，用专门的合成 4 硕士论文 水准泡尺寸的自动化检测分选装置及其研究 胶进行封闭，防止液体外泄。但随着材料工艺的发展，和水准器制造工艺的进步，目 前水准器生产厂家已经主要采用有机玻璃作为外壁，液体主要采用了煤油或者煤油混 合酒精，用超声波技术将其封闭，有时液体内掺入荧光粉以备夜间使用。 2 2 水准器中气泡的光强理论模型【4 删6 】 2 2 1 点光源入射到水泡界面的光强模型 图2 2 1 1 点光源入射示意图 如果入射光照射到液体空气气泡界面的某一点，在气泡界面的光呈点状则称之为 点光源。如图2 2 1 1 所示，点光源的入射角、折射角分别为口和，点光源入射到 水中气泡表面a 点将发生第1 次反射，将其记为芘，经气泡第1 次折射的光线记为 ，= 1 。经过b 点在气泡内壁反射的光线? - 2 ，依次类推z = 3 ，= 4 和，艺，。由 于光的偏振性，下面用菲涅耳公式计算液体气泡界面的反射和折射光强。 一、入射光p 分量的光强规律 么点所进行的第1 次折射、反射的振幅4 和4 与入射光振幅a o 之间的关系由菲 涅耳公式等= 别，如a i _ _ z p = 面2 碉s i n c # c o s p ( 2 2 1 1 ) 确定，则彳点的反射到气泡外表面的光强为 i i p = 厶，硐t a n 2 ( f l - a ) ( 2 2 1 2 ) 其中厶，= 颤是入射光p 分量强度。a 点折射进入内表面的光强为 5 2 水准器 硕士论文 厶p2 厶p 面瓦4 s i n 万2oc硐cos2 f l ( 2 2 1 3 ) 屯p 刮即盂可巧瓦磊万习 “。 川 第2 次折射、反射处界面的光强为 其中 1 2 p = “p ) z = 句丽4 瓦s i n 2 而a ! c 矾o s 2f l 两= 4 2 p 句一磅= 4 塑垫去瓮考裔硅望= 吒6 c 2 2 舢 4 s i n 2 口c o s 2 口 归五晒砀瓦磊方习 第3 次折射、反射处界面的光强为 ( 2 2 1 5 ) 厶p = p ) 2 = 磅口，p = 么知一句= 包6 ( 2 2 1 6 ) 第4 次折射、反射处界面的光强为 i 。p = 霹p q ，i p = 奄p b ( 2 2 1 7 ) 由此醌气泡界面连续两次反射的光强之比为等= 每= 器矧 连续两次折射的光强批为等= - - 争 t - - 气泡界面第甩次反射、折射的光强与。 t p 之间的关系为 其中 = l p q p ”2 ( n 2 2 ) ，名= e 卢t l - 2g 2 ) ( 2 2 1 8 一t a n 2 一口) q p2 i 亩商 ( 2 2 1 9 ) 当光线以一定的角度入射气泡，有( 2 2 1 4 ) 式确定厶p 和，后，通过( 2 2 1 8 ) 式就可以进一步确定光线在气泡界面的其他各次反射和折射的p 分量光强。 二、入射光j 分量的光强规律 图2 2 1 1 中，当入射光在彳点以振幅4 入射时，则折射光和反射光振幅4 和4 的s 分量也由菲涅耳公式 6 硕士论文 水准泡尺寸的自动化检测分选装置及其研究 等= 堡s i n ( a 豸氐s七p ) 确定。类似p 分量的计算，彳点入射光s 分量在气泡的外、内表面的光强为 15厶，酾sinz(fl-ct)111 ， si 口+ l 小厶，锗8111一i 口+ j 其中厶，= 以是入射光强的s 分量。在图2 2 1 1 的b 点，光线第2 次折射和反射 的j 分量光强为 驴“，) 2 = 危锗 2 5 以一以= 危s i n z ( a i + 讯p ) 五- s i 万n 2 ( 广f l - a ) ( 2 2 1 1 2 ) 当入射光在气泡界面第刀次反射和折射时，气泡界面s 分量的光强为 l = 厶，g ? 。