相位测量（通用8篇）
相位测量 篇1
1 概述
利用结构光进行三维测量在图像处理领域已经获得了广泛的应用,在系统制作成本和测量精度方面提出了越来越高的要求,尤其在测量较大表面积的物体时,如何保证测量精度并实现三维重建是当前重要的应用需求之一[1]。下面就如何构建符合要求的测量与重建系统进行详细的讨论。
2 测量系统的构成
首先简单介绍一下结构光测量的基本原理:通过投影仪向被测物体投射一定结构的光模型,如点光源、线光源、十字光条、正弦光栅和编码光等,被测物体的表面会对以上结构光进行调制,从而使投射到物体表面的光信号发生形变,利用图像传感原件,如相机,记录变形的结构光条纹图像,根据编码规则和系统结构参数确定物体表面的深度信息,从而获得物体表面的三维点云数据[12]。其原理图如图1所示:
从上图可以看出,结构光由投影仪投射到物体表面,被物体表面调制而变形;相机抓取经过调制后的光栅图片,通过对光栅解码获得物体的深度信息。
为不失一般性,测量系统采用如下设备:一台高亮度投影仪、两台同步高分辨工业相机和一台电脑。投影仪通过USB接口与电脑相连,工业相机通过1394接口与电脑相连。工业相机与投影仪固定于活动支架,而活动支架受控于电脑。测量人员通过电脑接口控制投影仪的角度以及两个工业相机的位置,从而满足不同被测物的测量要求。相关设备位置改变后,都需要对参数进行重新标定。
3 光栅的编解码原理
光栅投影法是近年来迅速发展起来的一种主动式光学测量技术,以其较高的测量速度、较好的测量精度以及较大的实用价值成为最有前途的主动式视觉技术之一,该项技术的关键之处主要有两个方面[1]:
3.1 以相位法为基础的条纹图像处理
系统所使用的编码图案为一系列明暗相间的黑白条纹图,在计算机的控制下由投影仪依次投影到被测物体上,再由工业相机依次拍摄条纹图像。每次投射,后一幅条纹图案的条纹密度是前一幅的2倍,所以分割区域的数目与投影图案的幅数的关系是2n。将所得的条纹图像进行二值化处理,白色条纹区域的像素标记为“1”,黑色条纹区域的像素标记为“0”[4,5]。由于本测量系统选用的摄像机分辨率为2048×1536,投影仪的分辨率为1024×768。根据采样定理,摄像机和投影仪的采样频率域投影仪对物体表面的区域划分频率之比应大于2,采用横向分割物体表面区域的方法,采用的采样频率最大值应为投影仪的横向分辨率1024。故投影编码条纹图案数量N的计算式为:1024/2N≥2,得到N≤9,故此选用9幅图案。经过9次投影与处理后,图像中的每一个像素获得一个9位的二进制编码,从“000000000”到“111111111”。
当正弦光栅图被投射到三维物体表面时,光场被物表面所调制,两台高分辨率工业相机将抓取被测物体的表面图案,并把获得的图案和自身位置传递给主控电脑,其中获取的变形光栅像可表示为:
其中,R (x,y)为与物体表面光学特性有关的物理量;A (x,y)为背景强度,B (x,y)为条纹的对比度,ψ(x,y)为条纹的变形;位相ψ(x,y)与物体三维面形分布z=h(x,y)有关,位相的改变对应z的改变,即
其中,l为工业相机光心到参考面的距离,d为投影装置光心与工业相机光心的距离,λ0是光栅节距,θB为光栅在参考面上的基准相位值,相机标定时得到,θA为通过畸变的光栅图像得到的相位值。
3.2 以三角法为基础的系统光学机构
三角测量原理是光学图像领域的重要原理之一,利用该原理可以方便的获得被测物体的深度信息。其基本思想是利用结构光照明中的几何信息,根据相机、结构光、物体之间的几何关系,确定物体的三维信息。其中,横向与纵向信息比较容易获得,而深度信息则需要通过若干三角公式获得。其原理图如图2所示:
利用极线约束,进行特征点匹配。所谓特征点是指两台工业相机拍摄到的图片中,被测物体的边缘部分,它们反映了三维物体的外部形状。而要把两幅图片中的边缘部分对应起来,需要进行特征点的匹配,即找到两幅图片中的像点与被测点之间的对应关系[6]。从图2中可以看出,物体上的某一点P与两个相机的焦点OL、OR构成的平面为极平面,点P在左右两个像平面上的像点一定存在于该极平面之上,这样,对点P像点的寻找由三维空间转换为二维空间的寻找。极平面与像平面的相交线称之为极线,点P的像点一定存在于极线之上,那么对于一实际物理点P,对应着两条极线eL、eR,由此可知,寻找像点的工作从二维空间转换为对一维空间的寻找,这样就大大减少了匹配工作量。
基本矩阵是匹配点对之间对应关系的数学表示,包含了摄像机的内参和外参信息,通用的基础矩阵表示形式为其中:K为摄像机内参数阵,R,t分别为摄像机的旋转矩阵与平移矢量[7]。它是摄像机标定、匹配和跟踪、三维重建的基础,获得基本矩阵为计算外极线的关键步骤[7,8]:
