微位移测量（共7篇）
微位移测量 篇1
1 引言
压电陶瓷在外电场作用下,会产生机械变形,这种现象称为逆压电效应[1]。压电陶瓷双晶片是由两片形状大小完全相同的压电陶瓷片对称粘贴在弹性梁的两侧,或直接粘贴在一起而形成的,压电双晶片是一种应用很广的压电元件,其突出优点是单位电压所产生的变形量大;它利用逆压电效应将电能转换为机械能,可以通过一个电信号而非机械量输入来产生所需的运动或位移,可以实现机电隔离[2],并且它还不受温度、振荡等外界环境的影响。
在图1(1)所示的复合圆盘结构中,上下两片压电陶瓷片方向相同极性相反,如果中间金属电极四周固支,则在外电场的作用下,上下两片压电陶瓷在横向方向上会一个伸长一个缩短,二者所产生的差动作用将使整个复合圆盘产生向上或向下(根据电压的极性不同)的弯曲变形,如图1(2)所示,压电复合圆盘是一种理想的微位移系统驱动元件。
压电复合圆盘的尖端位移对外加电压非常灵敏,二者基本成线性关系。对于其微位移的测量,传统的方法是静态法,即在不受夹持的压电晶片(保持应力为零)x方向上粘贴应变片,测量晶片z方向施加某一静电压U时的应变,事实上压电晶片在通常电压作用下的变形非常小(通常量级为10-6m),很难测量准确,而且这种方法对应变片的粘贴要求非常高,所以现在很少使用静态法[3]。本文介绍了一种非接触的测量方法,可以动态的测量和跟踪压电复合圆盘随外加电压变化而产生的尖端位移的变化。
2 位移测量装置
2.1 位移传感器的选择
位移传感器选择S T-1型电涡流传感器,电涡流传感器是以高频电涡流效应为原理的非接触式位移、振动传感器,可对进入其测量范围内的金属物体的运动进行精密地非接触测量。广泛应用于对大型旋转机械的轴的径向振动、轴向位移、轴转速、胀差、偏心、油膜厚度等进行在线测量和自动控制以及转子动力学研究和零件尺寸检验方面[4],并且还在不断扩展。
2.2 电涡流计标定
在使用电涡流计测量位移之前应先对其进行标定,电涡流计对不同金属的灵敏度不同,其标定实验装置如图2(1)所示,把表面涂有银电极的压电片粘贴在螺旋测微仪的顶端,随着螺旋测微仪的精确定位,记录传感器对应的输出电压值。每一组参数都重复实验6次,取其测量电压平均值,测得位移与输出电压的对应关系数据如表1所示,去掉实验坏点,用最小二乘法拟合出输出电压——位移的拟合直线,其拟和方程为V=-9.5953δ-1.1047,取V-δ拟合直线中线性较好的部分,就是电涡流计对压电陶瓷银电极敏感区域为图中拟合直线的最佳区域,如图2(2)所示。被测元件与电涡流计探头之间的间隙在0.500~0.900mm之间,输出电压在-7 V左右。
2.3 压电复合圆盘位移动态测量装置
压电复合圆盘位移的动态测量装置如图3所示,将压电复合圆盘四周固支,调整电涡流计探头与复合圆盘的初时位置,使其处于最佳间距,即电涡流计的输出电压为-7V,这样可以使电涡流计工作在特性最佳的区域。
给压电复合圆盘施加外加电压,它就会产生相应的位移。由电涡流计实时采集位移信号,输出相应的电压信号,通过数据采集卡输送到微机中,经数据采集程序进行数据处理(此程序可用V B或V C语言来编写),将电涡流计输出的电压信号代入其对银电极的标定曲线方程V=-9.6839δ-1.0595,反求,即可得到位移信号的大小,并可实时输出位移信号曲线。
3 方波电压位移的动态测量试验
在图3所示实验装置上,以压电复合圆盘结构参数分别为压电片直径4 0 m m、压电片厚度0.2 m m、中间铜电极厚度0.2 m m的复合圆盘为样片,给其施加一频率为20Hz,电压幅值为±20V的方波电压,得到其外加电压与输出位移对比曲线如图4所示。由图可知,在施加循环电压时,压电复合圆盘的位移严格跟随电压变化,发生了形变,由此可知,本测量系统可以实时跟踪压电复合圆盘的位移变化。
4 结束语
(1)提出了一种非接触、动态测量压电复合圆盘位移的方法,利用电涡流计和数据采集卡可实时采集压电复合圆盘随外加电压所产生的位移信号,分辨力可达1um,并可实时输出位移曲线。
(2)对压电陶瓷复合圆盘在方波电压作用下产生的位移进行了精确测量,试验表明,压电复合圆盘在外加电压的作用下实时发生了形变,而且其形变能够严格跟随电压的变化而变化。
(3)通过实验可知,在压电复合圆盘尺寸参数为压电复合圆盘直径40mm,厚度0.2mm,中间铜电极厚度0.2 m m时,其位移对外加电压的灵敏度大约为0.5um/V。
摘要：压电复合圆盘在施加外加电压时会因为逆压电效应而产生位移,是一种理想的微执行器驱动元件。本文介绍了一种测量其尖端微位移的动态测量方法,本方法以ST-1型电涡流计作为位移传感器,用微机和数据采集卡来进行实时采集和处理数据;详细阐述了电涡流传感器的使用方法和使用过程,给出了测量实例。试验证明本方法可以准确快速的测量压电复合圆盘随电压的变化而产生的位移变化。
关键词：压电复合圆盘,微位移测量,电涡流传感器
参考文献
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微位移测量 篇2
在测量技术中，通过检测位移可以测量振动、压力、应变、加速度和流量等多种物理量。随着加工技术的日趋进步及各种器件向小型化、微型化的发展，传统位移测量仪器已不能满足当下的测量需求，对于微小位移的量的需求越来越迫切。根据测量原理的不同，目前用于能够实现微位移的测量方法主要有3类:一是显微镜测量，二是电学测量，三是光学测量。其中电学测量包括电容测量法、电感测量法;光学测量包括X射线干涉法、激光频率法等。这些测量方法存在结构复杂，易受温度影响，价格昂贵等缺点[1]。
在此提出一种基于光杠杆原理[2]的光学微位移测量系统，实验结果表明，该系统具有结构简单、响应速度快、灵敏度高等优点。
1 光杠杆测量微位移原理
基于光杠杆原理测量微小位移的装置结构及原理如图1所示，测量装置由光源、平面镜A和B、悬臂梁、光电探测器组成。其中，光源选用半导体激光器，光电探测器选用位置敏感探测器PSD(position sensitive detectors)，平面镜选用平面介质膜反射镜。
