线传感网络（共3篇）
线传感网络 篇1
0 引言
光栅位置检测系统作为数控机床的重要组成部分,主要用于数控机床的位置检测和闭环反馈控制,用来进行高精度检测直线位移和角位移,其测量精度直接决定了数控机床的精度[1]。德国海德汉公司是世界上最知名的光栅线位移传感器的生产厂家,其样本公布的指标可达:栅距0.512μm,分辨率0.001μm,准确度±0.1μm/m。我国高精度光栅线位移传感器研制及制造能力较弱,指标:栅距20μm,分辨率0.1μm,准确度±5μm/m,均属中低档产品,只能用于普通机床[2]。近年来,西安交通大学关于光栅位置检测系统的研究主要集中在高精度母板制造技术,长春光机所主要集中在绝对编码技术,国内对光栅线位移传感器的影响因素及结构优化分析较少。光栅尺的制造误差、温度特性及机械运动精度直接决定了光栅线位移传感器的精度,本文对影响光栅线位移传感器精度的若干因素进行了分析,重点讨论了光栅尺的制造误差和温度特性。
1 测量原理
光栅测量技术基于莫尔条纹原理,即相同的长度内具有相同刻线数的两块光栅做相对运动形成莫尔干涉条纹,光敏元件将光强的变化转化为电信号并经过放大、整形和细分实现位移测量。莫尔条纹是大量栅线共同作用的一个宏观效应,就像是栅线的放大,少数光栅标尺的栅线误差不会影响到测量精度[3]。莫尔条纹的条纹间距与光栅栅距呈线性关系,比例系数为夹角的倒数。图1是莫尔条纹的简化,条纹间距为B。
因两光栅的栅距近似相等,d1=d2=W。
则有:
当夹角极小时:
此公式只针对有微小夹角的情况,当θ≈180°时,不正确[4]。
2 光栅尺的制造误差
光栅线位移传感器的精度首先取决于光栅尺的制造精度和扫描质量,其次才是机械导向误差和电路质量[5]。光栅线位移传感器的误差来源主要包括:光栅尺制造误差、光栅尺稳定性误差、数字化误差、细分误差、机械运动误差和温度误差等。光栅尺的误差主要来源于光栅尺的精密机械加工及刻划工艺;相对运动部分产生的误差难以做定量分析;数字化误差一般为±1个最小数字显示值;细分误差可以通过高频示波器观察波形,记录A、B两相电路电压和相位差的变化,代入公式得出计算结果;温度误差是由温度变化引入的误差。分析误差组成及影响规律,对提高光栅线位移传感器精度有重要意义。
2.1 精密机械加工精度的影响
光栅尺在刻线之前的精密机械加工质量对光栅线纹刻划的质量有极大影响,影响指标是光栅刻线面的平面度和表面粗糙度。下图为光栅尺精密加工的表面质量对扫描质量的影响,当表面过于粗糙时,接收元件无法接收反射光线从而导致读数误差或者丢数。光栅尺的平直度会影响光栅副的间隙,从而影响信号质量。图2为刻线面的精密加工质量对扫描质量的影响图。
图3(a)、3(b)分别是经过精密抛光和不经精密抛光加工时的线纹,明显看出,图3(b)的线纹边缘清晰、陡直,线纹质量较好。
2.2 光栅尺刻划过程误差分析
无论用传统刻划方法还是采用激光束连续加工制造光栅尺,都会受机械传动、数据圆整、环境影响而产生光栅尺加工误差[6],本文只对刻划和检测过程中能做定量分析的因素产生的误差进行分析。刻划过程中主要影响因素是环境中的温度、湿度、气压值的波动对激光波长产生干扰,从而引起的空气折射率的变化,另外是机械系统引入的误差。
2.2.1 刻划过程环境影响
刻划过程的环境误差主要是指刻划空气的温度、湿度和气压值不符合最佳值或者有波动而导致激光波长的误差,这个测量方法有两种:一种是直接测出空气折射率进行补偿,另一种是实时测出环境的温度、气压、湿度值,送入计算机,根据Edlen色散公式对空气折射率进行修正[7~9],并实时补偿:
其中,Δn为空气折射率误差;
t为环境温度℃;
p为大气压mb;
f为湿度hPa。
从上式可知,温度项系数最大,对测量精度影响最大,其次是大气压的影响,湿度的影响较小。温度、气压值、湿度误差主要包括两大方面:仪器测量误差和刻划、检测过程中的波动,在刻划和检测光栅母板过程中,除了保证测量精度外,还要尽量使环境温度波动最小,即保证恒温、恒压、恒湿。
1 ) 温度的测量精度为ΔT1,此误差为系统误差,大小为ΔT1:
刻划过程中温度波动为偶然误差,大小为ΔT2:
则,温度因素引入的总误差为:
2)同上,气压计的测量精度为Δp1 mb,大小为:
刻划过程中气压波动量为偶然误差,其大小为:
总误差:
3) 湿度波动量非常小,仅湿度计的测量误差,此项误差为:
温度、湿度、气压的测量误差对波长修正产生的总误差:
2.2.2 机械系统误差
机械误差主要是指阿贝误差和机械传动系统的误差,主要分析阿贝误差。阿贝误差属于系统误差,是指被测工件和基准件在测量方向上没处在同一直线上而引入的误差包含水平和垂直方向两大部分。假设,水平阿贝误差为δ1- 21,垂直阿贝误差为δ1- 22,则:
则:
3 光栅尺的温度特性
光栅尺的温度特性是指在测量时由于温度变化产生的变形从而导致测量不准确。光栅尺是在20±0.1oC的温度下制造的,使用环境的温度改变会影响光栅尺的精度[4]。为了测出温度对光栅尺精度的影响,我们进行了一系列实验,实验结果如图4所示。
图4为温度对玻璃光栅尺测量精度影响的试验曲线。实验时,采用双频激光干涉仪作为比较基准,测量时,双频激光干涉仪实时采集环境温度、气压和湿度值,并自动补偿。恒温后室内温度值在20±0.5oC,湿度小于70%才能检测。曲线1为等温前的测量精度, 曲线2为等温24小时后的测量精度,其他条件相同,可以看出,等温后的曲线2精度值±1μm之内,未等温的曲线1精度值在0~6μm,即±3μm之间,可见温度不但对光栅尺的刻划精度有较大影响,对其工作时的测量精度也有极大影响。
图3说明了温度对光栅尺精度的影响,在光栅线位移传感器工作过程中,被测工件受温度变化也会发生变形,且不同材料的线膨胀系数不一致:玻璃的线膨胀系数约为8×10-6m/oC/m,铝的线膨胀系数约为23×10-6m/oC/m,而被测工件多为钢,其线膨胀系数约为10~12×10-6m/oC/m,温度变化1oC,就会产生数微米的误差。
为了降低温度变化引入的误差,海德汉、雷尼绍等厂家在读数头里加入了温度补偿电路,这种补偿方法把材料的线膨胀系数当做定值,即把伸长量和温度变化当做线性关系处理。事实上,物体的线膨胀系数随着温度变化而变化,且这种变化不能用一条既定的曲线来表示,所以这种补偿方法可以降低一部分误差,但并不能消除。此外,不同厂家给出的温度补偿系数不同,无法做出准确补偿,以钢件为例,如表1所示。
为了消除温度的影响,应选用与被测工件线膨胀系数接近的材料作为光栅尺的基体材料。国内外相关厂新研制出钢带光栅尺,这种光栅尺体积小,结构简单,但刻线面不易加工,在测量方向上的刚度差,安装时需要专门的安装支撑,且钢带光栅是在钢带上镀一层金,然后腐蚀,这种方法生产的钢带光栅成本较高,刻线不坚固[10],选择与工件线膨胀系数一致的金属基体光栅尺才是消除温度误差最好的办法。相对于玻璃光栅尺来说,金属基体光栅尺温度特性好、综合稳定性好、抗冲击,且光源和接收元件分布在光栅尺的同一侧,可以有效减小光栅线位移传感器的体积。金属光栅尺的制造工艺简单,靠腐蚀工艺刻划线纹,亮线和暗线都为光栅尺基体本身,成本较低,是光栅尺基体材料较好的选择。
4 结束语
提高光栅标尺刻线面的精密加工质量,主要是平面度和表面粗糙度可以大大提高线纹质量;严格控制光栅尺刻划和检测过程中的温度、气压和湿度,并根据Edlen公式进行补偿对于光栅尺线纹质量的提高和光栅尺稳定性有很大影响;选用与工件线膨胀系数一致的材料作为光栅尺基体可以大大提高光栅线位移传感器的温度特性。此外,有研究表明,采用多零位信号可以自动消除大量程光栅尺累积误差[11]。
参考文献
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线传感网络 篇2
关键词:WSN新型分布式协议;电子类实验室;管理;应用研究
WSN也就是无线传感器网络(全称为wirelesssensornetwork),WSN目前在国际上是备受关注,其涉及诸多的学科,而这些学科还具有高度的交叉性和集成性。具体来说,WSN综合了目前比较流行的传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络、无线通信技术以及分布式信息处理技术等一系列的高新技术。