假设初始化标记的左右两幅图像上的对应匹配点集合为{P1,P2,P3,…,Pn)和{P1’,p2’,p3’,…,pn’),根据式(1)来计算基本矩阵F。
对图像IL中的一个点P1,其对应的图像IR中的外极线l2可以表示为:
同理,对图像IR中的一个点P2,其在图像IL中对应的外极线l1可以表示为:
若IR中的任意一点P2在图像IL中的对应点为P1,则P1一定在l1上,并且满足:
每条极线用三个参数a,b,c表示,即
只要求得a,b,c三个参数,便可得到像点所在的极线,从而确定像点。根据两个像点和三角测量原理,可以推知某个特征点的实际位置信息,从而构建起所有特征点的点云数据。
4系统运行结果
系统待测物体为一凸起的大面积钢板,通过以上公式,可以确定某一物理点在两台相机中的像点,根据两个像点和三角测量原理获得该特征点的位置信息,从而构建整个被测物体的外部特征位置数据,即点云数据。借助Open GL和语言工具,可以根据点云数据重构被测物体的三维形状[9]。如图3所示:
5 结论
光栅相位法可以较好的实现三维测量与重建工作,尤其在测量表面教平整、面积较大的物体时优势明显,易于拼接,精度高,但对于有大量内凹的物体,实现完整形状重建有不足之处。如果待测物体比较大,则点云数据比较庞大,运算速度也是需要面对和解决的问题。
相位测量 篇2
【摘要】本文对示波器实验中相位差测量公式进行了简单的分析和讨论，有利于学生加深对相位差测量原理的理解。
【关键词】示波器 相位差 正弦波
【基金项目】石家庄铁道大学十二五教育科学规划重点课题（110105，Z201408）。
【中图分类号】G642.1 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2015）06-0254-01
示波器是一种用途较广的测量仪器，它能把肉眼看不见的电信号变换成看得见的图像，以供人们分析研究。示波器除了可以直接观测电压随时间变化的波形外，还可以测量频率、相位差等。对于相位差测量，在教学中我们发现，虽然学生根据实验操作步骤能较快地测出两个正弦信号之间的相位差，但是对其原理的理解还不是很清楚。这说明教师在注重培养学生动手能力的同时，忽视了该实验的理论基础。所以，有必要对相位差测量公式做一点简单的讨论。
实验时，把两个同频率的正弦信号u1和u2同时送入双踪示波器的CH1和CH2两个通道，调节示波器上的相关按钮和旋钮，使这两个正弦信号同时显示在显示屏上，如图1所示。令u1为参考信号，u2为延迟信号。测量时，根据两个波形在水平方向某两点的距离可以计算出相位差△φ[1-3]：
△φ=2π×■ （1）
（1）式中，测量点的水平距离指的是两个正弦信号之间的水平间距。根据图1可知，|AB|为两个正弦信号之间的水平间距，|AC|为一个周期的水平间距。所以，相位差测量公式可化为[2]：
△φ=2π×■ （2）
图1 两信号相位差测量示意图
设两正弦信号方程分别为：
u1=Asin（ωt1+φ1） （3a）
u2=Asin（ωt2+φ2） （3b）
对方程（3a），可将其化为如下形式：
u1=Asinω（t1+■） （4）
其中，■具有时间的量纲。所以，t1+■可用时间T1来表示，则：
u1=AsinωT1 （5）
同理，延迟信号方程可化为：
u2=AsinωT2 （6）
根据方程（5）和（6），可以知道两信号之间的相位差△φ为：
△φ=ωT2-ωT1=ω△T （7）
△T为两个正弦信号之间的时间差。又知道正弦波圆频率ω和周期T之间存在如下关系：
ω=■ （8）
所以方程（7）可进一步化为：
△φ=2π■ （9）
对于信号的周期和信号上任意两点间的时间参数，用示波器显示屏上水平方向上所占的格数乘以扫描时间系数来表示。所以△T对应两正弦信号之间的水平间距（测量点的水平距离）乘以扫描时间系数，而周期T则对应一个周期的水平距离乘以扫描时间系数。（9）式中，△T与T相除，可以把扫描时间系数约掉，就化为方程（1）的表达形式。
将上述讨论引入到示波器实验教学中，做到实验操作和理论有机结合，可以加深学生对相位差测量原理的理解和认识，值得在教学中尝试。
参考文献：
[1]王振彪，刘虎，郑乔. 大学物理实验[M]. 北京：中国铁道出版社，2011.
[2]王靖. 电子示波器对两个同频正弦信号相位差的两种测量方法的对比分析[J]. 黔西南民族师范高等专科学校学报，2010，（1）：110-112.
[3]徐平生. 利用示波器测量几种基本参数的方法[J]. 实验室研究与探索，1996，（1）：82-83.