测量过程，激光器置于平面镜A左侧适当距离处，光束首先射向平面镜A后经反射到悬臂梁的端面处，再由悬臂梁端面进行反射到平面镜B，最后由平面镜B将光反射到PSD光敏面。被测物体通过点接触方式作用于悬臂梁的端面底部，悬臂梁开始处于水平状态，当被测物体产生微小伸长量z时使悬臂梁发生弯曲变形产生一个微小角度α，如图1中虚线表示，进而改变了悬臂梁端面处光束的入射角度(其变化量也为α)并经其反射后在平面镜B上的入射点也改变，再经由平面镜B反射到PSD光敏面，在PSD光敏面上产生的位移变化为S。这个过程将被测物体的微小伸长量z放大到PSD光敏面上的位移S。
悬臂梁弯曲变形产生的微小偏转角度α[3]由式(1)表示:
式(1)中，d为悬臂梁长度。
由传统光杠杆测量原理知在变化量微小时，式(1)可近似为:
其中，平面镜B上的入射角变化θ=2α，由此可得，光点在平面镜B上的位移变化为:
进而得到，光点在PSD上的位移变化量为:
则该测量系统的放大倍数为:
此测量系统中，悬臂梁长度d较小，选用长度为5mm～10mm，且D1和D2的长度之和为100mm左右，故该系统的理论放大倍数K可达30倍～60倍左右。
2 测量系统的组成
基于光杠杆原理的测量系统由位移驱动装置、光杠杆微位移测量系统以及信号处理系统组成。
2.1 位移驱动器
位移驱动装置采用压电陶瓷[4]作为测量系统的标准输入位移;信号处理系统由PSD输出信号处理电路和A/D转换电路，最后通过单片机将位移量在液晶显示器显示。
PZT陶瓷调制器是广泛应用于微测量中的位移驱动器，其由压电陶瓷材料构成，根据压电陶瓷材料的逆压电效应，通过控制输入电压来调整器件在一定方向上的位移输出量，位移控制精度高，可达0.006μm。
2.2 PSD工作原理
PSD[5]是一种半导体位置敏感器件，它是基于横向光电效应的连续模拟式光斑位置检测器件。当入射光照射在PSD光敏面的不同位置时，其输出的电信号(直流信号)不同，该输出电信号经过处理即可得到光斑在光敏面上的位置及位移变化量。PSD的主要特点是位置分辨率高、响应速度快、光谱范围宽、可靠性高、处理电路简单，尤其是应用于精确定位时，具有受光斑强度、分布、对称性和尺寸影响小的特征[6]，使该传感器件在许多领域得到广泛应用。
如图2所示，PSD光敏面有两个电极1和2，当有入射光照射时，其两个电极输出的电流分别为I1和I2。其中，I1和I2之和等于总的光电流I0，而I1、I2的分流关系取决于入射光点位置到两个电极间的等效电阻R1、R2。假设负载电阻R的阻值相对R1、R2可忽略不计，则:
式中，M为PSD光敏面中心点到电极间的距离，x为入射光点到光敏面中心的距离。
由式(6)及I1+I2=I0可知:
由式(6)、(7)可得出，当光强不变时，电极输出电流与入射光点到光敏面中心点的距离x呈线性关系，则:
2.3 信号处理电路
根据以上所述对PSD输出信号的处理需求，本文设计了以下处理电路:包括I-V转换电路、加法电路、减法电路、除法电路。
由于PSD的输出电流很小，其大小在微安级别，而运算放大器自身的偏置电流和失调电压影响电流的转换精度，因为在转换过程中，运算放大器的偏置电流会和被测电流一起放大R1倍转换成电压[7]，失调电压会与转换电压一起输出，故应该选用低偏置电流、低噪声、低失调电压的高精度运算放大器[8]。本文选择了AD8639，其是双通道宽带宽、自稳零放大器，具有轨对轨输出摆幅和低噪声特性。该放大器具有极低的失调、漂移和偏置电流。
对于I-V转换电路中将电流尽可能地放大可以使电路具有较高的信噪比，所以原则上在不影响带宽的前提下反馈电阻是越大越好，然而反馈电阻太大时，PSD的暗电流和运算放大器的失调电压会随着反馈电阻的变大而变大，对测量精度造成影响，因此反馈电阻也不能取得太大。同时为了保证PSD的测量精度，必须使两路输出尽可能一致，电阻元件则需采用高精度电阻。经选择本文采用的是精度为0.1%阻值为10kΩ金属膜电阻。
除法电路采用美国BURR-BROWN公司生产的宽频带、高精度的四象限模拟乘法器MPY634KU[9]。该芯片的带宽为10MHz，在四象限范围内的精度高达±0.5%。
通过选择各运算电路，加法减法及除法的连接电路如图3所示，加法电路的输出与X1输入端相连，减法电路的输出与Z2输入端相连，X2、Y1、Z1输入端接地。则除法电路的输出为:
3 测量系统整体结构
如图4所示，在光杠杆微位移测量系统中，由于悬臂梁的表面不能达到镜面反射的要求，故在其端部表面加一块镜面反射膜以满足要求;悬臂梁的另一侧加一探针则位移驱动装置PZT通过一连接板与悬臂梁的接触方式为点接触;PSD输出信号经处理电路、A/D转换送入单片机进行实时显示位移变化量。另外为降低外界背景光和杂散光的干扰，对光源、平面镜、PSD进行封装，底座采用45号钢板，侧板及顶盖采用黑色亚克力板，前侧板加工出一个适合的方孔，便于系统光线的传播。
4 测量结果
4.1 背景光的测试
本文采用的背景光消除方式与常用的光学法和电学法不同，针对背景光的来源，即外界自然光和照明设备产生的光，故本文对测试系统进行封装处理的方式如图5所示的结构，并通过实验进行了测试，如表1所示。
1．激光光源;2．平面反射镜;3.PSD;4．悬臂梁固定装置
由表1可知，经过封装之后的测量系统，其背景光的影响大大减小，相对于光学法和电学法，该种方法简单有效，对于提高系统的测量精度起到重要作用。
4.2 实验结果
为了测量系统的线性度及分辨力对压电陶瓷驱动器产生的标准位移进行测量，压电陶瓷采用保定倚天生产的YT-5L型，测量系统的输出电压与压电陶瓷驱动器所加电压经最小二乘法拟合后的曲线如图6所示。
其拟合方程为:
线性度σ:
考虑到光源的稳定性，外界振动对测量装置的干扰，处理电路引入的噪声，系统各部件的加工精度等等，这些因素都影响了测量系统的信噪比，已知压电陶瓷在每加1V时，位移变化量为10.3nm，在实际测量中，当加于压电陶瓷电压每变化5V时系统的位移输出有明显变化，故系统的分辨率应不低于50nm。
5 结束语
设计了一种基于光杠杆原理的微位移测量系统，该系统对传统光杠杆装置进行了改进，易于产品化;经实验测定，系统采用的消除背景光的方式简单可行，而且系统的响应速度快、分辨率高，对于微位移的测量可以达到要求。若提高各器件的加工精度，改进探测器和信号处理电路，测量系统的分辨率会有显著提高。
摘要：基于原子力显微镜的工作原理,设计了一种端点带反光镜的悬臂梁,实现光点位移放大,并利用位置敏感器件(PSD)将光点位置信息转换成光电流,从而设计出一种微位移测量系统。该系统结构简单、灵敏度高,适用于微小位移量的测量。文中给出了该测量系统检测原理,设计了信号处理电路,利用压电元件对悬臂梁端点微位移进行了检测。该系统可检测的线性位移量程为050μm,线性度为1.79%FS,分辨力可达50nm。
