基于双CCD自动瞄准数字折射仪的设计
摘要
折射率和平均色散是物质的重要光学常数，通过这两项参数可以了解物质的纯度、色散大小等光学性能。阿贝折射仪是一种专门用于测量溶液折射率、浓度和平均色散等指标的精密光学仪器，广泛使用于石油、油脂、制药、制漆、日用化工、制糖和地质勘察等行业，也是相关工厂、学校、科研单位不可缺少的常用设备之一。
传统的阿贝折射仪完全是通过手工操作，最终需要用户以目测的方式来记录物质折射率值。由于是依靠人工操作来实现测量，带入的人工测量误差会变得难以控制。再加上操作的步骤过于繁琐，造成测量的工作效率比较低。为改变这种状况，目前市场上已经引进了多种数字化的折射仪产品。但是由于大多数产品光学部分的结构设计较为复杂，对工艺设计的要求很高，所以其价格一般都比较昂贵。
为了能够在折射仪产品的性能和价格之间找到一个平衡点，本文提出了一种利用双线阵电荷耦合元件（Charge-coupled Device）（简称CCD）实现自动瞄准数字折射仪的方案；本文详细介绍了方案的构建过程和具体的软硬件设计方法。本方案在光学结构上还是沿用传统的阿贝折射仪的光学模组。电路部分则采用两块高精度线阵CCD图像传感器件,分别对定位光线和折射光线进行图像数据采集，根据视场图像的特征和定标拟合曲线，按照不同种物质在CCD上产生的偏移量，来推算出物质的实际折射率。本文还提出了一种新的曲线拟合切线的图像边缘定位算法，并且根据实际采样得到的数据做了仿真，证实了算法的合理性。
另外，本文还针对数字折射仪人工定标难的问题，设计了一套用于数字折射仪自动定标的应用软件。该软件的开发模式是采用WinCE嵌入式系统+Labview虚拟仪器。文中阐述了采用系统自动定标的软件设计过程和实现的方法，并且在实际定标操作中验证了其可行性。该软件可以自动生成定标拟合曲线，并自动将拟合曲线存入设备中进行保存。通过使用该软件，可以让用户在实际定标的过程中，节省更多的时间。
经过一年多的开发、调试和实际测试，该项目已基本完成。实现了既定的性能指标和功能要求，提高了测试效率及精度。
As everyone knows, the refractive index and the average dispersion are ones of theimportant optical constants of materials and by these two parameters, we can get opticalproperties, purity, and dispersion size of different materials. Abbe refractometer is a precisionoptical instrument specifically to measure refractive index value, concentration and averagedispersion of different solution. This instrument was widely used and is one of indispensableequipment at the oil industry, oil industry, pharmaceutical industry, paint industry, dailychemical industry, the sugar industry and geological survey and other relevant factories,schools and the relevant scientific research units
The traditional Abbe refractometer is operated completely by manual mode and itrequires the user to record material refractive index value by visual way and manualoperation.Because of depending on manual operation to achieve the measurement results, theartificial measurement error will be hard to control. And because the operation procedure istoo tedious, the measurement efficiency is very low. In order to improve this situation, themarket also appeared a variety of imported products digital refractometer. However, sincemost of optical part structure designes are more complex and the requirements of processdesign are very high, the digital refractometers are generally more expensive.
In order to find a balance between refractometer product performance and price, thispaper described in detail the scheme construction and specific hardware and software ofdigital refractometer, which used double linear array CCD (Charge-coupled Device) to realizeand had the automatic aiming function. The scheme still uses optical structure of traditionalAbbe refractometer. By using two pieces of high precision linear array CCD image sensor device in circuit component, they collected data respectively for positioning light andrefractive light image. And then software calculated the offset value of different materialsaccording to the field image characteristics and calibration curve by processing the data fromCCD. This paper also presents a new tangent edge location algorithm based on curve fittingand the simulation has confirmed the rationality of the algorithm according to the actualsample data.