作者简介：
影像处理干涉测量相位重构研究 篇3
1影像处理与干涉测量相位的概念
影像处理技术比人的肉眼记忆更加客观、准确,且能够跨越时间的界限。
波前位相重构是干涉测量领域中的一种影像信息处理方式,干涉条纹图是其成像的载体,是通过干涉条纹图的相位来监测被测对象的信息。目前,相位干涉条纹分析的算法有2种,即时域移相算法和空间载频算法。在光学检测领域,被广泛运用的是时域移相算法。该算法的优点是测量精度比较高,但缺点也很明显,它需要至少3张干涉条纹图。而条纹图本身又极易受到外界环境的影响,所以,它不适用于动态测量方法中。
空间载频算法需要1张干涉条纹图,而且它对外界的抗干扰能力比较强。但是,由于其样本太低,导致它难以处理情况复杂的干涉条纹图。常见的空间载频算法有傅立叶变换法和窗口傅立叶变换法。其中,傅立叶变换法无法适应诸如条纹密度变化比较大或者封闭条纹等类型的干涉条纹图;虽然窗口傅立叶变换法能够处理局部问题,但是,它一打开窗就不可以进行逆向操作,所以,无法记录高频和低频的变化,从而限制了其实际运用范围。
在这种情况下,科学家们提出了空域卡雷算法。这种算法能够满足相关部门对干涉测量相位重构研究提出的要求,再结合泰勒展开类似的思想提高精准度,能够有效解决干涉条纹图的相位重构问题。
2空域卡雷算法
在处理单幅干涉条纹图时,运用空域卡雷算法,不需要引入空间载频就能够实现动态测量。但由于其算法上有一些不确定的要素,比如符号、唯一解和相位值误差等问题,所以,其测算出来的结果精度比较低。
其运算过程为:
将单幅干涉条纹图的光强分布表示为:
当光强x发生变化时,在相位展开过程中,通常会出现相位歧义的情况。鉴于此,可以提出2种假设来推测:①将IO和V看作(x,y)上的缓慢变化函数,则任意像素点的确定在小窗内表现为不变;②如果Φ是连续可微函数,那么,像素点会在相位Φ处开始泰勒展开,出现差值。
不论是哪种假设,像素点都会与真实情况有所差异。因此,为了在单幅闭合条纹图中成功应用卡类算法,需要科学分割探测器上的像素点,使相位变化在相等空间间隔的情况下固定。
鉴于此,需要在x轴上提取一组像素点,标出后套入公式得出相位变化量。而在计算过程中,需要取各像素点相位值时的分子和坟墓的正值进行相位展开程序。如此一来,就可以得到一维解包裹算法下的相位值,实现相位重构。
3迭代修正法
在分析担负干涉条纹图时,采用空域卡雷算法选取的一组像素点本身具有邻近性,所以,会影响结果的准确度。虽然空域卡雷算法的相位值有误差,但与真实值已经相当接近了。
采用空域卡雷算法,结合文中提到的2个假设,我们可以用最小二乘法得出星宿点对应的余弦值来进行对比,最终对应证明前者。
奇点处得到的有误差的相位值会以一些突出的线条表现出来,我们称之为毛刺。为了减小误差,需要分析毛刺。在相关分析完成后,能得到迭代小量值ε的表达式。该表达式能够循环使用,不断修正误差,直至接近真实值。
4模拟仿真及结果分析
4.1计算模拟
只有在满足单幅的条纹图,且条纹变化仅为单向递增或递减时,单幅干涉条纹图的相位分布才能采取相应的算法提取出来。当无载频的干涉条纹图仅有几条切闭合条纹时,如果存在曲率和符号的变化,结果就会有偏差。这源于空域卡雷算法的分析是不需要先验知识进行判断就能得到相位信息的,所以,仅凭一副闭合条纹干涉图是无法判断待测相位的方向和变化的。为此,还需要引进Matlab模拟仿真技术,在模拟条纹数量很少的情况下进一步修正结果。
4.2结果分析
空域卡雷算法得出的峰谷值和均方根值为0.329 6和0.0416,而理想相位的峰谷值和均方根值分别为0.265 6和0.035 6,两者的误差为0.089 2和0.009 4,整体误差较小。这说明,空域卡雷算法是一种与真实相位非常接近的算法,但仍然存在一定误差。
采用迭代修正法二次修正时,得出来的峰谷值和均方根值分别为0.329 45和0.039 6,而理想相位的这两个值分别为0.8898和0.006 8,二者之间的误差比使用空域卡雷算法时要小得多。这说明,迭代修正法确实能有效修正误差,而且随着这种算法的重复运用,还能再缩小误差,使所得值更加接近真实值。
摘要：随着科学技术的发展,计算机技术和影像传感技术也在不断发展,出现了CCD、CMOS等传感技术,影像处理技术得到了很大的进步。波前位相重构是干涉测量领域中的一种影像信息处理方式,干涉条纹图是其成像的载体。具体实施方法是,通过干涉条纹图的相位来监测被测对象的信息。运用空域卡雷算法和迭代修正法计算和修正前期数据,使用模拟计算的方法来验证结论。
关键词：影像处理,相位重构,干涉测量,闭合条纹
参考文献
[1]Rajshekhar G,Rastogi P.Fringe analysis:premiseandper—spectives.Optics﹠Lasters in Engineering,2012,50(8):3-5.
[2]徐建程.相位干涉测量的信息理论分析[D].北京:中国工程物理研究院,2009.
同步电机相位角测量方法 篇4
1.西门子系统同步电机相位角测量方法
对于配置绝对脉冲编码器的同步电机来说, 直接上电即可, 不需要额外的操作进行测量。但是对于配置了增量脉冲编码器的电机来说, 则需要完成以下过程。
(1) 执行标准的启动程序, 进入西门子840D数控系统。在驱动参数界面修改参数MD 1011 BIT 12=1, BIT 13=0, 转子位置识别替代粗/精同步, 执行NCK RESET, 生效修改参数。