关键词：光杠杆,微位移,测量系统,PSD,信号处理
参考文献
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微位移测量 篇3
在单晶金刚石弹性浮动研磨过程中,需要测量研磨盘面的浮动情况,通过调整研磨盘来减小盘面对金刚石的冲击从而保证更好的表面加工品质[1]。目前用来测量盘面浮动的方法主要采用涡流传感器,涡流传感器只能实现几十个毫米之内的高精度测量,而小范围内的测量不利于对研磨盘的调整,因此需要一种中远距离、保证精度、操作方便、经济实用的测量系统。为此本文设计了一种基于光学鼠标芯片ADNS3080的中远距离位移测量装置,并能实时显示位移和坐标。
1 基于ADNS3080的测量原理
1.1 光学传感器ADNS3080
该芯片主要集成了图像采集系统(IAS)和数字信号处理器(DSP),通过这两部分来实现二维平面的定位[2]。定位原理如图1所示,随着芯片的不断移动,图像获取系统(IAS)通过透镜来获取物体表面的图像,然后将图像信息送入到DSP处理器,处理器提取每张图像里的特征像素,通过对相邻2张图像里同一个特征像素的位置变化的比较,就可以计算得到2张图像拍摄时间间隔内的物体移动的方向和大小。
1.2 测量装置原理
通过光学传感器可以测得物体在一段时间内位移的大小与方向,为了测量研磨盘的浮动状况,用光电鼠标传感器测量金刚石上方的弹性梁。测量原理如图2所示,系统通电与初始化完成后开始工作,激光照亮弹性梁上的标志物,ADNS3080探测标志物上被激光照亮的部分,随着研磨盘的转动,单片机模块开始采集ADNS3080所发送的标志物的浮动信息,将标志物的实时坐标在LCD上显示出来,并将这些坐标保存在SD卡中。
2 测量系统的设计
2.1 光路设计
对测量处的弹性梁表面进行处理,使得该表面有利于提高光学传感器的测量灵敏度,由于ADNS3080内的图像采集系统(IAS)只对波长为650 nm附近的光源敏感,因此采用发射波长为635～650 nm的半导体激光发生器作为光源。本文采用10倍透镜,最远能进行500 mm距离测量,通过透镜对激光束进行调节,保证通过透镜的激光束在标志物表面上形成的光斑范围内的光照强度尽量均匀一致,这有利于传感器的稳定工作。
2.2 显示窗口的设计
本文选用LCD1602作为测量坐标实时显示的窗口(图3),LCD1602引脚说明如表1所示
VSS接地;VDD接电源+5 V;VL为液晶显示对比度调整端,接电源正极时对比度最弱,接电源地时对比度最高,对比度过高会产生模糊影像,在这里通过一个10 k电阻来调整对比度;RS,E,R/W 为LCD1602的3个控制引脚,控制着液晶显示的读/写状态。其中,RS为高电平时选择数据寄存器;R/W 为读/写控制端,在这里将R/W接地,只能进行写操作;E为使能端,当E端由高电平跳变成低电平时,液晶显示模块执行命令。
2.3 数据存储模块的设计
本文采用SD卡作为测量过程中所采集坐标的存储设备。SD卡全称为Secure Digital Memory Card,具有轻巧、可加密、传输速度高、适用于手持设备使用等优点。SD需要高速读写,同时也要使手持等嵌入式设备能方便使用,特设有两个访问接口:SD模式接口和SPI接口由于51单片机的速度的原因,一般采用SPI接口方式连接SD卡,在连接时需要再接10～100 K上拉电阻。
2.4 测量系统的软件设计
光电鼠标主要有RS232串口和PS/2两种接口[3]。在单片机应用中,由于PS/2鼠标是TTL电平,和单片接口更方便图4。
TP8452是低价光电鼠标控制器,其功能是将双通道正交信号转换成单片机能够处理的PS/2 数据格式[4]。单片机根据接收到的PS/2 数据,判断物体的移动方向和大小。不论是 TP8452发送信息还是接收指令,都是由 TP8452生成CLK定时信号。数据从 TP8452到系统:只有 当 CLK 和 DATA都为 1时,TP8452才会发送数据,每帧数据由11位组成 ,每1位都在 CLK的下降沿有效。数据从系统到TP8452:当系统需要发送指令至TP8452时,先由系统强制将 CLK拉为低电平至少100 μs,然后从DATA送出起始位0,再释放CLK。TP8452检测到 CLK 的上升沿和 DATA=0,即发出 11个 CLK时钟(频率约11 kHz),系统应该在 CLK的每个上升沿之前将指令逐位送到DATA线。
所有数据包含在3个字节中,每个字节为一帧,包含11位, 1个起始位,总是为0;8个数据位,低位在前;1个校验位,奇校验;1个停止位,总是为1。单片机从TP8452接收到的数据包格式如表2所示。
3 试验证明与结果分析
为了验证测量装置的可行性,本文将测量结果与涡流传感器所测得的数据进行对比。按照图2搭建测量试验系统。选取10倍透镜,测量距离为500 mm,金刚石研磨盘转数为120 r/s。图4为涡流传感器所测得的研磨盘与金刚石所接触点处研磨盘浮动图像。
由于ADNS3080扫描速度为6 400帧/s,将测量所得到的数据每100个取1个点,图5为拟合所得到研磨盘浮动图像,通过对比两曲线图可以看出测量结果基本符合研磨盘的浮动状况,但是还存在一定误差。
4 结束语
为了测量金刚石研磨过程中研磨盘浮动状况,本文提出了一种基于光学鼠标传感器的测量方法,分析了测量原理,对测量系统的光路、显示窗口、数据的存储、测量软件部分进行了设计。该测量系统能测量最小16 μm的位移,并达到1.016 m/s的移动速度、15g(重力加速度)的加速度,以及6 400帧/s的扫描速度[4]。试验结果表明该测量方法能够实现对金刚石弹性浮动研磨中研磨盘浮动的测量。
参考文献
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微位移测量 篇4
近年来,数字散斑相关法的研究得到了很大的发展,主要体现在空间域数字散斑相关法和频域数字散斑相关法两个方面。由于传统的空间域数字散斑相关法具有硬件设备简单、测量精度较高,在非接触无损测量中得到广泛应用,但存在搜索范围大、重复率高、容易造成计算速度慢等困难。而频域数字散斑相关法避免了相关识别中的搜索计算[1,2],有效地提高了运算处理速度和测量精度,使其成为数字散斑法的一个重要分支。