1WSN新型分布式协议在电子类实验室管理中的应用
传统背景下,WSN主要是由部署在检测区域内大量的传感器节点(一般都是比较廉价的)所组成,其通过无线通信和传输的方式形成的一个多跳的、自组织的综合系统,其实际的目的就是为了协作地感知、采集与处理网络覆盖区域中具体的感知对象,并将感知到的具体对象的信息发送给观察者。一般是由传感器、感知对象以及观察者,三个基本要素所构成。
在电子类实验室的WSN应用领域,感知对象就是电子类实验室中的各种实验仪器、设备、操作平台等,而观察人员则为实验室的管理员(当然也有相应的技术人员参与其中)。
新型的分布式WSN网络协议使得监控获得的信息数据不再仅仅局限于一些环境数据信息如温度、湿度、位置等标量的数据。其已经集成了更多的视频、音频、图像信息等进入到系统中,而分布式的WSN网络协议与网络结构的OSI模型有着类似之处,就是将系统分层、分布的展开,不同的层次负责不同的业务,是一种分布处理的工作机制。新型的分布式WSN协议主要是让节点参与到特定的节点的簇内多跳通信之中,然后令簇头进行数据的聚合,以有效的减少向sink节点传送的消息数量,这样一来就达到了节省资源和提高可扩展性的最终目的,这也是其为何能够发送、传递更多、更丰富信息的最主要原因。将新型的分布式WSN协议应用到了电子类实验室的管理中,就是为了解决电子类实验室长期存在的人员、效率方面的困难。
新型的分布式WSN协议下的WSN系统更为的可靠、安全,信息的传输效率更高,传输的内容也更为丰富,这就使得相关的管理人员所获得的信息更具有指导性也更容易理解,不再需要更多的技术性要求,让管理工作变得更为简单,同时也节省了人力资源的消耗。并且,新型的分布式WSN协议,是安全可靠的,对于实验室的管理效率的提升也是具有极大帮助的,能够充分的在系统的提示下将各类系统资源利用起来,更好的发挥实验室的工作效率。
但需要注意的问题是,WSN新型分布式协议在电子类实验室管理中的应用并不是无懈可击的,虽然这种分布式的操作模式最大的优势在于分层、分布,当其中某一个环节、层次出现问题的.时候并不会严重的影响到其它部分系统的工作;但是,很明显其也加大了系统的复杂程度,虽然应用起来比较方便,便于管理人员的管理,但是对于系统的维护技术人员而言,维护的难度可能就有所提高了。
2WSN新型分布式协议应用设计模型以及分析
应用模型利用近距离无线组网通讯技术ZIGBEE将各个节点组成一个物联网,教师和学生可以登陆实验室管理信息系统在线平台,可以查看浏览实验室信息、预约申请使用实验室以及设备、管理个人资料信息、编辑预约信息和修改用户密码。
教师管理员登陆实验室管理信息系统管理平台,可以编辑用户信息、维护管理人员信息、查看实验室和设备电源状态、检测实验室室内各个参数信息。如图1所示,该设计模型中涉及到的关键性硬件为利用ZIGBEE技术开发的CC2530模块。
该模块承担建立自主网实验室网关以及与实验室管理服务器通信的任务。如图2所示,为CC2530模块原理图。CC2530是用于2.4-GHzIEEE802.15.4ZigBee和RF4CE应用的一个真正的片上系统(SoC)解决方案。它能够以非常低的总的材料成本建立强大的网络节点。CC2530结合了领先的RF收发器的优良性能,业界标准的增强型8051CPU,系统内可编程闪存,8-KBRAM和许多其它强大的功能。如图3所示,为本应用设计模型软件处理流程图。程序主要完成处理器、输入输出口、AD和DA、温度传感器、湿度传感器、光照度传感器、运算放大器、定时器等的初始化工作。CC2530采集实验室相关信息后向网关发送并到达实验室管理信息系统的网页平台。采集时间为100us每次。
3结语
总的来说,WSN新型分布式协议在电子类实验室管理中的应用比较明确的解决了一般在传统的电子类实验室中常见的问题,如人员的工作量大、管理的效率低下、实验室得不到充分有效的利用等诸多问题。
这些问题的解决是WSN系统技术的重要更新和与时俱进的发展下的必然结果,对于其中可能存在的问题,通过日后的研究也势必会得到充分有效的解决。
参考文献
[1]李艳辉.物联网技术在实验室安防系统中的应用[D].华北理工大学,.