(2) 为保证整个测量过程安全, 防止电机电流过大, 将电机最大输出电流百分比参数MD1105 MOTOR_CURRENT_REDU CION由100%降到25%。
(3) 将驱动参数MD1017 STARTUP_ASSISTANCE由0改成1, 在JOG方式下移动轴, 当轴移动经过编码器零脉冲位置时, MD1016 COMMUTATION_ANGLE_OFFSET就会自动记下相位角值。同时MD1017会自动由1变成0, 系统还会出现报警300799 Axis C1 drive 5 data backup and reboot required (以某设备C轴为例) 。执行Save Boot File, 保存该轴驱动参数, 然后NCK RESET, 重新启动系统, 同步电机相位角测量初步完成。
(4) 为更加精确地确定同步角值, 还需将驱动参数MD1736TEST_ROTORPOS_IDENT由0设为1, 这时会在参数MD1737DIFF_ROTORPOS_IDENT中自动出现一个值, 同时参数MD1736会自动由1变成0。记下该值, 重复以上操作7次, 将记下的值相加除以7, 得到的平均值取反加到参数MD1016中, 同步电机相位角测量完成。
例:相位角测量初步完成后MD1016=25, 精确调整执行7次后, MD1737参数值:1, -0.6, 5, 3, 10, 12, 7, 将获得的值相加取平均值=37.4/7=5.34, 25-5.34=19.66, 将计算出来的值19.66输入到参数MD1016中。
2.小结
卫星信标差分载波相位测量TEC 篇5
电离层电子总含量TEC不仅是描述电离层等离子体的状态的重要参量,也是卫星导航,定位授时及遥感,遥测等空间应用工程中受关注的电离层参量。近年来,随着全球定位系统GPS的出现及全球GPS观测台站的建立,提供了十分有效的观测全球TEC的分布与变化的手段。使用GPS载波相位测量可以得到精确度较高的相对TEC。目前测量相位的方法很多,大致可分为模拟方法和数字方法两类,数字测相的精度较高。数字测量相位的原理[2][3]是对两输入信号的波形进行变换和比较,而后将变换后的信号送入鉴相器,最终得到相位差。这种方法目前应用比较广泛,精度较高,电路形式也相对比较简单,实现起来比较容易。
2差分载波相位
2.1载波相位超前
当电波频率F大于等离子体频率Fp时[4],例如F大于100MHz时X<<1,Y<<1,Z<<1,地磁场与碰撞的影响可以忽略,在高频近似下A-H公式简化为:
其中波在介质中传播了一段距离L后,相位的改变为:
其中:等式右边第一项电磁波在真空中以光速传播时的相位改变,第二项是由于介质相折射指数小于1,相速度大于光速而造成的载波相位超前,此超前量与电子含量成正比与电波的频率成反比。
2.2差分载波相位
如果发射两频率不相等的相干电波,频率分别为F1=m1F0,F2=m2F0,m1不等于m2那么传播一段距离后,两只波的相位改变分别为:
为了比较频率不相干的两只波的相位必须先把他们规范到同一频率上,于是两载波信号之间的相位差为:
其中:对于确定的电波频率是常数。两列波由发射机发出时的初相位已知。当m1,m2,F0已知时,载波相位差是沿传播路径总电子含量的线性函数。因此由差分载波相位能推算出电子含量。
3相位测量电路
3.1测量原理
通常测量相位的方法是对两输入信号的波形进行变换和比较,然后利用计数脉冲对相位差脉冲进行填充,然后计算计数脉冲个数,再取平均值求相位差,这种方法电路形式相对比较简单,但是对于这种方法而言[5,6],当输入信号频率较高而相位差又非常小时,相位差脉冲就会非常窄,此时测得的相位误差就比较大,而且这种方法测量的精度和计数脉冲的频率有关系,计数脉冲频率越高,测量精度越高。所以本系统在这个方法的基础上,采用多周期测量,提高系统的测频范围。
如图1所示,多周期同步计数法[7,8],就是对输入信号周期进行填充式脉冲计数。将两路载波信号通过过零比较器对二者进行整形,然后求出异或后的相位差信号。利用D触发器产生一个宽度为整数个被测信号周期的同步闸门信号,然后将相位差信号,时钟脉冲信号和同步闸门信号一起送入单片机中进行鉴相,利用单片机的两个定时器来计数,T1用来测量同步闸门信号中时钟脉冲的个数,T0用来测量相位差信号中时钟脉冲的个数,最终通过二者的比值,求得两载波信号的相位差。
3.2工作波形图
如图2所示,两路载波异或为相位差信号后,先将同步闸门信号和时钟脉冲信号相与后送入计数器1进行记数,计数值为N1,将同步闸门信号、鉴相脉冲和时钟脉冲三者相与后送入记数器2进行记数,计数值为N2,则相位差为:。这样可使量化误差大大减小,测量精度得到提高。
本文通过提高差分载波相位差测量的精确度,进而达到了精确求解电离层电子总含量TEC的目的。
参考文献
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[7]刘公致,郭裕顺.一种较精确的相位测量方法[J].杭州电子工业学院学报,1999(3):45-50.
飞行中螺旋桨相位测量技术 篇6
相位的概念在机械、通信和电力等行业的信号分析中有广泛的应用。在旋转机械测试中, 相位的主要用来确定旋转零件某时刻的所处的角向位置。如旋转机械平衡时, 可以根据确定转子不平衡量及其相位确定配平的位置。文献[1]中, 作者在转轴上加工一凹槽, 利用键相探头获得轴的相位信息。
