测传感器（精选6篇）
测传感器 篇1
1 霍尔功率变换器的设计原理
由霍尔元件的工作原理可知, 霍尔电势UN与B、I的乘积成正比, 若能把功率P=UI中的转化UI为B、I的乘积, 则可以通过测量出UN的大小来计算出P的大小, 霍尔功率变换器就是根据这一思路设计的。霍尔功率变换器中通过霍尔元件两端的电流由负载电压及所串电阻R决定, 电磁感应强度B由串联与负载上的线圈产生, 其大小与负载电路中的电流IL成正比。原理图如图1所示。
有一固定线圈串联连接于负载, 故其所产生的磁场将比例于负载电流IL;霍尔元件并联连接于负载端, 流过的电流IC正比于负载电压.最终, 在霍尔元件的a-b之间霍尔电压UH将正比于负载电流IL与电压UH乘积的瞬时值.在正弦交流电路中, 电压电流相量分别为UL, IL它们之间相位差为φL, 则:
IL=ULKL, (1)
KL, 为电路转换系数,
则ic=KLUlmsinwt (2)
B=KsILmsin (wt+ϕL) (3)
由 (1) (2) (3) 得:uH=K ULKLcosϕL-K ULKL (2wt+ϕL) (4)
其中K=KHKLKS, KH为霍尔元件的灵敏度系数, KL为电路转换系数, KS为线圈产生磁感应强度的常数。
滤掉二次谐波后输出的电压UO= K ULKLcosϕL (5)
与网络的有功功率成正比, 电能为:undefined
2 霍尔元件尺寸的确定
霍尔电势不但与材料的电阻率和迁移率有关, 而且还与材料的几何形状和尺寸有关。一般要求霍尔元件的灵敏度越大越好, 霍尔元件的灵敏度与厚度成反比。因此, 厚度越薄, 灵敏度越高。但也并不是越薄越好, 因为元件减薄后, 输出和输入阻抗将很大, 这就必须降低激励电流, 否则元件的功耗很大, 并引起温升, 对器件工作非常不利。当霍尔元件的宽度w加大, 或1/w减小时, 载流子在偏转过程中的损失将加大, 通常要对霍尔电势进行修正:
undefined
式中undefined为形状效应系数, 其修正值 (12) 如表1。
可以看出, 当undefined大于3时, undefined内趋近1这时电流控制极的短路效应的影响几乎不存在了, 因此, 实际设计霍尔翼件时, 考虑到加工的难易程度和机械强度, 长宽比undefined一般取2-2.5就足够了, 如果undefined取得过大, 反而使霍尔器件的输出电阻变大, 增加输入功耗, 降低输出效率。
国产霍尔片尺寸一般为1=4mm;w=2mm;d=0.1mm, 也是本文所选霍尔片的尺寸。
3 霍尔元件材料的确定
3.1 霍尔元件材料的选取依据
霍尔元件是霍尔传感器的核心敏感部件。
由于材料的电阻率P与载流子的浓度和迁移率有关, 即:
undefined
根据 (2) (3) 式有undefined
霍尔系数RH反映了材料的霍尔电动势的强弱。要想获得较强的霍尔电势, 就要求半导体材料的电阻率和载流子的迁移率都要大。
一般金属材料的载流子的迁移率很大, 但自由电子浓度n很高, 使电阻率很小, 霍尔系数也很小, 使输出UH极小, 不宜作霍尔元件, 如CU的n=8.47×1023e/m3, 而霍尔系数却很小约为-0.5×10-10m2/c左右;绝缘体的电阻率很高, 但载流子的浓度很低:只有半导体材料才是理想的霍尔效应器件材料。
3.2 制作霍尔元件的半导体材料
常用制作霍尔元件的半导体材料及其性能参数 (13) 见表2。