2g 2 ) ，l = ，g ：也o 2 ) ( 2 2 1 1 3 ) 其中 一s i n 2 一口) 吼2 j s i n 访高 一i + 口i 从( 2 2 1 8 ) 和( 2 2 1 1 3 ) 式得出如下结论：入射光的p ，j 分量在水中气泡界 面某处反射和折射时，气泡界面内外表面所产生的光强除了第1 次不同外，以后连续 两次反射、折射的强度比具有相同的值，对p ，j 偏振态该比值不同。 由于总光强是p ，j 分量之和，所以在气泡界面某点，第甩次反射和折射的光强 与第2 次的强度之间的关系为 l = i z 。q ：越+ 厶p g 2 ，= t ；g ：。2 + t p g p n - 2g 2 ) 我们计算出图2 2 1 1 的b 点处光线第2 次折射出气泡的光强为 厶= 厶，+ 厶p = 8 厶面万s i n 4 万c r * c 硐o s 4 f l 1 + c o s 4 一口) 】 其中厶为入射到水中气泡界面的光强。 根据以上点光源的推理，以3 0 。为例进行理论分析。 我们计算点光源以口= 3 0 。的入射角照射到水中气泡界面某处的反射光、折射光 7 力一力止 吕一鸟 一 = j j44 2 水准器硕士论文 占入射光强度的比例，即( + l ) 厶，计算结果如表2 2 1 2 。 三、偏振度 当光线以一定的入射角入射，第n 次反射和折射光线的偏振度为 p ：睦型 ( 2 2 1 1 7 ) i n d + i 惦 当口= 3 0 。入射到水中气泡界面，从表2 2 1 1 可见，经多次反射和折射后的偏振 度在不断提高，到了第4 次就变成完全偏振光。 表2 2 1 1 水中气泡界面多次反射、折射的偏振度 次数 1234 偏振度( ) 2 2 14 4 21 6 4 29 9 9 9 表2 2 1 2 水中气泡界面光强的理论值 反射折射 矗 ，= 2l = 3 ，= 1 ，三 占入射光 4 8 72 9 30 1 48 8 3 2 5 5 2 1o 0 3 比例( ) 由表2 2 1 2 可以看出，理论上，水中气泡的第一次反射光仅占入射光的4 8 7 ， 大部分折射进入气泡，而第2 次折射出气泡的光占入射光的5 5 2 0 ，但第三次折射 出气泡的光占入射光的比例仅为0 0 3 ，已经很小了，因此对水中气泡界面的光强分 布，只需计算光线4 次反射的折射就足够了。 2 2 2 线光源入射到水中气泡界面的光强模型 - 聊 、 一口、 图2 2 2 1 线光源入射示意图 实际照射到水中气泡界面的光线都有一定的宽度，如果光线照到水中气泡表面呈 一维的线状则称之为线光源，如图2 2 2 1 所示，假设宽度为朋的入射光厶和厶照射 到水中气泡界面的弧线b c 处，其中厶与气泡相切，气泡半径为，由于每一条入射 光进入气泡，再从气泡另一界面出射的位置可由图2 2 2 1 中的一f e 单一决定，而且 一f e = 聊一d l ，计算后得 丽= ，( 1 一s i n g ) 一2 r c o s f l s i n ( f l 一口) ( 2 2 2 1 ) 为研究线光源入射对气泡界面某点光强的影响，讨论葡随入射角的微小变化所 产生的影响，即将舾对入射角口求导，为简便起见，令气泡半径，：1 ，则( 2 2 2 1 ) 式得 譬- 2 c 咖s 一可2 6 6 c o 蒜s c r c o s ( 2 f l - o r ) 一s 口 ( 2 2 2 2 ) ( 2 2 2 2 ) 式表面上看不出规律，通过计算机绘出图2 2 2 2 所示的曲线，可见 d i f e ) d c t 有正有负，入射角口= 3 5 。时是转变值，亦即当口 3 5 。时，d ( 丽妇口 o 且 随入射角的增大而缓慢增大，而尼随入射角的增大而缓慢减小；当3 5 。 口 o 且随入射角的增大而快速增大，葡随入射角的增大而增大，在实验中 所用的激光光源，光线宽度较细，其入射角变化较小，因此只要将入射角避开口：3 5 。 