螺旋桨飞机在飞行过程中, 当来流方向与螺旋桨旋转轴线存在夹角时, 不同位置的桨叶产生的拉力不同。这种动态变化的拉力的矢量和称为1P侧力, 拉力对螺旋桨旋转轴线的弯矩的矢量和称为1P弯矩。1P弯矩和1P侧力通称为1P载荷。在螺旋桨1P载荷桨轴直接测试飞行试验中, 通过测量螺旋桨相位信号, 获得螺旋桨在某时刻所处的周向位置, 即可确定桨轴上应变电桥所处的周向位置, 利用相位信号可进行1P力矩分离计算;验证测量结果的正确性;计算出每一转的均值和峰-峰值, 这种计数结果能够得出造成疲劳损伤载荷的情况, 估计出桨轴的疲劳载荷特性[2]。
1 螺旋桨相位测量原理
相位信号测量是利用光电传感器实现。在转子件上安装反光纸, 随着转子件的旋转, 当反光纸经过激光探头对应的位置时, 放大器就会接收到发射光信号。放大器将发射光信号转换为电压信号输出, 进入数据采集和显示设备。测试原理如图1所示。
反光纸的作用是将探头的发射激光, 以漫发射的方式返回给探头, 可增大发射信号强度和作用距离, 对激光系统的安装相对位置的要求不会太严格, 便于使用。对于用于螺旋桨飞行试验的激光探头, 主要技术指标包括以下几项。
(1) 作用距离:大于20 cm;
(2) 工作环境温度:-40~85℃;
(3) 入射角度最大偏差:10°;
(4) 系统响应时间:5×10-4s。
2 相位信号调理电路设计[3]
所用激光探头为工业用坚固型传感器, 其放大器为PNP型。其后端的负载用于带动PLC, 其输出为低电压, 基本电路见图2中的虚线部分。这种放大器的输出信号不能直接进入采集器进行记录, 需要做适当的调理。另外这种放大器的供电电压为12~24 V, 机载供电为27 V, 因此需要为放大器设计合适的调理电路。
调理电路需要解决两个问题, 即放大输出电压和调理供电电压, 同时要兼顾电路保护和阻抗匹配。多数的解决思路是给放大器配三极管等放大电路, 将PNP型输出转换为NPN型输出, 这种方法比较繁琐。分析该放大器的电路图, 其实质上是一个放大三极管电路。当出现光信号时三极管导通, 进入工作状态;当没有光信号时, 三极管处于截止状态。由于其最初的设计目的是带PLC, 电路中没有负载电阻, 因此可以利用三极管放大电路的工作原理, 配置合适的负载电阻和偏置电阻, 实现输入电压和输出信号电压的调节。具体的调节电路如图2所示。
根据三极管放大器的工作原理[3], 负载电阻R1可用于调节输出电压Uo, 同时R1、R2、R3可调节放大器的输入端电压UGH。由于不知道放大器输入阻抗的确切值, 这三个电阻值采用尝试法确定, 用电阻箱代替这三个电阻, 输出端用示波器监视。首先确定R1、R2, 具体方法如下:不接R3, 供电采用20 V, 调节R1、R2到合适的值, 使得输出电压最大为5 V左右。然后将R3用电阻箱代替, 先将阻值调大, 供电电压改为27 V, 然后逐渐调小R3, 直到UGH达到20 V。
3 相位测量系统实验室测试
螺旋桨的最大设计转速为2 000 r/mim, 用于粘贴反光纸的位置半径约为200 mm。为了验证该传感器的性能和用于飞行试验的可行性, 在实验室进行了此试验。通过试验主要验证以下几个方面的问题。
(1) 确定传感器的响应时间;
(2) 估计胶的抗剪切能力;
(3) 传感器的作用距离;
(4) 评价振动对测试影响。
3.1 响应时间验证
激光传感器发出的激光照射在反光纸上一定的时间后, 放大器接收到一定能量的反射光, 才能产生响应。如果照射时间过短, 则不会产生输出。
假设旋转件以角速度ω1旋转。反光纸为矩形, 长度为d1, 粘贴在旋转件表面。反光纸的中心处距旋转中心为r1, 如图3所示。则旋转一周过程中, 反光纸的的照射时间t1为
式 (2) 中, ω1=2×3.14×2 000/60弧度/s;d1=40 mm;r1=250 mm。可得t1=7.64×10-4s。
如果按照工作转速模拟试验, 这麽大尺寸的零件要达到转速2 000 r/mim需要专用设备。可采用小尺寸的零件进行模拟测试, 只要保证两者的反光纸的激光照射时间相等即可。模拟试验中用采用100×9 mm的零件代替旋转件进行旋转试验。相当于:d2=9 mm;r2=50 mm。
如果能产生转速脉冲的最大转速为ωmax, 则照射时间为
只要满足t2≤t1, 就能保证实际测试中放大器能正常工作。
实际测试时用直流电机作为动力源, 通过调整电压来调节转速。激光传感器信号接入示波器, 可观察到脉冲信号, 测试信号如图4所示。直流电机最大标称转速为12 000 r/mim, 带负载后最大转速为8 820 r/mim。以ωmax为8 820 r/mim (147 Hz) , 可推算照射时间t2为
因此可以确定该传感器的响应时间能满足要求。
3.2 作用距离验证
在旋转纸片并用激光转速传感器测量转速的过程中, 在不断提高转速的过程中, 调整激光探头和纸片的距离, 发现作用距离和转速并无关系。因此在低转速是逐步将激光探头远离纸片, 找到信号消失的临界点。经过测量, 临界点在25 cm左右。因此将实际试飞中的测量作用距离确定为20 cm, 这样系统工作比较可靠。
3.3 入射角度对测试的影响
实际测量中激光探头支架和转子都存在一定的振动, 为了确定振动最测试结果影响, 在旋转试验中将激光探头和反光纸的距离设为20 cm。然后将激光探头倾斜, 使激光以一定的角度照射反光纸。入射角为10°左右时, 传感器仍能正常工作。用手晃动激光探头, 传感器也能正常工作。由于反光纸的漫反射作用, 入射角偏离一定的角内, 测试系统仍能正常工作。
4 螺旋桨相位测量应用实例