从表中我们可以看到锑化铟材料所具有的μρ和μ值为所有半导体材料中最大的。然而锑化铟的禁带宽度很小, 本征激发强, 故温度性能比不上锗、砷化铟。锗材料的μ值虽不大, 但其μρ (霍尔系数) 值较大, 其霍尔系数、温度性能和线性度都较好因此是一种常用的材料。硅的线性度较好, 其霍尔系数、温度性能同N型锗, 但其电子迁移率比较低, 带负载能力较差, 通常不用作单个霍尔元件。砷化铟的μρ较小, 温度系数也较小.砷化镓的灵敏度比锑化铟低, 但温度特性好, 能在较宽的温度范围内工作, 并且线性度较好, 但价格昂贵。
根据表2中所列半导体参数分析, 选择锗作为霍尔元件的材料。将所选取材料用陶瓷或环氧树脂或硬橡胶进行封装。锗 (Ge) 霍尔元件的输出特性如图2所示:
4 产生磁场的螺线管的确定
在密绕的无限长螺线管内部的空间里磁场都是均匀的, 其磁感应强度B的大小为:
B=μ0nl (10)
式中μ0为真空磁导率等于4πx10-7韦伯/ (安培·米) , n是单位长度上的匝数, I为螺线管线圈的激励电流, 单位为安培;磁感应强度B方向与轴线平行。对于已确定的线圈μ0n为一常数, 称此常数为磁感应强度常数KS:
KS=μ0n (11)
对于有限长的螺线管来说, 其半径为R, 长度为L, 只要L>>R, B=μ0nI 也近似适用。在此, 取螺线管长为 100mm, 用线径为 0.1mm 的铜漆包线缠绕 1000匝, 线圈内径大约10mm左右, 制成的线圈满足L>>R, 单位长度上的匝数为n=104, 则产生的磁感应强度的常数为:
Ks=μ0n=4π×10-7×104T≈12.1mT
5 霍尔元件的误差及其补偿
由于制造工艺问题以及实际使用时所存在的各种影响霍尔元件性能的因素, 如元件安装不合理、环境温度变化等, 都会影响霍尔元件的转换精度, 带来误差。主要是从霍尔元件的零位误差及其补偿和霍尔元件的温度误差及其补偿。
摘要：根据霍尔元件的工作原理, 设计出利用霍尔元件测量电功率的霍尔传感器, 根据霍尔元件传感器设计原理和性能指标, 设计出所要利用的霍尔元件的材料、尺寸, 预测其能达到的效果;确定产生使霍尔元件工作的磁场螺线圈, 并指出霍尔元件可能产生的误差及所进行补偿措施。
关键词：功率,霍尔元件,传感器
参考文献
[1]单成祥.传感器的理论与设计基础及其应用[M].北京:国防工业出版社, 1999:46-49.
[2]黄得星, 等.磁敏感器件及其应用[M].北京:科学出版社, 1987:2-40.
用位移传感器测头发丝直径 篇2
利用朗威实验室的位移传感器和幻灯片原理, 来探索关于头发丝直径的测量方法, 在自己寻找实验器材与研究实验组合方法的过程中扩展了知识面, 从而更好地去理解相关的物理知识, 学会将物理原理应用于生活实践。本实验将会通过位移传感器和幻灯片原理进行一系列的关于头发丝直径测量的实验研究。
二、用位移传感器测头发丝直径
本实验需要朗威DISLab位移传感器、数据采集器一个、计算机、DISLab光轴一个、放大镜两个、大光屏一个、凹面镜一个、灯泡一个、头发丝若干。
具体操作步骤如下:
1. 熟悉实验原理, 即幻灯机的工作原理:幻灯机是利用凸透镜当物体距透镜的距离大于一倍焦距而小于二倍焦距时成倒立、放大的实像这个原理制成的。当幻灯片离镜头的距离在一倍焦距和二倍焦距之间, 用强光照射幻灯片时, 就可以在屏幕上得到倒立、放大的实像。为了使得到的像成为“正立”的, 所以要把幻灯片上下颠倒放置。光源后反光镜的作用是把光源向后发射的光线反射回来, 以加强银幕上的亮度。用在光源后面的反光镜常是凹面镜。凹面镜有金属抛光镀亮的, 也有玻璃涂银的;