附近，则光线第2 次折射出气泡，在其界面位置处的光强仅有( 2 2 1 1 6 ) 式的单一 光线决定，与光线的宽度无关，测量光强时就不必考虑其他光线的影响，这一结论为 实验中处理有一定宽度的光线照射水中气泡起了非常重要的指导作用。 9 2 水准器硕士论文 d 嘧妇d ， i 。j l f l2 0 一弘4 0 5 06 口 ，一 图2 2 2 2 线光源第2 次折射出气泡的宽度随入射角的导数与角的关系 2 2 3 面光源入射到水中气泡界面的光强模型 图2 2 3 1 面光源照射气泡计算光强示意图( 左) 正视图；( 右) 俯视图 如果光线照射到水中气泡表面呈二维的面状则称之为面光源，面光源在气泡界面 所产生的光强应该是相应点光源的二重积分。如图2 2 3 1 左图为面光源入射到水中 气泡表面上的正视图，右图是从图2 2 3 1 左上方的俯视图，右图中所见的 g h = 2 h m = 2 l ，m 是g h 的中点，z 是可以通过探测的距离。由点光源照射水中气 泡所产生的界面光强公式进行二重积分，即可得到面光源照射所产生的光强，其中入 射角口的积分范围为。一4 8 。，y 角的取值范围为。一9 0 。，s i n y = j r c o s 比。 为了区别于点光源的光强公式，当面光源照射到水中气泡界面时，在相应光强的 下角标处加“面 字，则面光源入射到水中气泡界面，第2 次折射和反射处的内外界 面p 分量光强为 l p 面= 2 rel p d a d y ，1 2 p 面= 2 ff 2t ，d a d y ( 2 2 3 1 ) 1 0 硕士论文 水准泡尺寸的自动化检测分选装置及其研究 其中l p 和t ，如( 2 2 1 4 ) 式所示。第门次折射和反射处的内外界面的p 分量光 强为 ，：，面= 2r 21 2 p g ；d a d y ，旷2 f ：2 ，g 笋2 妇办 ( 2 2 3 2 2 ) 同理，对于s 分量，第2 次折射和反射处的内外界面光强分别为 厶，面= 2 fr l ，d a d y ，面= 2 re 丘，a a a r ( 2 2 3 3 ) 其中厶，和。如( 2 2 1 1 2 ) 式所示。第n 次折射和反射处的内外晃面光强分别为 厶，面：2fel ，g ? a a a r ，i ，面= 2r 2 ，i 。g ? d a d y ( 2 2 3 4 ) 则第刀次折射和反射的界面总光强为 厶面= 2 ff k ，q ；- 2 + 2 ，g ? 之k 办 岛= 2 ff 2 k p n - 2 + t ，g ，k 办 ( 2 2 3 5 ) 由于( 2 2 3 5 ) 式的积分较复杂，无法得出解析解，用e x c e l 得出面光源的入射 角在2 0 。一3 0 。范围内计算反射、折射光强的比例，步长取o 1 。，得出第1 次反射光与 入射光的强度比为2 2 5 ，第2 次折射出气泡的光强与入射光强之比为4 4 1 5 ，与 表2 2 1 2 所计算的点光源以3 0 。角入射时的理论值4 8 7 ，5 5 2 1 相比，在误差允许 的范围内得出的数值解结论是成立的，因为面光源反射比例随入射角的增大而增大。 2 2 4 结论 ( 1 )给出点光源入射到水中气泡某点的内外界面光强公式，气泡界面的某次 反射、折射光线的光强与第2 次的光强具有等比数列的关系。该结论不 仅对水中气泡界面适用，对光从光密介质到光疏介质的界面都适用。 ( 2 )理论计算表明，水中气泡界面的光强只需计算4 次反射和折射，第4 次 折射出气泡的光线强度趋于零，而且到第4 次界面的折射、反射光线就 变成了完全偏振光。 ( 3 )当避开口= 3 5 0 左右的入射角入射时，即便有一定宽度的线光源照到水中 气泡界面，第二次折射出气泡的光强也与光线的宽度无关，类似一条很 窄的光线入射所产生的光强分布。 2 水准器 硕士论文 2 3 水准泡相关的光强模型 7 】【8 】 根据以上的结论，从水准泡测量的实际装置出发推导出用来模拟图像传感器采集 到的光强图像的有关理论模型。 