In addition, this article also designes a set of automatic calibration software for digitalrefractometer to aims at artificial calibration problem.The software development is based onWinCE embedded system and Labview virtual instrument.This paper decribes detaily thesystem automatic calibration software design process and the realization method and theirfeasibilities are validated in the actual calibration operation.The software can automaticallygenerate the calibration fitting curve andautomatically deposite it into the device for storage.Users will save more time at the actual calibration process through the use of the software.
After more than a year of development, debugging and testing, the project has beenbasically completed and it has realized the setted performance index and functionalrequirements. The project will improve the testing efficiency and accuracy greaty of digitalrefractometer.
传统的阿贝折射仪完全是通过手工操作，最终需要用户以目测的方式来记录物质折射率值。由于是依靠人工操作来实现测量，带入的人工测量误差会变得难以控制。再加上操作的步骤过于繁琐，造成测量的工作效率比较低。为改变这种状况，目前市场上已经引进了多种数字化的折射仪产品。但是由于大多数产品光学部分的结构设计较为复杂，对工艺设计的要求很高，所以其价格一般都比较昂贵。
为了能够在折射仪产品的性能和价格之间找到一个平衡点，本文提出了一种利用双线阵电荷耦合元件（Charge-coupled Device）（简称CCD）实现自动瞄准数字折射仪的方案；本文详细介绍了方案的构建过程和具体的软硬件设计方法。本方案在光学结构上还是沿用传统的阿贝折射仪的光学模组。电路部分则采用两块高精度线阵CCD图像传感器件,分别对定位光线和折射光线进行图像数据采集，根据视场图像的特征和定标拟合曲线，按照不同种物质在CCD上产生的偏移量，来推算出物质的实际折射率。本文还提出了一种新的曲线拟合切线的图像边缘定位算法，并且根据实际采样得到的数据做了仿真，证实了算法的合理性。
另外，本文还针对数字折射仪人工定标难的问题，设计了一套用于数字折射仪自动定标的应用软件。该软件的开发模式是采用WinCE嵌入式系统+Labview虚拟仪器。文中阐述了采用系统自动定标的软件设计过程和实现的方法，并且在实际定标操作中验证了其可行性。该软件可以自动生成定标拟合曲线，并自动将拟合曲线存入设备中进行保存。通过使用该软件，可以让用户在实际定标的过程中，节省更多的时间。
经过一年多的开发、调试和实际测试，该项目已基本完成。实现了既定的性能指标和功能要求，提高了测试效率及精度。
As everyone knows, the refractive index and the average dispersion are ones of theimportant optical constants of materials and by these two parameters, we can get opticalproperties, purity, and dispersion size of different materials. Abbe refractometer is a precisionoptical instrument specifically to measure refractive index value, concentration and averagedispersion of different solution. This instrument was widely used and is one of indispensableequipment at the oil industry, oil industry, pharmaceutical industry, paint industry, dailychemical industry, the sugar industry and geological survey and other relevant factories,schools and the relevant scientific research units
The traditional Abbe refractometer is operated completely by manual mode and itrequires the user to record material refractive index value by visual way and manualoperation.Because of depending on manual operation to achieve the measurement results, theartificial measurement error will be hard to control. And because the operation procedure istoo tedious, the measurement efficiency is very low. In order to improve this situation, themarket also appeared a variety of imported products digital refractometer. However, sincemost of optical part structure designes are more complex and the requirements of processdesign are very high, the digital refractometers are generally more expensive.
In order to find a balance between refractometer product performance and price, thispaper described in detail the scheme construction and specific hardware and software ofdigital refractometer, which used double linear array CCD (Charge-coupled Device) to realizeand had the automatic aiming function. The scheme still uses optical structure of traditionalAbbe refractometer. By using two pieces of high precision linear array CCD image sensor device in circuit component, they collected data respectively for positioning light andrefractive light image. And then software calculated the offset value of different materialsaccording to the field image characteristics and calibration curve by processing the data fromCCD. This paper also presents a new tangent edge location algorithm based on curve fittingand the simulation has confirmed the rationality of the algorithm according to the actualsample data.