2. 根据实验原理画出可操作实验模型组装图, 搜集所需实验器材进行模型组装, 调节好光轴上它们之间的距离, 各器材要在同一水平线上并且保持相同高度;
3. 在两放大镜间放入粗细均匀直径较大实物小木条, 与其他各器材对齐位于同一水平线;
4. 将位移传感器接收器接入数据采集器并固定在屏上放大小木条投影的一侧;将位移传感器发射器打开, 放在头发丝投影的另一侧, 调整接收、发射模块的位置, 使其基本正对, 测得小木条的放大直径d1=13.5cm;
5. 用螺旋测微计测出小木条的真实直径d2=1.5cm, 求出该组合光轴的放大倍数为9倍;
6. 现保持光轴上各器材位置不变, 将小木条换成头发丝, 用同种方法测得其放大直径D1, 通过已知放大倍数即可求出头发丝的真实直径D2。以下为实验图:
三、用位移传感器测出的头发丝直径
由于刚开始生成图像时, 位移传感器接收器并没有完全对准头发丝放大投影的一侧, 故开始的第一记录点还处在调准状态, 可舍去而从第二点作为起始点, 由图可看出最后四点已几乎处在同一直线上, 即表示最后调整完毕后, 发射器已基本贴合头发丝放大投影的另一侧。两调准时刻点的位移相减即是头发丝放大投影的直径, 通过以上采集数据的公式处理和修正后, 得出头发丝的真实直径D2= (1.0136-0.7852) /9=0.02538 (cm) 。
测传感器 篇3
关键词：无序量测,数据延时,负时间更新算法
0 引言
现代海战中, 超低空突防的来袭导弹已构水面舰艇的主要威胁, 而单平台的侦察探测能力不能满足反导作战的要求, 在此背景下, 充分利用多平台传感器的信息共享可以提高其反导效果。当采用多平台传感器探测的数据进行融合时, 由于不同类型的传感器的采样率、预处理时间以及数据通信延迟, 导致出现多个传感器量测无序到达融合中心的现象[1], 即无序量测现象。由于Kalman滤波算法只适于处理顺序量测, 因此基于Kalman滤波框架的量测融合算法不能直接处理状态估计的负时间更新问题。当前针对无序量测现象的滤波方法主要有:丢弃延迟量测法、重新滤波法、数据缓存法和直接更新法[2]。丢弃延迟量测法会造成大量信息丢失, 导致目标跟踪精度下降甚至丢失目标。对于重新滤波法, 存储量和计算量随传感器数目、目标数目及延迟时间的增长而显著增加。数据缓存法需要较大的存储空间而且输出严重滞后。直接更新法直接使用无序量测更新当前时刻的状态估计, 使其达到或逼近量测顺序处理时的滤波精度[3,4]。
1 问题描述
对于协同作战的多平台系统, 每个协同单元在自身坐标系下进行目标跟踪的同时, 接收其它平台周期性发送探测信息。
状态方程和测量方程如下:
其中, ωk~N (0, Qk) 为建模误差, vk~N (0, Rk) 为测量误差。矩阵Fk为状态变换矩阵, Gk误差输入矩阵, Xk包含目标位置、速度和加速度。
线性测量方程可通过对非线性观测函数线性化:
对于扩展卡尔曼滤波器的滤波方程如下:
下面在时间轴下, 给出采用离散时间扩展卡尔曼滤波的负时间更新的情况。如图1, 用tk-2时刻的测量数据Zk-2, 得到标准滤波器推导状态估计值Xk-2/k-2。tk-1时刻遥控传感器获得测量值Zk-1, 把这些数据添加时戳tk-1, 并提交数据到具有传输延时的网上。tk时刻测量值Zk准时到达, 并更新状态估计由Xk-2/k-2得到Xk/k。由于数据延时, 测量值Zk-1在tk+时刻到达, 把该延迟数据考虑进去用于提高状态估计Xk/k+。