散斑涡旋普遍存在于散斑图中[3],在空间域数字散斑相关法的最新研究方面,Li等人[4]将散斑涡旋应用到空间域数字散斑相关法中,提出了数字散斑涡旋相位相关法,利用散斑涡旋统计特性,使用相关法进行搜索,该方法抗噪声能力强,减少了重复搜索,缩短了运算时间,但相比频域数字散斑相关法仍然存在运算时间长,相对误差较大等缺点。而在频域数字散斑相关法的最新研究方面,杨宇航等人[5]运用两次傅里叶变换和相关器匹配滤波得到相关亮点,极大地减少了运算时间,测量精度有所提高,但抗噪声能力差, 应用条件要求苛刻,实用性较差。
本文针对上述频域数字散斑相关法存在的不足,提出了一种新的频域数字高阶涡旋散斑相关法。采用待测物体的高阶涡旋散斑图作为测量对象,应用减运算合成位移前后的高阶涡旋图,并设计了一种新型的滤波器对合成图像进行匹配滤波,与不同相关方法进行比较,该方法使得测量精度和抗噪声干扰能力得到极大提高。
1频域数字高阶涡旋散斑相关法
1.1高阶涡旋散斑图性质
有以下三个性质:
1)阶数与散斑尺寸和强度相关面积之间的关系
m阶涡旋散斑图的分布函数的表达式如下:
当m=0时,表示一般的高斯散斑图,涡旋散斑图强度表达式如下:
其中:r2=x2+y2,w0是光束的半径。如图1所示,(a)、(b)分别是一阶涡旋光的横向光强分布和强度分布曲线图。假设图中涡旋光束的内径和外径分别为r1和r2,最大光强处的半径为r0,从r0处到r1和r2光强分别降到最大值的1/e2。在式(1)中令w0=1,χ=r2,χi=ri2(i=0,1,2),统计χ1和χ2的数据,发现存在近似的线性关系χ1+χ2=m+1.3[6],根据光强和半径之间的关系可以得到以下等式:
假设涡旋散斑图中散斑尺寸大小用Sm表示,强度相关面积用Am表示,文献[6]中实验数据研究表明, 散斑尺寸Sm随着阶数m的增大而减小。强度相关面积Am可以表示为
由式(4)可知,强度相关面积Am随阶数m的增加而变大,在相同面积的散斑图中高阶涡旋图比一般的高斯散斑图具有更高的强度。
2) 阶数对抗噪能力的影响
由性质1)可推出,随着阶数m的增大,散斑尺寸Sm减小,强度相关面积Am增大,并且在固定区域中的散斑数量也相应地增加。在散斑图中,散斑数量的增加会抑制空间噪声的干扰[7]。所以可以使用高阶涡旋散斑图有效地降低空间噪声的干扰。
3) 阶数与相关器输出面上相关点的关系
在这里通过实验分析高阶涡旋散斑图的阶数m与相关器输出平面上相关点之间的关系,如图2所示, 通过多次计算,统计多组实验数据,如表1所示,其中S1表示相关点1在输出面上的亮斑面积,S2表示相关点2在输出面上的亮斑面积,P1表示峰值1相关能量比,P2表示峰值2相关能量比。
图2中,当阶数m小于3时,随着阶数的增大,相关点在输出面上的亮斑面积S1和S2都减小,峰值相关能量比P1和P2都增大,相关器的输出面上能得到形状更小、能量更汇聚的相关点;当阶数m大于3时,亮斑面积和峰值相关能量比都趋于稳定,可认为当m=3时达到理想的效果。
1.2减运算测量原理推导
传统的频域数字散斑相关法在相关器输出平面上只能显示一个相关点,不仅无法直观形象地判断物体位移前后的大小以及方向,而且无其他相关点作为参考点,易受噪声点的影响,会造成移动前后相关点的识别错误,致使测量结果无效。针对以上缺点,引入减运算合成位移前后的高阶涡旋图,可以在相关器输出面上同时显示位移前后的两个相关点,并且有效地抵消了背景噪声的干扰。
设物体位移前后的高阶涡旋散斑图是相关的,在图中任意选取某一点,以该点为中心的周围小区域作为子区域,位移前子区的光照强度为i1(x,y)=i(x,y),位移后子区的光照强度为i2(x,y)=i(x-u,y-v),其中u、v是x、y方向的位移量。
引入减运算将位移前后的两幅图进行合成,得到一处理后的散斑图,设其在该子区的光照强度为i3(x,y),则有:
将i1(x,y)进行快速傅里叶变换,设变换的域坐标为(fx,fy),则有:
然后,取I1(fx,fy)的共轭,得到I1*(fx,fy)将其作为复振幅匹配滤波器,则有:
对i3(x,y)作傅里叶变换,则有:
用复振幅滤波器I1*(fx,fy)乘以式(8),实现新散斑图的频谱滤波,则有:
再对F(fx,fy)作傅里叶变换,即从一次频域(fx,fy)变换到二次频域(x,y),则有:
其中:*表示卷积运算,G1(x ,y)和G1(x -u,y-v)是脉冲扩展函数。G1(x ,y)在二次频谱区(0,0)处和(u,v)处有峰值,体现在相关器输出面上是位移前后的两个相关亮点,剩余部分卷积模糊是弥散的亮点。
1.3匹配滤波相关器原理及改进设计
匹配滤波相关器的工作原理是利用光学4f系统将空域的复振幅分布变换到空间频域分布,将待测量图片在透镜面上进行傅里叶变换,在频谱面上进行匹配滤波,从而在输出平面上呈现汇聚的相关亮斑图。如图3所示为匹配滤波相关器的原理图[8,9],平面P1、P2和P3分别为输入、傅里叶变换和输出平面,LFT1和LFT2为傅里叶变换透镜,它们之间的距离均为f,其中f为透镜的焦距。
将参考图像和目标图像的高阶涡旋图通过减运算合成,从平面P1上输入合成图像i3(x,y),通过透镜LFT1将图像变化到频域I3(fx,fy),在平面P2上放置匹配滤波器I1*(fx,fy),滤波后的频谱面上的频谱为I3(fx,fy)I1*(fx,fy),通过透镜LFT2频谱又进行一次傅里叶变换,在输出平面P3上得到的图像为
其中:F-1{*}为逆傅里叶变换, 为相关运算,式(11)中前一部分是自相关项,后一部分是互相关项。经过4f系统匹配滤波后,在匹配滤波器的输出面上会出现两个相关亮点。
使用传统的匹配滤波器得到相关峰值不够锐利,峰值的坐标定位不准确,造成较大的测量误差,严重影响测量精度。为了得到更加锐利的相关峰值,进一步提高测量精度,需要对匹配滤波相关器进行改进。
本文将拉普拉斯理论应用到滤波器中,对平面P2上的匹配滤波器改进,使输出表面的相关图的亮点更加汇聚,峰值更加尖锐。对输出图像o(x,y)作拉普拉斯微分变换:
其中:▽为拉普拉斯算子,忽略(2πj)2,在复振幅滤波器I1*(fx,fy)的基础上乘以因子(fx2+fy2),就得到了拉普拉斯微分,即改进后的匹配滤波器。在4f的平面P2上放置改进后的匹配滤波器,就可以使输出平面P3产生锐利的相关峰值。
2实验分析及测量结果评估
2.1实验分析