有结论( 3 ) 我们假设背景光为一线光源，光源设置在“v ”型槽的底部，光线 透过水准泡正射在图像传感器上。 由全反射定律可以推导出全反射簸界角( 水准器内液体为煤油琏= 1 4 5 ) 之= a r c s i n ( n 2n 1 ) = 4 3 。6 。 即当入射角大于4 3 6 。时光线都将发生全反射而不进入气泡。 取与水准器侧瑟垂直的最大截面，该截面垂直射入镜头照射在线阵图像传惑器 上，下图为假设气泡为圆形时的光路图( 空缺处假设为气泡与水准器上壁接触处) ： 、。广， n ；f k 身 气 ， 一，、l 幽 l 心 4 3 4 3 酽 毒 f 。 l 轰d 图2 3 1 水泡的模拟光路图 由以上推理的数据可知当第三次的反射和撬射光强已经很小，对描绘出光强巨的 影响很小，所以只需算出前两次反射和折射后的光强即可。现在为了描绘出光线透射 过气泡以后的光强图，取几个特殊的入射角，由以上推导出的光强模型计算出其第一 次和第二次折射和反射光强占入射光强的比例如下表： 1 2 硕士论文水准泡尺寸的自动化检测分选装蹩及其研究 表2 3 1 入射角与折射、反射光强的关系 入射角c 度) 1 02 03 04 0 第一次折射光 占总光强的比 6 5 6 l6 1 5 l5 2 3 82 7 8 3 例( ) 第二次折射光 占总光强的比4 3 。0 53 7 8 42 7 4 87 8 8 例( ) 第一次反射光 占总光强的比 3 3 83 54 。5 1 1 4 。6 5 碗( ) 第二次反射光 占总光强的比2 2 2 2 1 5 2 2 73 6 7 例( ) 现假设巍入射角小于l 矿时光线只折射一次后直接射出气泡，当入射角在l o 。和 4 3 6 。之闻时光线在气泡界面发生2 次折射后射出气泡，当入射角大于4 3 6 。时，入射 光线发生全反射不进入气泡，从上面的光路图可以看出，对能进入图像传感器的光线 有影响的反射光只有第二次鑫冬反射光，僵从上表可以看戮第二次爱射光占总光强的蹴 例很小，对于描绘的光强比例图的比例影响不大，所以根据以上光强比描绘出光强模 拟图近似如下： 焉蠢遗遗碡鸯 r 4 圈2 3 2 入射危与光强蹴钢关系翻 2 水准器硕士论文 我们实际检测的水准器的外形如下： u 图2 3 3 水准泡的截面图( 左) 水平截面、( 右) 垂直截面 如图2 3 3 ，气泡两侧有俩条黑色标准线，其中对于同一类型的水准器黑色标准 线的间距一定。如果光源从底部对水准器进行照射，则穿过黑色标准线的光线几乎被 全部吸收，透射出黑色标准线的光强近似等于零。水准器内液体煤油对光有一定的吸 收，水准器壁对光线也有一定的反射，光强在液体内和水准器壁都有所损失，但损失 量相对于透射量很小，对描绘光强曲线图影响不大，故可以省略不计。因为我们使用 的是线阵的图像传感器，则取垂直于图像传感器的一个截面来描绘在这个截面内能透 射进图像传感器的理论光强模型。 图2 3 4 是水准器的理论光强模型，其中b 、c 为水泡的边缘位置，且b c 的距 离随水泡的大小不同而变化；a 、d 为黑色标准线的位置，a d 的距离对于同类型的 水准器是固定不变的。 1 4 8 0 7 0 6 露 一甄0 巷 盏0 蒸莲毽 糕 3 0 2 巷 童璎 8 图2 3 。4 水准器的理论光强模型 嚣 硕士论文 水准泡尺寸的自动化检测分选装置及其研究 一k 弋。j 蝴 f lf 箩 煤油 j | 迭 4 3 酽 l ， 4 3 酽 + 。l a i i | i l iii i d 8 0 7 0 6 0 ，、5 0 撼 蕊4 0 黧 霪0 耄e 主o q ( a ) 图2 3 5 水准器的光路图( a ) 与理论光强图的对比分析图0 3 ) 根据图2 3 5 对穿过气泡的光强规律做进一步的分析：由以上的分析知道当入射 光线与水泡的夹角大于4 3 6 。