基于上述问题表述的负时间更新算法推导如下:
2 滤波模型推导
2.1 状态推导
时间间隔表示为:
状态Xk|j估计误差表示为相应真值表示为状态Xk, 则
时间间隔T内, 状态Xk∈Rn的离散时间推导表示为:
其中, F是离散时间状态转换矩阵, W (T) 是对象噪声影响的矢量表达式, 假定状态矢量是一维向量, 那么状态变换矩阵为:
该模型的对象噪声将为连续时间白噪声加速度。单位脉冲加速度δ (t-α) , tk-2<α<tk, 将在在状态空间[tk-2-α1]T产生响应。白噪声加速度ω (α) 应用整个时间间隔T产生对象噪声:
从tk-2到tk状态估计协方差的时间映射为:
为标量参数, 该标量在目标动态 (常速度) 模型量化不确定性, 将被作为加速度误差的方差。因而, 当时间间隔T分成两部分T1和T2时, 状态变换为:
2.2 tk时刻用Zk值更新
当测量值Zk到达滤波器用于处理时, 滤波器并不知道延时测量值Zk-1的存在。因而, 滤波器将继续用标准卡尔曼滤波器更新处理。
首先处理将设计以前的状态估计Xk-2
而
则状态估计误差为
标准卡尔曼滤波处理应用增益更新状态估计
进而可求得
考虑到突发性, 负时间更新可能在Xk-2|k-2→Xk|k更新时刻, 定义量
该量为协方差, tk时刻标准更新后的状态估计误差X軒k|k, 时间间隔T前半部分的累积对象噪声误差。通过整理可得:
2.3 负时间更新算法
延时测量Zk-1具有误差vk-1~N (0, Rk-1) , 在状态估计更新Xk|k被发现时, tk+时刻状态估计更新Xk|k+。下面确定的卡尔曼增益新Kk+
该项F-1 (T2) Xk|k于计算tk-1时刻更新的新息, 同时确保tk-1时刻的估计值Xk|k+。代入Zk和Xk, 则
进而求得
3 简单算例
这里只用目标跟踪的其中一个坐标, 滤波器参数为:
假定有4个测量值Zk, k=1, 2, 3, 4, 所有值的准时到达在1秒的间隔内。
为了对比分析最小均方差负时间更新方法和标准卡尔曼滤波公式的滤波结果, 表1给出了三种不同情况下的最终协方差值:无延时测量值、缺失测量值Z3标准扩展卡尔曼滤波方法和Z3最后到达的负时间更新滤波方法。
由表1可知, 丢弃延时量Z3情况下, 时间间隔增加到2秒, 协方差值变得很大, 滤波增益也很大;采用负时间更新方法滤波得到的最终协方差值与无延迟测量值的扩展卡尔曼滤波值近似是一样的。
4 结论
本文针对多平台传感器目标跟踪的无序量测问题, 给出了最小均方差负时间更新法的推导过程, 并用简单的例子验证了采用负时间更新算法能够取得较好的结果。
参考文献
[1]韩崇昭, 朱洪艳, 段战胜, 等.多源信息融合[M].2版.北京:清华大学出版社, 2010.
[2]黄细凤, 吴钦章.顺序更新式无序量测处理算法[J].传感技术学报, 2012, 2, 25 (2) .
[3]Bar Shalom Y.Update with Out-of-Sequence Measurements in Tracking:Exact Solution[J].IEEE Transactions on Aerospace Electronic Systems, 2002, 38 (3) :769-778.Hilton R D, Martin D A, Blair W D.