实验装置如图4所示,主要设备是He-Ne激光器、空间光调制器和高分辨率的CCD相机。He-Ne激光器波长为632.8 nm,功率为1 m W,光束宽为0.3 mm。空间光调制器LCR-2500通过计算机加载叉形的全息图,该全息图是涡旋光束与平面波相干形成的,叉形全息图的表达式为cos(lθ -kxβ),l表示阶数,实验中取0∼5,涡旋光束与z轴夹角为θ,k=2π/λ是波数,λ为光的波长,平面波沿x轴方向传播,且与z轴夹角β=π/2[10]。He-Ne激光器发出的激光经过分光镜照射到空间光调制器,平面波照射到全息图会产生含有涡旋相位因子的光,光波通过孔径A被选择后在圆玻璃板上形成涡旋散斑图,用CCD相机记录形成的图像。
图5生成的阶数m=0∼5的涡旋散斑图,当m=0时,是一般的高斯散斑图,从图中可以清晰地看到随着阶数m的增大,散斑尺寸Sm逐渐减小。涡旋散斑图生成过程中,需保持空间光调制器与激光器之间的距离为60 cm,空间光调制器与圆玻璃板之间的距离为66 cm。
在传统实验中,空间匹配滤波相关器的制作采用光学衍射和全息的相关理论,制作过程中需要不断调校,工作量大,不同的操作会造成很大的误差,本文采用MATLAB仿真的匹配滤波器对待识别图像进行匹配滤波,装置简单,误差较小,并能有效的实现图像识别。程序中输出的图像是二维灰度图像和三维立体图。
采用传统的频域数字散斑相关法对位移后的图像进行滤波识别,用MATLAB仿真的多种滤波器进行匹配滤波,发现复振型滤波器和倒置型滤波器对目标图像滤波效果比较好,所以将这两种滤波器作为比较对象,上述两种滤波器得到的二维灰度相关图如6(a)、(b)所示。
图6中存在许多噪声,这些噪声严重影响了视觉测量效果,对相关点的定位造成误差,从而测量精度变低,算法的有效性难以保证。此外,从图6中仅能得到相关点的位置,不能直观地表示位移的大小和方向。针对以上缺点,本文引入了减运算将位移前后的高阶涡旋散斑图进行合成,将合成后的图像看作待识别的图像进行滤波处理。图7是对图5中的(a)和(d)处理后得到的结果,图7(a)为阶数m=0的高斯散斑图滤波后得到的二维灰度图像,(c)为阶数m=3的高阶涡旋散斑图滤波后得到的二维灰度图像,(b)、(d)为其对应的三维相关图。减运算合成的新图像滤波后的背景非常纯净,有效抑制噪声的干扰,3阶涡旋散斑图比高斯散斑图具有更锐利的峰值、更好的测量效果。
(a) 高斯二维灰度图；(b) 高斯三维相关图；(c) 3 阶涡旋二维灰度图；(d) 3 阶涡旋三维相关图(a)Two-dimensional gray image of Gaussian;(b)Three dimensional correlation image of Gaussian;(c)Two-dimensional gray image of three order vortex;(d)Three dimensional correlation image of three order vortex
为了得到更好的测量效果,本文采用改进的滤波器对减运算生成的图像进行处理,通过观察输出图像来判断滤波器的改进设计效果。图7中使用的是复振幅滤波器,图8中使用的是改进设计的滤波器,对比两图可以明显观察出,使用改进设计的滤波器二维图像的相关点更加清晰,位置很容易确定,三维图像的峰值尖锐,表明了改进滤波器的有效性。
(a) 改进的高斯二维灰度图；(b) 改进的高斯三维相关图；(c) 改进的 3 阶涡旋二维灰度图；(d) 改进的 3 阶涡旋三维相关图(a)Improved two-dimensional gray image of Gaussian;(b)Improved three dimensional correlation image of Gaussian;(c)Improved two-dimensional gray image of five order vortex;(d)Improved three dimensional correlation image of five order vortex
进一步研究高阶涡旋散斑图的阶数与测量结果间的关系,采用频域数字高阶涡旋散斑相关法,对阶数m=0∼5的涡旋散斑图产生的相关峰值进行分析,绘制相关器输出的半峰宽图。半峰宽是指峰值高一半处的峰宽度,为了使图中的峰值更加光滑,得到的半峰宽更加精确,对每两个像素点间进行间隔为0.01 pixels的样条插值,然后在半峰高处取左右两侧对应的x轴坐标,两坐标相减得到半峰宽值,此时半峰宽的精度为0.01 pixels。如图9所示,随着阶数增大半峰宽变小,当阶数达到m=3以后,半峰宽减小很慢,几乎保持不变,说明在实际测量中采用3阶涡旋散斑图即可达到理想结果。
2.2测量结果评估
实验选取图片大小为130 pixels×130 pixels,将能形成涡旋散斑图的圆玻璃板固定在ETS-R-2系列的高精度电控微位移平台上,沿与光轴垂直方向移动,每种方法移动5次,对每次移动的位移作精确记录。 分别对文献[4]中的数字散斑相位涡旋相关法(Phase Vortex,PV)、文献[5]中的传统的频域数字散斑相关法(Traditional Frequency Domain,TFD)以及本文改进的频域数字散斑相关法(Advanced Frequency Domain, AFD)进行实验对比,通过多次实验统计理论测量数据、相对误差和运算时间。表2为在无噪声的情况下三种算法的实验数据,表3在待测图像中加10%的椒盐噪声和加均方根值为0.025的高斯噪声后的测量数据。
表中数据表明:散斑相位涡旋相关法受噪声的干扰小,但运算时间长,精度低;传统的频域数字散斑相关法运算时间短,但受噪声干扰严重,精度明显降低。本文提出的频域数字高阶涡旋散斑相关法,运算时间短,抗噪声能力强,精度高,测量结果理想。
3总结
本文采用频域数字高阶涡旋散斑相关法进行面内微位移测量。经过多次实验验证,与同类方法相比, 该方法的运算时间短、抗噪声能力强、测量精度高,在不同噪声干扰下,相对误差均小于2%。由于具有以上优点,该方法在现场测量等领域有广泛的应用前景和实用价值。