在进行某型螺旋桨1P载荷飞行测试中, 在发动机的功率输出轴上布置了两组方向相互垂直的电桥, 用于测量1P载荷[4—6]。当需要解算1P载荷中的1P力矩和1P侧力时, 需要测量螺旋桨的相位, 以确定功率输出轴上的应变电桥在某时刻的周向位置。
4.1 激光传感器布置
相位信号测量原理是利用光电传感器, 激光探头安装在短舱上 (固定位置) , 反光纸安装在螺旋桨上。当反光纸经过激光位置时, 放大器就会有脉冲信号输出, 从而获得螺旋桨的角度位置, 测试原理图如图5所示。
传感器实际的安装位置如图6所示, 应变电桥和反光纸的相对位置关系如图7所示[7]。激光探头安装在发动机短舱的隔板上, 由于外围是进气道, 光纤无法通过。此处通往发动机外部的唯一通道是减速器上部的螺旋桨防冰系统供电插座。架外改装时, 在防冰供电插座上打孔, 光纤引到中后部机匣, 从而解决了光纤走线问题。
反光纸粘贴在L型的不锈钢支架上, 利用螺旋桨桨毂上防冰供电端子固定。供电端子不是为固定支架设计的, 为了保证工作可靠安全, 对支架离心力进行了理论计算和强度校核。
值得注意的是, 激光探头必须在螺旋桨安装之前完成改装, 探头距离短舱轴线的径向距离必须根据反光纸的位置进行精确的计算, 否则等安装螺旋桨之后, 激光点可能偏离反光纸, 造成测试失败。
4.2 相位信号的应用和分析
飞行试验中获得的飞机爬升状态的载荷信号和相位信号的波形如图8所示。载荷信号为一个正弦波, 相位信号是一系列时间间隔脉冲, 其频率为螺旋桨转速对应的频率。相位信号清晰稳定, 验证了本文采用的相位测量方法效果较好。
相位信号出现的位置和载荷峰值位置有一个时间差Δt, 假设载荷信号频率为f, 那么脉冲信号和载荷峰值之间的相位差可表示为
飞机爬升状态桨轴受力分析如图9所示, 其中[5—7], M1P为1P力矩;MG为螺旋桨自身重力产生的力矩;M为桨轴上的总弯矩;MF1P为1P侧力产生的力矩。
总弯矩为1#电桥测量的载荷峰值, MG可由螺旋桨自重及其重心至电桥所处截面的距离计算获得。由式 (4) 获得α后, 桨轴1P力矩和1P侧力可表示为
式中, F1P为1P侧力;l为螺旋桨旋转截面至电桥截面的距离。
5 结束语
利用激光传感器, 在螺旋桨桨轴1P载荷飞行测量中, 完成了螺旋桨相位测量, 为桨轴载荷的分析计算提供了关键参数。获得的螺旋桨相位信号清晰稳定, 表明测试方法是成功的。
利用螺旋桨相位信号并结合桨轴受力分析, 实现了飞机爬升状态下桨轴1P载荷的分离计算, 较好的解决了螺旋桨1P载荷桨轴直接测量技术的关键问题, 对类似螺旋桨载荷测量项目有重要的借鉴价值。
参考文献
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基于相位差的雷达料位测量系统 篇7
随着工业生产过程的日益现代化,炉窑的液位或料位已经成为重要的检测与控制参数之一。传统的非接触式料位测量方法有机械探尺、视频监视、红外成像等手段。雷达料位测量系统主要应用于一些不能用常规仪表进行监测的特殊工况,安装简便,可靠性和准确度高,无机械磨损,可以长期稳定运行,因此可以在现场中广泛应用[1,2]。本文研制了一种测量距离在2~50米,适应在高炉等恶劣工况下的高精度雷达,文中设计了雷达测量系统的硬件组成,并对数字信号处理算法进行了改进。
1 系统结构
雷达料位测量系统包括雷达发射和接收电路、供电系统电路、滤波放大电路、人机界面等几个部分,系统组成框图如图1所示。
雷达料位测量系统工作时,通过数字信号处理器控制压控振荡器产生24GHz连续等幅高频等幅信号,该信号通过隔离器和环行器加至天线发射出去。经目标反射回来的回波信号与发射波信号在混频器中混频输出中频信号。中频信号的频率与目标距离相关,采用滤波网络和放大电路,对中频信号中可能存在的谐波、余波进行滤除,并对有用信号进行放大保持,确保将中频信号送往信号处理与显示模块。由于料位测量系统是单目标测量,理想情况下中频信号为一个固定频率的正弦波,所以料位的测量可归结为对正弦波频率的测量[3]。
2 系统硬件设计
2.1 雷达发射模块的设计
雷达波发射模块主要由ADF4107和VCO构成,结构框图如图2所示。ADF4107锁相芯片,能够实现本地振荡器。测量系统发射模块主要通过对VCO的控制来实现雷达波的发射,而对VCO的控制则采用DSP的McBSP口对锁相环进行控制来实现。系统设计雷达波发射频率为24GHz,由于ADF4107最高工作频率为7GHz,直接由ADF4107控制高频波的发射存在困难。这里设定ADF4107发射频率为6GHz,经过硬件放大实现24GHz雷达波。
在硬件设计中,雷达波发射模块增加了使能端,当需要发射雷达波时,通过I/O口使能该模块,否则禁止该模块工作,以降低整个系统的功耗。
2.3 滤波放大电路
高频头输出的信号主要包括:高频端子回波信号、两个扫频周期过渡时,电容放电引起的噪声、系统本身引入的噪声、目标物体周围各种设备引入的噪声等。因此,需要进行滤波,提取并放大有用信号。
经实验,本系统滤波器均采用4阶切比雪夫滤波器,其中高通滤波器截至频率为250Hz,低通滤波器截至频率20kHz。A/D模块采用F2812自带的12位模数转换模块。自动增益放大器采用AD公司的OP4177,通过其SPI接口与DSP进行通讯,通过软件设置电位计的值,实现自适应放大的目的,中频电路输出信号范围为40uV~400mV。
2.4 通讯模块及人机界面
由于本系统要求使用4~20mA的信号传送测量结果。使用HART协议数字通信的方式和控制设备交换仪表设置参数、中间测量数据、校准参数等信息。