测传感器 篇4
关键词：CPLD,光栅测震传感器,傅立叶变换,Matlab
0 引言
在地震勘探工作中, 地震仪通过测震传感器采集信号, 获取地震资料。测震传感器的性能好坏直接影响地震记录质量和地震资料的解释工作。光栅数字地震检波器具有响应快, 动态范围大的优点, 利于实现微弱信号的高精度检测, 对于地震检波器的使用特点———以阵列形势进行工作的传感器, 采用CPLD完成信号处理更加方便与合理, 基于CPLD可以完成多个传感器信号处理。
光栅测震传感器的主要特点[1]有:高精度, 高分辨率和大量程, 可实现动态测量、自动测量以及数字显示, 具有较高的抗干扰能力, 对环境条件要求不高。
利用复杂的可编程逻辑器件CPLD来实现光栅测震传感器输出信号的滤波、辩向、细分、计数锁存和接口功能, 最后用PC机来实现信号的去噪滤波。
该系统包括4个组成部分, 即光栅测震传感器、放大整形电路、CPLD芯片和PC机, 其中CPLD芯片集多种逻辑功能于一身, 实现了滤波、细分、辨向、计数锁存和接口功能。软件部分主要是实现基于MATLAB的傅立叶变换滤波去噪功能。
1 光栅测震传感器输出信号的分析与初步处理
光栅地震检波器利用标尺光栅和指示光栅重叠相对运动时形成的莫尔条纹效应将大地震动的机械信号转换成光调制信号—莫尔条纹, 用光电器件接收莫尔条纹, 经过滤波, 电压比较和门电路, 最终实现以两路数字脉冲形式输出的信号。
地震波信号极容易受到各种干扰信号的影响, 传感器能够接收的信号非常弱。而且还仍然夹杂着许多各种各样的噪声干扰, 所以输出信号也不可避免地掺杂着众多的干扰噪声。首先对其输出信号进行初步处理, 利用以LM324为核心的低噪声前置放大整形电路以及以LM339为核心的电路[2~4]。信号经过放大后, 经过电压比较器变成方波输出。
2 CPLD芯片的选择
针对光栅测震传感器输出信号的特点, 本文采用了Altera公司的MAX7000系列产品的EPM7128SLC84-15, 它采用CMOS工艺, 是一种基于EPROM的器件, 具有高阻抗、电可擦、在系统编程等特点[5]。在实践中取得了很好的应用效果, 实现了硬件设计软件化, 使用可编程逻辑器件技术避免了复杂的PCB布线, 带来不仅在成本、开发周期、可靠性等方面的优势, 而且大大增强了硬件模块的柔性, 通过编程来很方便地修改硬件电路结构, 功耗也大大降低。将电阻链细分和逻辑电路细分结合, 在模拟细分基础上, 由一片集滤波、细分、辩向、计数锁存和接口功能于一身的EPM7128SLC84-15实现输出信号的处理。CPLD与计算机之间的数据传输基于增强并行口 (EPP) 协议。
3 输出信号处理模块
由于地震波信号极易受到各种干扰, 所以光栅测震传感器的输出信号中夹杂着大量的噪声信号, 为滤除噪声干扰, 本文采用短时傅里叶变换的基本原理, 对信号进行加窗函数的滤波, 并辅以基于FIR的低通滤波器实现。Matlab是一种广泛应用于工程计算及数值分析的新型高级语言, 它功能强大, 简单易学, 编程效率高。本文选用海明窗设计了FIR数字滤波器。
4 结语
本文利用逻辑功能强大的可编程逻辑器件EPM7128SLC84, 将滤波、细分、辨向、计数锁存和接口功能集于一身, 使用方便灵活。细分电路精度高, 实时性好, 通过改变逻辑电路还可以满足多种细分要求。最后用MATLAB编程实现滤波去噪功能。
鉴于CPLD在数字电路系统设计方面的优势和DSP数字信号处理的优势, 可以考虑采用DSP与CPLD相结合的办法来进行光栅测震传感器输出信号处理系统的研究。
小波变换既保留了傅立叶变换的优点, 又弥补了其不足之处, 可以考虑用小波不变换方式替代傅立叶变换, 完成去噪滤波功能, 将会取得一定成果。
参考文献
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[4]陈白宁, 王生力.光栅传感器测量系统前通道配置与接口设计[J].沈阳工业学院学报, 1997 (3) :23-28.