摘要：针对采用传统频域数字散斑相关法测量面内微位移受到噪声的影响严重、测量精度低等问题,提出了一种新的频域数字高阶涡旋散斑相关法。首先,通过高阶涡旋散斑图生成实验,发现了高阶涡旋散斑图具有抗噪声干扰能力强、在相关器输出面上能得到面积小且亮度高的相关点,于是将待测物体的高阶涡旋散斑图作为测量对象;然后通过理论计算推导,应用减运算合成位移前后的高阶涡旋图,可以在相关器输出面上同时显示位移前后的两个相关点,突破了传统方法只能显示位移后一个相关点的现状,并且有效抵消了背景噪声;最后设计了一种新型的滤波器对合成图进行匹配滤波,可以生成峰值锐利的相关光斑图。实验结果验证了,该方法使得测量精度和抗噪声干扰能力得到极大提高,在不同噪声干扰下相对误差仍能保持小于2%。
结构试验中位移测量系统的标定 篇5
1 标定
1.1 试验组成
为了探讨实验室自检定位移测量系统的方法,研究位移传感器的使用对结果准确性的影响程度,笔者在实验室常用位移测量系统中选择了一系列不同量程位移计所组成的测量系统进行了标定试验。该系统组成有DH3818静态应变测试仪、YHD位移传感器、笔记本电脑。试验用的标定标准是日本产164 series Digimatic Head(数字测微头)。
在结构试验中,试件的位移量通过位移传感器的感应,将输出信号传递给数据采集仪(即静态应变测试仪),在这个过程中位移传感器本身的误差会通过数据采集仪继续传递下去,数据采集仪把电信号转换成数字量后将其传送给计算机,这个过程是数字量的传递,误差可以忽略,所以依旧是数据带来的传感器误差。在选取的标定试验中考虑到最终结果是要进行误差组合的,所以标定结果误差是综合之后作为一个量来进行最后结果修正的。
1.2 标定步骤
关于位移传感器的标定国家并未有相关规程,所以笔者参考了JJG 34-96中华人民共和国国家检定规程——指示表中检定百分表示值误差的方法设计了此次标定试验,规程中是将检定仪和指示表分别对好零位,百分表示值误差是在正反行程的方向上每间隔10个分度进行检定,直到工作行程终点,继续压缩测杆使指针转过10个分度,接着反向检定。在位移测量系统的标定试验中是将YHD型位移传感器安装固定在数字测微头上,并将位移传感器的导线与DH3818静态应变测试仪连接,连接方式采用半桥连接。打开手摇式数字测微头,并校零,将其测头与位移传感器接触,但对位移传感器无压力;打开DH3818静态应变测试仪及其软件并对仪器进行平衡,完成后开始测试。对于不同量程位移传感器,所取的测量间隔不同,单次行程测点数据也不相同,为了得到统计结果,上述过程会被重复多次进行。
2 标定结果处理
笔者应用了SPSS统计软件对结果进行处理,得出:
50 mm位移计所组成的系统的回归方程如下:
正向行程回归方程:f(x)=202.239×x+7.1;
逆向行程回归方程:f(x)=202.248×x+7.302。
30 mm位移计所组成的系统的回归方程如下:
正向行程回归方程:f(x)=199.441×x-13.755;
逆向行程回归方程:f(x)=199.436×x-12.381。
100 mm位移计所组成的系统的回归方程如下:
正向行程回归方程:f(x)=202.064×x+5.429;
逆向行程回归方程:f(x)=202.076×x+7.896。
出厂时三种量程位移计的线性关系是相同的,因使用时间不同,所以才会出现这些差别。所以具体使用该系统时要把记录数据利用上述线性关系进行结果的处理。
3 随机过程与使用寿命关系探讨
3.1 理论研究
在我们的实际工程中,一个随机系统的状态随着时间而改变,在时间t的状态具有偶然性,它是一个随机变量x(t),数学上的随机过程可以简单的定义为一组随机变量,即指定一参数集,对于其中每一参数点t指定一个随机变量x(t)。如果回忆起随机变量自身就是一个函数,以ω表示随机变量x(t)的定义域中的一点,并以x(t,ω)表示随机变量在ω的值,则随机过程就由刚才定义的点偶(t,ω)的函数以及概率的分配完全确定。如果固定t,这个二元函数就定义一个ω的函数,即以x(t)表示的随机变量。如果固定ω,这个二元函数就定义一个t的函数,这是过程的样本函数。
位移测量系统的实验室标定结果就是一个随时间而改变的随机变量,即随机过程。位移输入是不随时间而改变的,应变输出值却随着传感器使用时间的改变而改变着,所以它们的回归关系正好符合上述随机过程的定义。既然如此,那么就证明一次的标定并非终生有效。所以研究这个随机过程与其使用寿命的关系就显得很重要了。
随机过程是一组随机变量,类似于单个随机变量,所以也可以定义其概率分布函数和概率密度函数,对于随机序列,它们的概率性质完全由n维概率分布函数或对应的n维概率密度函数确定。尤其是我们实际中遇到的大多数样本连续的随机过程,在一个很小的时间间隔Δt内,x(t1)和x(t1+Δt)可能出现的数值之间常常存在相关性。因此这一类的连续随机过程可以用n维概率分布函数来逼近描述它们的概率性质。更为实用的则是用二维概率分布函数来描述随机过程x(t)的统计特征,包括它的数学期望和方差,自相关函数等。
在位移传感器的使用参数这个随机过程中,我们可以通过研究其统计特征,来确定该参数与使用时间的关系,从而推断其使用寿命,但这只是理论。实际应用于实验室自检测时,则需要将其简化,寻找最简便方法。
3.2试验设想
在以上理论基础以及最初的标定试验基础上,笔者进行了位移传感器使用寿命试验的设计:1)标定标准的选择。根据试验结果的精度要求,可以选择用量块作为更高一级的标准,对位移测量系统进行输入。2)环境选择。考虑到实际该测量系统使用时的现实条件,进行环境选择,包括空气温度和湿度以及周围噪声和磁场干扰都要考虑在内,保证试验条件接近真实使用环境。3)测量的方式,性能指标及失效标准。性能指标是确定的,即位移与应变输出值之间的关系。测量方式则是该试验的难点,同样采用最初标定的试验方法,但是在试验次数的选择上要采用按概率论知识计算出来的数据,这就需要确定一个置信度,即多大概率内的结果有效。但目前国家并无此方面规范,此类研究也鲜见于相关文章中,所以更需要考虑的全面。由于传感器在使用中会与不同的应变测试仪配套使用,建议确定参加试验的系统应将各类搭配都算在内进行。可以进行横向比较,使结果更加接近真实。因最终利用随机过程理论确定寿命,所以试验周期不宜过长。
4结语
本文通过位移测量系统的标定试验与相关理论介绍探讨了位移传感器使用参数与其使用状态的关系,又通过试验设计阐述了自己的设想,为实验室自检定静态位移传感器提供了理论依据和实际方法,具有一定的现实意义。今后的工作就是通过试验去验证这些结论,会在以后的研究工作中进行。
参考文献
[1]周荫清.概率随机变量与随机过程[M].北京:北京航空航天大学出版社,1989.