人机界面设计主要包括LCD液晶的显示以及键盘的设计。在系统工作过程中,DSP需要完成人机交互、显示,并通过通讯模块将主要测量数据传输到现场设备。本系统选用的液晶显示模块采用内置T6963C控制器型液晶,由液晶显示控制器T6963C及其周边电路,行驱动器组,列驱动器组以及液晶驱动偏压电路组成。
3 改进相位差算法
对雷达中频信号的处理方法很多,相位差法是常用的方法之一。传统的相位差法[5]是通过频谱最高值的相位进行校正,其校正方法为:采两段信号,分别进行FFT,得到两组频谱数据,分别找出两组频谱数据中幅值最大的谱线,求出各自的相位值,然后将两相位值相减,得到公式(1)。
其中,φ1、f1、φ2、f2分别是第一段采样信号、第二段采样信号频谱最高值的相位、频率值,μ1、μ2分别是第二段采样信号相对于第一段采样信号的平移相对量及所加窗长相对量,T为所加对称窗的窗长,Δf为频率校正量,Δφ是两个频谱最高处相位的相位差。
则最高值谱线校正量
则次高值谱线校正量
频率校正量Δk与频谱最高值与频谱次高值的比值相关。比较最高值误差绝对值与次高值误差绝对值的比值与Δk的关系,结合matlab仿真结果得到:无噪声情况下的最高值误差绝对值与次高值误差绝对值比值曲线的规律类似于一个1/x函数,同时曲线过点(50,0),结合Δk自身的规律,现构造一个变量。曲线基本与最高值校正误差绝对值与次高值校正误差绝对值的比值吻合,所以确定为加权校正量,校正公式为:
4 工业实现与应用
仿真表明:有噪声境况下,加权校正结果误差比单纯使用频谱最高值或次高值得到的结果误差小。图4中显示为15.01k Hz-15.09k Hz频率段校正结果。
Matlab仿真结果表明:采样频率为102.4k Hz,采样点数为1024点,信噪比为30d B情况下,使用改进的相位差法得到的频率校正误差小于0.041mm,而传统相位差法在相同情况下的频率校正误差是小于0.115mm。
采用改进的相位差法,进行数字信号处理,结合硬件实验结果显示,本雷达料位系统的测量精度为1.5%,基本上满足了高炉料位测量的需要。但同时系统设计还存在一些需要改进的地方,如电源精度不高,导致系统工作不太稳定;微波发射装置发热量比较大,缺乏散热装置,给系统增加了热噪声,这些都使得实际测量误差大于仿真误差。
5 结束语
本文对常用的料位检测技术进行了分析研究,设计研制出一套基于DSP的雷达料位测量系统,并对系统进行了硬件设计及信号处理技术的研究。利用DSP的McBSP口对锁相环进行控制,实现的雷达波发射,采用倍频放大的方式获得24GHz的雷达发射波。中频信号经过滤波放大,及信号处理,通过人机界面进行显示。仿真表明信噪比30dB的情况下,改进的相位差法,精度可以达到0.041mm,比传统的性位差法提高了测量精度。实验表明该测量系统整体性能稳定,在测量实际距离时能实现1.5%的测量精度。该测量系统的研究为炉窑内的料位、液位测量提供了一个新的控制策略。
摘要：研究了一种低成本、高精度工业雷达料位测量系统,设计了雷达的发射装置、信号的滤波放大电路,以及人机界面。对雷达中频信号的处理,文中采用改进的相位差法,在传统的相位差法只取频谱最大值的相位信息的基础上,加入频谱次高值的相位信息,并将二者加权拟合,确定校正公式,得到更高的校正精确度。经过测试,该测量系统可以克服环境影响,实现稳定可靠的测量,满足工业现场料位测量的需要。
关键词：高炉,雷达,料面测量,相位差
参考文献
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[4]石红瑞,马智宏,郭利进.用BASIC智能模板实现PLC5与雷达液位计数据通讯.制造业自动化,2003,5:58-60.
相位测量 篇8
相位测量轮廓术(Phase Measuring Profilometry,PMP)是一种非接触的光学三维测量方法,广泛应用在光学三维传感、工业检测以及产品质量控制等领域[1,2,3,4,5,6,7]。PMP采用正弦光栅投影和相移技术,通过获取全场条纹的空间信息和一个条纹周期内相移条纹的时序信息,来完成物体三维信息的重建。传统的PMP至少需要采集三幅变形条纹图像才能完成一次测量,因此不利于应用在快速测量、在线检测方面。C.Guan等人提出了一种通过投影一帧复合光栅图、采集一帧变形图像来恢复物体的三维信息的相位测量轮廓术[8],该方法就是一种基于PMP原理的快速三维测量手段。通过把该方法与传统的PMP进行比较研究分析[9],得到该方法对于高度连续变化的物体的动态测量有很大的应用前景,但在测量精度还有待研究提高。
本文通过对这种将N(N≥3)步相移光栅分别加载在与其正交的N个频率不同的载波光栅上组合形成复合光栅结构的研究,通过复合光栅结构与三维物体重建精度的关系图得到最优化参数,从而来指导设计出最佳测量精度的复合光栅,运用于基于PMP方法的物体快速三维测量中去。通过复合光栅的优化设计来提高测量的精度,有利于扩大该方法的运用领域和范围,也为PMP应用在在线检测领域提供了一种有效的方法。
2 基于复合光栅的相位测量轮廓术
相位测量轮廓术(PMP)需要N(N≥3)帧变形条纹图才能恢复物体,而采用将N步相移的相移光栅图像分别加载在与相移光栅正交的不同频率的载频光栅上,然后叠加组合成一幅复合光栅只需一帧就能恢复出物体三维信息。复合光栅的形成机理如图1所示。
设N步相移光栅的光强可Inp(x,y)表示为
其中:A表征背景光强和B表征条纹对比度,ηy为相移光栅的基频,可表示为