时发生全反射，光线不进入气泡被反射出水准器，由上 图可以明显看出在弧线b e 和c f 处的光线都是发生全反射的区域，这些光线反映在 图像传感器上的灰度值有入射到图像传感器的光强决定，光强的大小又由反射光与垂 直方向的夹角决定，由图可以看出对于弧线b e ，随入射角的增大，反射光与垂直方 向的夹角减小，光强在垂直方向的分量增加，即是反映在图像传感器上的灰度值逐渐 增加，所以对于弧线b e ，在b 点处是灰度极小值；弧线g b 内的光线是经过两次折 射后射出水准器，由以上的公式推导，对于第二次折射出气泡的光线随着入射角的增 加，透射出气泡的光强是逐渐减小的，所以对于弧线g b ，点b 处是灰度极小值处； 同理c 点处也是灰度极小值点处。 由以上综合分析得知，在临界角4 3 6 。处，即点b 、c 处是气泡的灰度极小值。 2 水准器硕士论文 2 4 理想模型图与实际采样图的对比 ( 2 ) 图2 4 1 ( 1 ) 实际采样、( 2 ) 理想模型 如以上两图的对比可知，两图的形状大体相同，其明显的共同点为图像的四个特 征点a 、b 、c 、d 形态相同，这四个特征点就是我们要检测到的水泡边缘和水准黑 线的位置点；理论分析的数据图像的上端及透射光光强比较强的位置应该大体在同一 水平线上，但实际得到的数据图像呈“馒头”状，a 、d 两侧的图像呈逐渐减小的曲 线，非平滑。分析原因主要有以下几个方面：镜头的影响；水准器内可能有杂质；背 景光不够均匀；系统噪声有影响。 总结：本章主要根据光学的理论知识来推导出水准泡的光学理论模型，该光学理 论模型对水准泡图像处理算法的研究提供了可靠和直观的理论参考，也为提高和改进 装置的物理平台提供了很好的依据。 1 6 蜘 撼 0 簿撼麟糕 硕士论文水准泡尺寸的自动化检测分选装置及其研究 3 检测装置的硬件组成 整个水准泡自动检测和分选系统共分为两大部分：即系统的硬件组成部分和系统 的软件组成部分，在本章主要来介绍系统的硬件组成部分，系统的软件组成部分将在 下一章中详细介绍。 系统的结构原理图设计如下： 图3 1 系统的结构原理图 系统主要分为主控模块、图像采集模块和检测结果显示模块。根据检测需要，检 测装置设计采用了多处理器结构，内部用1 2 c 接口进行通信；s t r 9 1 2 f w 4 4 x 为主处 理器；步进电机处理器采用a t m e g a 4 8 ( 用1 2 c 接e l 连接到主处理器) ；图像传感器采 用线阵c m o s 图像传感器；微调台有步进电机控制在二维方向转动调平水准泡，微 调台和图像采集模块固定不动，在物理装置上确保线阵的图像传感器可以采集到水泡 的最大边界值。 系统的框图如下： 1 7 3 检测装置的硬件组成 硕士论文 图3 2 系统框图 系统的工作原理：水准泡图像通过光学系统，成像在c m o s 图像传感器光敏面 上，s t r 9 1 2 f w 4 4 x 6 处理器对l i s 1 0 2 4 图像传感器的模拟数据进行a d 转换，并将 a d 转换后的数据经过算法处理，得出的水准泡位置信息( 包括水泡的偏移方向和偏 移的大小) 通过1 2 c 传送给a t m e g a 4 8 ，a t m e g a 4 8 根据水准泡的位置信息控制步进 电机的转动方向和转动速度来调节水泡平衡，当水泡达到平衡要求时，由 s t r 9 1 2 f w 4 4 x 6 处理器把水泡的大小信息通过r s 2 3 2 接1 3 送入计算机用自制软件进 行显示。 下面具体介绍该装置所采用的一些关键的硬件组成部分。 3 1 主控芯片 本系统采用多处理器结构，是s t r 9 1 2 f w 4 4 x 芯片为主的a r m 9 处理器和 a t m e g a 4 8a v r 处理器。 