[2]JJF 1059-1999,测量不确定度评定与表示[S].
[3]姚振纲,刘祖华.建筑结构试验[M].上海:同济大学出版社,1996.
微位移测量 篇6
位移测量是机械量测量中最常见的一种。常用的小位移测量方法是由传感器感受微小位移,经过信号调理电路转换为模拟量并送到数据采集卡,由计算机对数据进行采集和处理。也可以由单片机系统进行此工作。这两种方法各有缺点:单片机数据处理功能比较弱,而数据采集卡价格贵且需要专业人员进行编程来采集和处理数据。应用美国国家仪器公司(National Instruments,NI)推出的基于“图形”方式的集成化程序开发环境Lab VIEW,与NI公司开发的数据采集装置相配合可以使位移测量系统更加简洁、可靠[1,4]。
1 位移测量系统构成
位移测量系统构成如图1所示,整个系统由差动式电感传感器、信号调理电路AD698、Lab VIEW软件、计算机、数据采集卡构成。差动式电感传感器感受小位移,信号调理电路AD698将传感器的信号转换为数据采集设备需要的模拟信号,数据采集卡实现对被测信号的模数转换,利用计算机中的Lab VIEW软件实现对数据采集卡的数据的采集并利用编写的程序进行数据处理,利用显示器进行波形显示。
2 位移测量系统设计
2.1 差动式电感传感器与由AD698的连接
差动式电感传感器的输出信号必须经过信号调理电路才能转换为仪表或数据采集系统需要的模拟量或数字量。传统的方法是采用分立元件构成差动整流电路和相敏检波电路[2]。这种信号调理电路比较复杂,不易调试,因此我们采用了美国Analog Devices公司生产的差动式电感传感器(LVDT)信号调理系统AD698。
AD698与LVDT配合,能够高精确和高再现性地将LVDT的机械位移转换成单极性或双极性的直流电压。只要增加几个外接元件来确定激磁频率和增益,AD698就能把LVDT的次级输出信号按比例地转换成直流信号[3]。因此,由其构成信号调理电路非常简单,而且性能可靠。差动式电感传感器与AD698的连接方法如图2所示。
2.2 Lab VIEW与数据采集卡的连接
数据采集卡的任务是将测量的信号转换为数字信号。数据采集系统由软件进行控制—获取数据行、分析数据并得出结论。数据采集卡采用NI公司的NI USB-6009低价位多功能数据采集卡。它用于USB,有8路模拟输入通道(14位分辨率,48k S/s),2路模拟输出通道(12位分辨率,150 S/s),12条数字I/O线,32分辨率计数器。本测量平台只利用了其8个模拟通道的其中一个—通道0,即差动式电感传感器采集的微位移量经信号调理电路AD698成为模拟信号后送入NI USB-6009通道0,由Lab VIEW中的DAQ助手实现对此通道的数据采集。
2.3 测量界面编辑
2.3.1 前面板设计
前面板就是图形化用户界面。该界面可以模拟真实仪器的前面板,用于设置输入数值和观察输出量。前面板界面如图3所示。其中各控件作用如下:开关按钮用来控制测量的起与停;放置三个数值输入控件,分别输入标定值、数据采样率、设定比较初值;放置一波形图表,用来显示被测模拟信号随时间变化的波形;测量结果利用数值显示控件显示;文件路径显示控件,用来确定被测信号转换为位移量后的存放位置。
2.3.2 程序控制
程序框图如图4所示。程序框图与前面板相对应,用图形化编程语言G语言编写。框图是定义虚拟仪器(Virtual Instrument,简称VI)功能的图形化源代码。程序框图由节点、端口和数据连线而成。在图中对VI编程就是对输入信息进行运算和处理,最后在前面板上把结果反馈给用户。程序框图中,放置一公式函数,实现被测模拟信号与一常数(即标定值)相乘,得到输出为位移量,存放到指定文件中。程序框图中放置一DAQ Assistant(数据采集助手),其作用是配置数据采集任务,选择模拟信号输入通道、设定输入电压范围、选择采集方式等。
至此,切换到前面板,运行程序。可以看到数据被采集回来并在屏幕上显示。当启动开关按钮,开始测量数据。测量数据经过公式处理,由波形图表显示测量信号,由数值显示控件显示测量结果。每隔一定时间将测量数据存入指定文件。按动停止按钮,则测量停止。在此程序框图中,利用编程函数中的数据比较功能找出测量数据的最大值和最小值并求二者的差,测量结果即为传感器感受的最大位移量。
3 结束语
实践证明,利用虚拟仪器构成的位移测量系统,可以大大减少测量人员的工作量,用很少的硬件就能实现智能化的位移测量。更重要的是,Lab VIEW软件中配有强大的数据处理功能,能够方便测量人员对测量数据进行复杂的数据处理,能实现单片机等其他系统无法实现的分析功能。
参考文献
[1]孙秋野,柳昂,王云爽.LabVIEW8.5快速入门与提高[M].西安:西安交通大学出版社,2007.