测传感器 篇5
随着工业对测量精度要求越来越高, 利用光学技术进行非接触测量是最具潜力的三维测量方法。其优点是系统柔性好、量程大、速度与精度适中。线结构光传感器基于激光三角法, 激光器将结构光投影到三维物体, 再以一定角度漫反射回位置探测器, 由探测器接收面位移算出物体表面点的三维坐标。系统结构决定测量范围与精度, 分析结构参数对结果的影响十分必要。
本文基于激光三角法建立测头数学模型, 透视投影建模转换成像坐标系与世界坐标系, 研究系统综合测量误差与结构参数的关系, 给出目标方程与边界函数, 结合非线性规划思想用matlab对结构参数仿真优化。选取合适的结构参数后用zemax设计满足要求的物镜结构。
1 线结构光传感器测头数学模型的建立
构造测头数学模型是本文的关键内容。三角法是从光源发射光线到被测表面, 在另一向透镜成像观察入射点位置, 入射与反射光线空间位置成三角形。按入射光与被测目标法线间角度关系分为直射式和斜射式。直射法建模具有代表性, 本文选择分析直射法, 透视投影建立数学模型。透视投影变换在齐次坐标下进行, 测量原理如图1 所示。
图1 中Ow-XwYwZw和Oc-XcYcZc为世界坐标系和摄像坐标系, 是三维空间坐标系;O-XY为物体成像二维坐标系; X、 Y轴平行于Xc、 Yc轴。世界坐标系由摄像坐标系与光切平面唯一确定。 Zc轴斜向下与光切平面交点为世界坐标系原点Ow; Zw轴在光切平面内垂直向上, 在Zc轴和Xc轴决定的平面内; Yw轴在光切平面内与Yc轴平行; Xw轴垂直于光切平面。物体曲线方程为:
视场内线段经物镜成像在像平面, 物体表面在Zw轴偏离XwOwYw平面使光线成像与Y轴不重合, 偏移量由Zw值决定。本文要建立世界坐标系点P (0, Yw, Zw) 与摄像坐标系点P’ (Xi, Yi, -f) 的关系式, f为摄像物镜焦距。把世界坐标点写成齐次坐标形式 (Xw, Yw, Zw, 1) , 摄像坐标点为 (Xc, Yc, Zc, 1) , 世界坐标系经坐标平移使Ow与Oc重合, 绕X轴旋转180°, 再绕Y轴旋转-θ (右手坐标系从正半轴向原点看逆时针是正方向, 这里按右手定则是反方向取负号) 后转换成摄像坐标系。表达式如下:
式中RY (-θ) 和RX (180°) 代表绕Y轴和X轴旋转的矩阵, T代表平移矩阵, 其表达如下:
将世界坐标系光切平面坐标点集 (0, Yw, Zw, 1) 带入公式 (2) , Yw、 Zw为未知量, 得摄像坐标点集:
将图像坐标系P’点转换到摄像坐标系, 齐次坐标形式表示 (Xi, Yi, -f, 1) , 联立公式, 结合, 得世界坐标系光切平面点和摄影坐标系图像传感器点之间的关系式:
式中 (Xw, Yw, Zw) 为世界坐标系被测物体点的坐标, (Xi, Yi, -f) 为图像坐标, θ 为物镜光轴与光切平面夹角, L是物镜中心到光切平面垂直距离, 在透视坐标系下便于分析外部参数L、 θ。
2 线结构光传感器测头结构参数分析与优化
本节利用数学模型分析结构参数, 给出约束条件, 根据主要影响因子进行优化设计, 结合实例给出最优参数, 尽量使测量误差达到最小。
2.1 结构参数设计分析
测量模型中世界坐标系Yw和Zw是L、θ、f、 Xi和Yi的函数, 根据误差理论分析得Yw和Zw测量误差与各自变量有关, 可得:
其中 ΔL、 Δθ、 Δf是结构参数L、 θ、 f的标定误差, ΔXi和 ΔYi为像面坐标Xi和Yi提取误差。系统综合测量误差△为:
有两种因素影响被测表面点坐标测量误差:结构参数L、 θ、 f的标定误差和图像处理中像点坐标提取误差。给定系统参数固定不变, 使用前精确标定, 因此 ΔL、 Δθ、 Δf影响很小, 主要误差是像点坐标提取误差。实际中像点坐标提取误差随算法改变, 在此令 ΔXi和ΔYi为一定值 δ。利用式 (5) Yw、 Zw坐标分别对Xi、 Yi求偏导, 得被测面上点在Yw、 Zw轴方向测量误差, 再由式 (7) 得系统综合测量误差:
由上得△随被测点位置不同而改变, 在物面分布不均匀;△值随f和 θ 增加单调减小, 随L和 δ 增加单调增加。设图像传感器尺寸2CX×2CY, Xi∈ [-CX, CX]、 Yi∈ [-CY, CY] ;得△在Xi=-CX, Yi=±CY时最大。要在视场内测量精度都达标, 即△最大时要符合要求, 得:
式中 θ 为线激光漫反射到物镜的角度, 实际要考虑光能量, 把漫反射光条近似为郎伯辐射体, 光条辐射强度满足余弦定理, 随 θ 余弦变化, 当 θ 为90°光强为0, 即 θ 不能太大, 否则不能捕捉清晰图像。式中 α 为视场半角小于 θ 值, 即, 实际中图像传感器不能探测无穷远处物点。当CX、 CY已知, △max为L、 f、 θ 的函数, 把公式 (9) 定为结构目标函数, 常取最小值时的结构参数量。当像面尺寸已知, 由公式 (5) 可得Zw、Yw最小值和最大值。
2.2 设计实例
本文设计一个轻型线结构光测头, 提出设计指标:综合测量误差小于0.020mm, 测量深度范围80-120mm, 宽度范围50-80mm, 响应速度快, 外形尺寸紧凑。
本文选取Thorlabs L650P007 型号TO封装半导体激光器, 标准光输出功率7m W, 标准波长650nm, 门限电流20m A, 正常工作电流和电压为28m A和2.2V, 垂直方向半光束发散角28°, 平行方向半光束发散角9°, 最大象散值15μm, 监测电流0.12m A。数字图像传感器选用Aptina IMAGING MT9P031 型号1/2.5-Inch 5Mp CMOS传感器, 像面尺寸5.70×4.28mm, 对角线长7.13mm, 像元大小2.2×2.2μm, 有效像素2592H×1944V, 最高帧率53fps, 支持数字和模拟信号输出。常用工业镜头焦距有8mm、 12mm、16mm、 25mm, 取像素提取误差为1/4 个像元尺寸, 将已知参数带入目标函数与约束方程, 优化出合适的结构参数。基本约束:传感器尺寸L为70-120mm, θ 值大于 α, 由焦距与图像传感器尺寸确定。
此优化模型为非线性规划问题, 用matlab对结构参数仿真优化, 由于选取初值不确定, 可得多组满足要求的结构参数, 表1只列出不同焦距f的部分仿真数据:
由图2 得综合测量误差与结构参数L、 θ的关系, L与△max呈线性关系, △max随L增大而增大;焦距与△max呈非线性关系, 一定范围内△max值随f增加而降低。综合考虑相机视场、测头尺寸和设计要求, 从仿真结果中选取合适的结构参数: f =12mm, θ=47°, L=87mm, △max=0.01417mm, 满足要求。
3 线结构光传感器测头物镜设计
摄影物镜光学特性由焦距f、相对孔径和视场角共同决定。焦距为12mm ;相对孔径由像面照度和物镜分辨率决定, 普通摄影物镜为1 : 9~1 : 2.8, CMOS传感器对角线ymax为7.13mm, 得相对孔径D/f’ =1 : 3.37, 实际设计取更大值;视场角由焦距和像面大小决定, 半视场角 ω=arctan (ymax/2f’ ) =16.54 °, 视场角2ω=33.08°。本文从光学设计手册选取近似结构, 通过缩放焦距法得到初始结构。
查询后选定初始结构为后置光阑的三片物镜, 初始参数:焦距f’ =42.12mm, 相对孔径1 : 2.8, 视场角2ω=54°。初始结构效果一般, 要添加MTFA、 MTFT、 MTFS操作数控制衍射调制函数在空间频率内高于一定值, 也要添加镜片边界函数控制各镜片中心和边缘厚度, 还要添加像差操作数SPHA、 COMA、ASTI、 DIST等来控制系统基本像差, 然后根据实际情况添加TTHI、 OPGT等操作数来进行优化, 得到最终结构如图3-8 :
系统第6 面采用非球面, 其余面是标准球面, 在zemax中用合适的优化函数和操作数校正像差, 逐步进行像差平衡, 获得实际焦距12.011mm的物镜镜头, 总畸变不超过0.4%, 所选视场内MTF轴上超过70%@100lp/mm, 轴外0.7071 超过35%@100lp/mm, MTF曲线比较理想, 整个系统球差0.000223, 彗差-0.002911, 像散-0.000304, 镜头总长14.666mm, 镜头结构紧凑, 像质较好, 满足设计要求。
4 总结
在线结构光传感器测头数学模型基础上分析各结构参数对综合测量误差的影响, 综合考虑测量精度和像素提取误差, 建立优化目标方程和边界条件, 结合非线性规划思想用matlab软件对结构参数仿真优化, 得到理想的结构参数, 再用zemax软件设计满足要求的物镜结构, 对线结构光传感器测头结构参数优化与物镜设计有理论指导意义。
参考文献
[1]王宝光, 贺忠海, 陈林才, 等.结构光传感器模型及特性分析[J].光学学报, 2002, 22 (4) :481-484.