[2]吴文华,施镇江,朱娟娟,史同娜,谢卫民.智能管理系统在高校实验室管理中的应用[J].实验室研究与探索,,(11):259-264.
线传感网络 篇3
本系统原理如图1所示,计算机通过RS232接口和C8051微控制器进行通讯,控制整个系统的运行;C8051微控制器控制CCD进行光信号的采集,同时将采集的数据传输至计算机;应用Labview编写的人机交互软件可以全自动地操作整个系统,并对采集的数据进行分析、处理和一维模拟成像。
平行光通过单缝等光学元件时,会按照一定的光学规律分布,线阵CCD则能够将一维的光信号转化为模拟电信号,再通过一系列的电信号处理,就能够在计算机上显示光强的分布。同时,如果中间的光学器件是一个单缝,则缝的中心点对应的是光强的最大值,通过这个原理能够标记器件的位置信息(如图1)。本系统对弹簧振子和单摆等动力学系统进行了测试,获得了非常好的效果[1][2]。
1 硬件设计
本系统的硬件设计主要包括CCD的驱动和信号采集。光电信号转换器件选用的是TCD1200D型CCD,其驱动需要发送SH、Ф1、Ф2、RS等4个驱动脉冲,其中RS的频率(与A/D转换需要的频率相同)范围是0.02MHz到2MHz,典型值是1MHz。而C8051F020的PCA模块最高可发送11MHz的脉冲,ADC的工作频率达500ksps,完全可以担任驱动CCD的工作。本实验中RS和A/D转换的频率为400KHz。
具体方案如图2所示,用PCA发送稳定的0.8MHz的方波脉冲,然后通过D触发器,进行2次分频,获得5V,0.4MHz和0.2MHz的方波脉冲(两种频率都各有两路电平总是相反的脉冲),其中0.4MHz脉冲作为RS驱动脉冲,0.2MHz的两路脉冲分别作为Ф1和Ф2的脉冲。同时用定时器2(T2)检测RS,进行计数,确定SH的周期,发送符合要求的SH脉冲。
对于DOS的采集,本系统选用的是用OP27搭建的减法器等模拟电路进行放大、滤波等预处理。
2 软件设计
本系统的软件设计包括C8051微控制器的应用程序和人机交互界面的Labview应用程序。
C8051微控制器的程序流程图如图3所示,配合硬件设置好PCA、ADC等功能的初始化后,直至接收计算机发送的信息,便开始读取CCD的数据,并存储到XDATA空间当中。结束一周期的数据的采集则关闭A/D转换,并判断计算机发送的信息里要求发送整个波形还是进行位置判断,若是前者,则将所有的数据发送到串口的缓存中;若是后者,则判断出转换数据的最大值,再将最大值的位置信息发送至串口,进行完一系列的过程后,则重新开始采集,依此循环。[3]
Labview采用图形化的G语言进行编程,完成人机交互界面软件的功能。该软件可以实现整个波形图和位置信息的实时采集,历史数据的保存和读取,以及整个系统的开始、停止和复位等控制[4]。
3 测试结果
系统完成后,我们进行了单缝衍射和阻尼振动的测试实验[5]。实验结果如图5、图6所示,其中图5是单缝衍射的测试图样,该图清晰地反映出了单缝衍射的规律,完整地显示了衍射条纹各级条纹的间距和相对光强值,波形图下方的图样则是对实际条纹情况的模拟,使结果更加简洁、直观;图6是阻尼振动的测试图样,图中同样清晰地展示了阻尼振动的物理规律,经过测试,该系统定位精度达140μm,定位频率达50Hz以上。
本系统利用C8051f020型微控制器创新了一种新型的CCD驱动方式,同时与Labview虚拟仪器相结合,可以很好的测量一维光强的变化,并可以对数据进行单个提取和分析(如本文的位置传感等),适用于实验教学、科学研究和生产等许多领域。
摘要：本文介绍的是一种基于线阵CCD的图像和位置传感系统。此系统以C8051F020型微控制器作为下位机,进行CCD的驱动和与计算机(上位机)的通讯等;计算机通过用Labview编写的人机交互软件控制整个系统的运行;上位机和下位机之间以RS232接口通讯。经测试,本系统进行干涉、衍射等一维光学实验收到良好效果;位置传感器的定位精度达140μm,定位频率达50Hz以上。
关键词：微控制器,Labview,线阵CCD,位置传感器
参考文献
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