[2]段中华,王中训,胡自强.AD698在DGC-6PG/A差动电感式传感器中的应用[J].现代电子技术,2008(4):162-164.
[3]王敬亭,廖力清,凌玉华.AD698型LVDT信号条例电路的原理与应用[J].国外电子元器件.2005(9):64-71.
微位移测量 篇7
虚拟仪器是一种可以按照仪器需求将高性能的模块化硬件和高效灵活的软件结合起来完成各种自动化测试和测量的系统。目前,在这一领域内,使用最广泛的计算机开发软件平台是美国Ni公司的Labview,它是一种标准图形化编程软件。利用该软件编程者无需编写任何文本格式的代码,就可以轻松方便地完成各种软硬件的连接,而且该软件还提供了丰富的数据采集、分析处理与存储的库函数,它已成为设计复杂测试测量系统的主要手段[2]。
位移测量是工业中经常遇到的一个问题。针对不同用途和要求(从测量范围、精度要求、测量条件等考虑),位移测量有多种测量技术:有机械的浮子方法;利用电阻、电感、电容的非电量测量方法;有光学或激光测量方法;有利用放射性或射流技术的测位方法等,在本设计中采用的是超声波测量技术。超声波测位移有很多优点,与放射性技术相比不需防护;与目前的激光测距相比,超声技术虽在精度上略逊一筹,但比较简单、价格低廉;更重要的是在恶劣环境下,激光测距将受到严重干扰,此时超声测量的高精度就会体现出来。一般来说,超声波位移测量无须有运动的部件,所以在安装和维护上占有很大的优越性。超声波位移测量可以选用气体、液体或固体作为传声媒介,具有很大的适应性。因此,在测量要求比较特殊,一般测量方法无法采用时,可考虑采用超声测位移。此外,该传感器的测量原理还可用于测厚、测液位、以及无损检测等。本文介绍了Labview在超声波位移传感器中的应用
1 超声波位移检测系统的原理
1.1 超声波传感器
超声波测距传感器包括发射超声波和接收超声波两部分装置,习惯上称为超声波换能器或超声波探头。常用的超声波传感器有两种,即压电式超声波传感器和磁致式超声波传感器。本实验采用的是压电式超声波传感器,主要由超声波发射器(或称发射探头)和超声波接收器(或称接收探头)两部分组成,它们都是利用压电材料(如石英、压电陶瓷等)的压电效应进行工作的。利用逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动,产生超声波,以此作为超声波发射器。而利用正压电效应将接收的超声振动波转换成电信号,以此作为超声波接收器[2]。
1.2 分析发射和接收过程
发射超声波时,将500V以上的高压电脉冲加到压电晶片上,利用逆压电效应,使晶片发射出一束频率落在超声范围内、持续时间很短的超声振动波。
超声波到达被测物底部后,超声波的绝大部分能量被底部界面所反射。反射波经过一短暂的传播时间回到压电晶片,利用压电效应,晶片将机械振动波转换成同频率的交变电荷和电压。
由于衰减等原因,该电压通常只有几十毫伏,通常要加以放大,才能在显示器上显示出该脉冲的波形和幅值。
1.3 超声波传感器测距原理
超声波发射探头向某一方向发射超声波,在发射的同时开始计时,超声波在空气中传播,途中碰到障碍物会立即返回来,超声波接收探头收到反射波立即停止计时。设超声波在空气中的传播速度为340m/s,根据计时器记录的时间t,就可以计算出发射点距障碍物的距离S,即:S=340t/2。需要说明的是,超声波传感器发射的波束比较窄(<10°),反射后仍然很窄,如果被测物体被旋转放置,有可能反射波束会偏离出接收探头的位置,导致探头接收不到反射波信号,无法进行测距。随着自动测量和微机技术的发展,超声波测距作为一种现代化的测量手段以其不接触被测物体、可测范围广、不受光线和被测物体颜色的影响、易于控制等优点,已经在液位测量、建筑测量等方面得到越来越广泛的应用。目前,国内的超声波测距专用集成电路的精度可以达到厘米级,能够满足一般工业测量的要求,但是对于一些精度要求较高的测距场合就不适合了。本文从提高测距精度出发,分析了误差来源,采用环境温度补偿法加以修正,并对模型进行简化处理以精确计算渡越时间的方法。通过实验证明,所设计的超声波测距系统误差小于±3%,满足了各种高精度近距离测距的要求,有广阔的应用前景。
1.4 信号采集处理过程
①从采集卡读出采样数据;
②将离散采样点数据变为波形数据;
③用波形图显示波形数据;
④分析波形信号的脉冲持续期;
⑤将持续期转换成μs单位;
⑥用修正的声波速度求出位移。
2 系统结构
该系统的硬件主要包括超声波传感器、超声波传感器测量转换电路、数据采集系统(包括Ni数据采集卡和计算机系统)等部分。软件部分则是利用Labview语言编程来实现对探测电路输出电压信号的采集、处理、显示等一系列功能。图一、图二分别是其软件界面及程序。
3 数据分析
本文使用超声波传感器的发射波频率是40KHz,它由单片机控制发射探头发射一组5个超声波脉冲后,输出电平由高电平转为低电平;等到接收探头接收到足够强度的反射超声波信号时,输出信号由低电平转为高电平。所以在实验的过程中,可以观察到随着反射板到探头距离的变化,传感器输出波形的“脉冲”宽度也会相应的发生变化,测试距离越远,脉冲宽度越宽[3]。
另外,空气中的声音传播速度不是一个固定值,在不的温度下这个数据会有一些变化。通常我们所说的340是一个近似数据,传播速度的修正公式为t为空气温度。作为常温下的测试,可以认为声速为346(按25℃计算)。
4 结束语
该超声波位移检测系统利用虚拟仪器技术的Labvie计算机语言进行编程,然后通过Ni数据采集卡将信号采到计算机中进行一系列的处理,得到实际距离,从而实现对位移的控制。该系统对距离响应的灵敏度可以根据环境温度及电阻阻值进行调节,系统采集的位移信号可以实时显示在计算机上,测量过程易于操作且无需人为干预,可靠性高。
摘要：在简要阐述虚拟仪器技术Labview和超声波原理的基础上,介绍一种基于虚拟仪器技术的超声波位移检测系统,重点说明如何利用虚拟仪器工作平台来实现数据的采集、处理、显示和保存等功能。该系统具有界面形象、操作方便、可靠性高等优点。
关键词：虚拟仪器,超声波,位移
参考文献
[1]梁森.自动检测技术及应用[M].上海:上海机械工业出版社,2006.
[2]俞铁岳,林建欢,黄宜坚.虚拟仪器和LabVIEW简介[J].福建电脑,2004,2.