a r m 作为嵌入式系统中的处理器，应用领域涉及无线设备、网络系统、消费娱 硕士论文水准泡尺寸的自动化检测分选装置及其研究 乐、影像、汽车、安全应用、消费类电子、工业控制及存储器等。目前，基于a r m 技术的微处理器应用占据了3 2 位r i s c 微处理器7 5 以上的市场份额。 第一片a r m 处理器是1 9 8 3 年1 0 月至1 9 8 5 年4 月由英国剑桥的a c o r nc o m p u t e r 公司开发的，于1 9 8 5 年4 月2 6 日在a c o r n 公司进行首批a r m 样片测试并成功的运 行了测试程序。在2 0 世纪8 0 年代后期，a r m 处理器已发展为可支持a c o r n 公司的 台式计算机产品。1 9 9 0 年，为广泛推广a r m 技术，由苹果电脑、a c o r n 电脑集团和 v l s it e c h n o l o g y 合资组建了独立的公司： 9 0 年代，a r m 处理器迅速进入全球市场， 用领域中占据领先地位。 9 1 3 1 1a r m 微处理器结构 1 r i s c 体系结构 a d v a n c e dr i s cm a c h i n el i m i t e d 。2 0 世纪 并在高性能、低功耗和低价位的嵌入式应 我们通常使用的计算机指令结构非常复杂，而且随着计算机技术的发展，其体系 结构也越来越复杂，故称之为复杂指令集计算机( c o m p l e xi n s t r u c t i o ns e t c o m p u t e r ， c i s c ) 。然而，在c i s c 指令集的各种指令中，其使用频率却相差悬殊，大约有2 0 的指令会被反复使用，占整个程序代码的8 0 。而余下的8 0 的指令却不经常使 用，在程序设计中只占2 0 ，显然这种结构是不太合理的。【1 0 1 基于以上的不合理性，1 9 7 9 年美国加州大学伯克利分校提出了精简指令集计算 机( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ，r s c ) 的概念，r i s c 并非只是简单地去减少 指令，而是把着眼点放在了如何使计算机的结构更加简单，合理地提高运算速度上。 r i s c 结构优先选取使用频率最高的简单指令，避免复杂指令；将指令长度固定，指 令格式和寻址方式种类减少；以控制逻辑为主，不用或少用微码控制等措施来达到上 述目的。 到目前为止，r i s c 体系结构还没有严格的定义，一般认为，r i s c 体系结构应具 有如下特点：【1 1 1 指令种类少，指令格式规范，采用固定长度的指令格式； 利用超流水线和超标量技术让处理器在一个时钟周期内可以完成一条或多 条指令； 寻址方式简化，几乎所有指令都使用寄存器寻址方式，寻址方式总数一般不 超过5 个； 大量使用寄存器，数据处理指令只对寄存器进行操作，只有加载存储指令 可以访问存储器，以提高指令的执行效率。 a r m 就属于典型的3 2 位r i s c 架构处理器。此外，a r m 体系结构还采用了一 1 9 3 检测装置的硬件组成硕士论文 些特别的技术，在保证高性能的前提下尽量缩小芯片的面积，并降低功耗，如：所有 的指令都可根据前面的执行结果决定是否被执行，从而提高指令的执行效率：可用 l o a d s t o r e 指令批量传输数据，以提高数据的传输效率：可在一条数据处理指令中同 时完成逻辑处理和移位处理；在循环处理中使用地址的自动增减来提高运行效率。 当然，和c i s c 架构相比较，尽管r i s c 架构有上述的优点，但决不能认为r i s c 架构就可以取代c i s c 架构。事实上，r i s c 和c i s c 各有优势，而且界限并不那 么明显。现代的c p u 往往采用c i s c 的外围，内部加入了r i s c 的特性，如超长 指令集c p u 就是融合了r i s c 和c i s c 的优势，成为未来的c p u 发展方向之一。 