其中:pY为相移光栅的总长度,光栅为正弦光栅,np为Yp中的总周期数。ηy既影响光栅频谱混叠,又决定了相移光栅的对被测物体的抽样频率。由N个与相移光栅正交且不同频率ξn的载频正弦光栅分别对应调制各相移光栅强度分布Inp(x,y),经叠加组合得到复合光栅图像,即:
其中:C、D分别表征各调制光栅的背景光强和条纹对比度。当该复合光栅投影到被测物体上,用CCD相机获取的变形复合光栅为
式中:φ为物体的高度引起的相移光栅相位变化φ(x,y)的简写形式,对式(4)进行快速傅里叶变换(FFT)得到其频谱图,从频谱图中分别滤出N步相移光栅的频率成分,对滤出的N个相移光栅频谱分别做逆快速傅里叶变换(IFFT),取模运算后就得到正好表征PMP第n步相移的变形条纹In(x,y):
可以从恢复出来的N幅相移变形条纹图中计算出被测物体的相位分布φ(x,y):
由于式(6)得到的φ(x,y)被截断在反三角函数的主值范围内,因此相位是离散分布的。为了从相位分布计算出被测物体的高度分布,必须进行相位展开,通过相关相位展开算法[10,11,12]得到物体的连续相位分布,由物体相位与高度之间的映射关系[13]就可以计算出物体的高度分布,即得到物体的三维信息。
3 复合光栅的优化设计
为了从受物体高度调制的变形复合光栅的频谱中准确提取出每个相移光栅的频谱成分,要求所采用的各个载波光栅的频率ξn在整个频谱图中分布间隔尽量大,使各个频谱之间的混叠尽量小,并且各载波光栅的频率值不应成整数倍关系,以免由于CCD自身的非线性,引入载波光栅的高次谐波,造成基频与高次谐波的混叠,影响测量精度。因此,在遵从各个载波光栅的频谱间混叠最小前提下,合理选择各载波光栅的频率ξn是复合光栅优化设计的先决条件,一旦ξn选定,相移光栅的基频ηy便是影响三维测量精度关键,由式(2)知,当相移光栅的总长度Yp一定时,相移光栅的周期数np可以表征相移光栅的基频ηy,测量精度用均方差(Root-mean-square,RMS)σ来表征,从大量的数字化模拟计算,发现测量精度σ与相移光栅的周期数np存在一定的变化规律。图2为误差曲线总体趋势示意图。
从图2可以看出:1)σ随np由小变大呈振荡变大的趋势,最终单调递增;2)误差较小区域位于np较小(<9)的位置;3)在误差较小区域中总是存在一个误差最小特征点,该特征值大小与待测物体形貌有关,不同物体,特征点对应的np也不同。当np较大时对应的ηy也较大,复合光栅中的正弦相移光栅的频率较高,由于数字投影设备和图像采集设备的像素分辨率以及CCD传感器光强探测的非线性影响,产生随机噪声、高次谐波等因素,使重建物体的RMS误差必然增大,因此主要关注np≤9的情况。
以上分析表明,为了尽可能减小由于复合光栅设计不当,而引入测量误差,应通过待测物体形貌特征,优化设计复合光栅结构,使测量均方差最小。数字投影仪是一种先进的空间光调制器,为复合光栅优化设计提供了有效手段,复合光栅优化设计算法如图3所示,即将一组用计算机编程好的复合光栅(np≤9)通过数字投影仪分别投影到待测物体上,对应采集变形复合光栅,采用复合光栅PMP重构物体形貌,RMS最小时对应的复合光栅即为优化复合光栅,由计算机实现自动寻优。
4 实验结果
为了研究相移光栅的频率ηy与不同被测物体3D重建精度的关系,对相应的复合光栅优化设计进行了数字模拟实验。实验中,取N=3,即采用3步相移复合光栅PMP进行物体的重建,复合光栅大小都为512×512像素,分别对峰值高度均为25mm的圆锥形物体、Peaks函数形物体和马鞍形物体三个不同物体进行了的数字模拟。如图4所示,图4(a)、图4(b)、图4(c)是上述三个典型物体的数字原形。图4(d)、图4(e)、图4(f)是分别为对应的均方差随相移光栅周期数np变化的特性曲线,可以看出,均方差较小区域都在np≤9范围内,并且均存在一个最小均方差特征点,其所在位置有所不同,对圆锥形物体出现在np=3处,对Peaks函数形物体出现在np=5处,而对马鞍形物体出现在np=8处。图4(g)、图4(h)、图4(j)是用上述的优化设计算法设计的对应复合光栅。
为了验证对复合光栅参数优化设计的有效性,将最优化的复合光栅分别投影到相应的三个被测物体上,采集到受物体高度调制的变形组合光栅图如图5中的(a)、(b)、(c)所示。用复合光栅PMP重现的对应物体三维面形如图5中的(d)、(e)、(f)所示。
对重建物体的误差计算可得:圆锥形物体的重构最小RMS误差σmin=0.045mm;Peaks函数形物体的重构最小RMS误差σmin=0.039mm;马鞍形物体的重构最小RMS误差σmin=1.25mm。由于复合光栅PMP采用频域滤波,这决定了复合光栅运用于测量高频成分多的物体时精度相对较低。
为了验证该方法的实用性,采用数字微镜投影机PLC-XU50/XU55对图6(a)所示已知标准圆锥物体进行了实验,图6(b)是采用优化设计光栅投影的变形光栅图像,图6(c)是未经优化设计光栅投影的变形光栅图像,图6(d)是三维重构与标准物体的比较结果,图6(e)是图6(d)中锥顶局部放大情况,其中L1是已知标准物体的剖面图,L2是采用优化设计光栅投影重构物体剖面图,L3是未经优化设计光栅投影重构物体剖面图,分析可知,L2比L3更接近于标准物体轮廓,二者的最大误差分别为0.35mm和0.67mm,其均方差分别为0.11mm和0.29mm,表明采用优化复合光栅投影可以提高物体的测量精度。
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