In addition, this article also designes a set of automatic calibration software for digitalrefractometer to aims at artificial calibration problem.The software development is based onWinCE embedded system and Labview virtual instrument.This paper decribes detaily thesystem automatic calibration software design process and the realization method and theirfeasibilities are validated in the actual calibration operation.The software can automaticallygenerate the calibration fitting curve andautomatically deposite it into the device for storage.Users will save more time at the actual calibration process through the use of the software.
After more than a year of development, debugging and testing, the project has beenbasically completed and it has realized the setted performance index and functionalrequirements. The project will improve the testing efficiency and accuracy greaty of digitalrefractometer.
引文
[1]黄佳钰，邓焱，张锦杰，嵌入式Labview调用DLL实现数据采集，微计算机信息，(嵌入式与SOC)2010年第26卷第4-2期26-28
[2]程兴亚，基于嵌入式系统的虚拟仪器设计[J]，微计算机信息，2004年12期63-64
[3]吴剑，苗晋玲，基于LabVIEW的嵌入式系统开发与调试方法，南昌航空大学学报：自然科学版，2010第2期6-13
[4]朱君，使用LabVIEW开发基于32位处理器的嵌入式系统，电子产品世界，2006第02S期102-104
[5]李俊平，朱思瑶，李子民，Labview嵌入式系统应用研究与探讨，科技创新导报，2010第16期43-43
[6]朱永宏，马梅方，梅杓春，基于ARM9和LabVIEW的多路神经信号采集系统中AFE的研制，国外电子测量技术，2008第2期26-29
[7]高聪杰，李松岩，徐赫，基于LabVIEW的信号输出与数据采集系统，微计算机信息，2008第19期135-136
[8]李春萍，李颉思，基于LabVIEW的实时数据测量系统的设计，微计算机信息，2007第8期270-272
[9]王电令，李庄，罗建飞，孔德义，基于WinCE平台的嵌入式FAIMS控制系统设计，工业仪表与自动化装置，2010第6期19-22
[10]孔玲君，刘真，姜中敏，基于CCD的数字印刷质量检测与分析技术[J]，包装工程，2010年03期92-95
[11]彭超然，基于线阵CCD的人机交互技术研究[D]，浙江大学，2011年
[12]邓志平，李文超，倪绍流，线阵CCD测量系统在数控车床中的应用[J]，西华大学学报(自然科学版)，2010年02期41-43
[13]张舞杰，南亦民，基于STM32F103VB的应用编程技术的实现，计算机应用，2009第29卷第10期2820-2822
[14]岳洋，张春光，袁爱进，一种基于Modbus的嵌入式人机界面的设计与实现，工业控制计算机，2006(01)8-13
[15]刘胜洋，曹明娜，李刚，高灵敏度CCD光电信号检测系统的设计，电子测量技术，2007,第30卷第3期178-182
[16]谷林，胡晓东，罗长洲，徐洲，基于CPLD的线阵CCD光积分时间的自适应调节，光子学报，2002第31卷第12期1533-1540
[17]彭晓钧，何平安，袁炳夏，基于CPLD的线阵CCD驱动电路设计与实现，光电子·激光，2007第18卷第7期803-807
[18]杨宗德，嵌入式ARM系统原理与实例开发，北京大学出版社，20070901
[19]何宗键，Windows CE嵌入式系统，北京航天航空大学出版社，20060901
[20]张冬芳，王向周，基于数学形态学的图像边缘处理，微计算机信息，200622期186-187
[21]王金武，恩德，赵亚兵，乔文涛，常瑞艳，任凤娟，基于Matlab变压器故障红外图像边缘检测研究，计算技术与自动化，2010第29卷第2期89-91
[22]罗玉玲，唐贤英，基于阈值优化的图像模糊边缘检测算法，微计算机信息，2007第23卷第6期286-288
[23] Xilinx公司，XC2C64A CoolRunner-II CPLD，DS311(v2.3) November19,20082-2
[24] Schalm O.W.(1975), Veterinary Hematology,3rd edition
[25] Gentry P.A.(1986), Teaching notes of Veterinary Biochemisty
[26] Maxine M.Benjamin(1978), Outline of Veterinary Clinical Pathology,3rdedition
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