2 a r m 微处理器的寄存器结构 a r m 处理器共有3 7 个寄存器，被分为若干个组( b a n k ) ，这些寄存器包括： 3 1 个通用寄存器，包括程序计数器( p c 指针) ，均为3 2 位寄存器。 6 个状态寄存器，用以标识c p u 的工作状态及程序的运行状态，均为3 2 位，目前只使用了其中的一部分。 同时，a r m 处理器又有7 种不同的处理器模式，在每一种处理器模式下均有一 组相应的寄存器与之对应。即在任意一种处理器模式下，可访问的寄存器包括1 5 个 通用寄存器( r 0 r 1 4 ) 、一至二个状态寄存器和程序计数器。在所有的寄存器中， 有些是在7 种处理器模式下共用的同一个物理寄存器，而有些寄存器则是在不同的 处理器模式下有不同的物理寄存器。 3 删微处理器的指令结构 a r m 指令系统属于r i s c 指令系统。标准的a r m 指令每条都是3 2 位长， 较新的a r m 微处理器内核支持两种指令集：a r m 指令集和t h u m b 指令集。 t h u m b 指令集为a r m 指令集的功能子集，每条指令长度为1 6 位。与等价的a r m 代码相比较，可节省3 0 - - , 4 0 以上的存储空间，同时具备3 2 位代码的所有优点。 对于所有的t h u m b 数据处理指令有： 操作寄存器中全部为3 2 位值 数据访问和取指使用全3 2 位地址 t h u m b 指令集是大多数常用的3 2 位a r m 指令集的子集，压缩成1 6 位宽操 作码。在执行时，1 6 位指令透明地实时的解压缩成3 2 位a r m 指令集，且没有性 能损失。设计者可以灵活使用1 6 位t h u m b 和3 2 位a r m 指令集。t h u m b 指令 集比通常的8 位和1 6 位c i s c r i s c 控制器有更好的代码密度，是传统3 2 位体系 结构代码大小的一部分。这意味着程序存储器可以更小，因而降低了成本。 3 1 2a r m 微处理器系列及其应用 硕士论文 水准泡尺寸的自动化检测分选装置及其研究 a r m 处理器目前包括下面几个系列的处理器产品以及其他厂商实现的基于 a r m 体系结构的处理器：a r m 7 系列、a r m 9 系列、a r m 9 e 系列、a r m l 0 e 系列、 s e c u r c o r 系列、i n t e l 的x s c a l e 、i n t e r l 的s t r o n g a r m 。 其中a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 s e 和a r m l 0 是4 个通用处理器系列，每个系列提 供一套特定的性能来满足设计者对功耗、性能和体积的需求。这些处理器最高主频达 到了8 0 0 m i p s ，功耗数量级为m w m h z 。对于同样支持a r m 体系版本的处理器，其 软件是兼容的。这些处理器广泛应用于以下领域：【1 2 】 开放式平台，包括无线系统、消费产品、成像及图像处理设备等； 实时嵌入式应用，包括存储设备、汽车、工业和网络设备等； 安全系统，包括信用卡和s i m 卡等： 3 1 3 本系统中所采用s t r 9 1 2 f w 4 4 xa r m 单片机 s t r 9 1 x f 是a r m 系列微处理器的一款，它整合了一个1 6 3 2 位的a r m 9 6 6 e s r i s c 处理器核心，双通道f l a s h 存储器，很多的静态存储器( s r a m ) 作为存储数据 或代码，丰富功能的外围设备形成理想的嵌入式控制器，并且有极其广泛的应用。例 如：点对面的终端机，工业的自动化，安全和监视，自动贩卖机，通讯网关，串行