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测传感器 篇6
一、系统结构及功能
系统由流速检测装置、水深检测装置、缆车驱动装置、信号处理设备、网络设备、供电设备和测控软件组成。系统结构如图1所示:
系统特点及功能简介:
1、在自动方式下,按照用户设定的测点数量和测量时间自动完成河道断面实时流量数据的测量,将该数据在软件界面上显示,实时累计之后的河道实时的过流总量,并存储相应数据,供用户进行历史数据查询和生成统计报表以及打印。
2、在手动方式下,由人工操作相应按钮控制缆车进行河道断面实时流量数据的测量,并实现其他与自动方式下相同的功能。
3、缆车保护舱具有防止破坏的报警功能,同时在缆车进行流量测量的过程中有声光形式的报警设施对现场周围的工作人员进行提醒和警示。
4、系统通信使用光纤信道,在此信道发生故障时将自动切换到无线GPRS信道通信,保证系统数据的连续性。
5、系统电源留有太阳能供电的接口,可为系统不间断工作提供保证。
6、系统安全性能高,自检、自诊断功能能及早发现设备故障,避免发生事故,局部故障不造成错误输出,并能自动报警。
二、系统硬件组成
1、流速检测装置
流速检测装置由两部分组成:插入电磁式流速传感器和电磁流量转换器。
利用电磁线圈在垂直于水流方向的平面上产生一个磁场,当水流穿过该磁场时做切割磁力线运动,从而产生感应电流,水的流速越高则该感应电流越大,如果水是静止的则无感应电流,通过信号转换电路将传感器采集到的感应电流进行放大、处理后变成可被信号处理设备读取的标准信号。图2
v———液体的平均流速(m/s)
B———磁场的磁通密度(T)
D———导管的内径(m)
2、水深检测装置
水深检测装置的核心部件为拉力传感器。拉力传感器一端接钢缆,一端接流速检测装置以及重锤,当钢缆向水面放时,拉力传感器承受流速检测装置以及重锤的重量,一旦重锤接触到水面,水面会对其产生一定的浮力,此时拉力传感器所承受的重量会有一定的减少,通过放钢缆电机上装的编码器记录下此时的读数,当重锤接触到河床时,拉力传感器承受的力将为直接降为零,用此时编码器的读数减去编码器上一个记录值便是此测点的实际水深数据。
3、缆车驱动装置
缆车驱动装置由四组直流电机组成。其中两组用来控制缆车保护舱舱门的开启与关闭;一组用来控制缆车水平方向的移动;一组用来控制缆车钢缆向下的收放。
保护舱舱门开启与关闭的行程依靠分别安装的开启和关闭限位开关加以直接控制,以防止电机轴联构件的损坏。
水平缆车的移动由两端的限位开关加以保护,中间位置由用户通过软件进行设定。
垂直方向收放钢缆的电机轴上装有旋转编码器,用以实时检测钢缆收放的长度,同时也供水深数据的检测用。
4、信号处理设备
信号处理设备为可编程序控制器(PLC),对检测数据的采集由其模拟量输入模块实现,对电机的动作控制则由I/O输出点加中间继电器实现。
系统采用两套施奈德的TWIDO系列PLC,一套为主站,一套为从站,之间通过RS485总线实现数据传输。主站PLC安装于缆车保护箱内,从站PLC安装于缆车内部,随同缆车一起运动。
5、网络设备
系统数据传输是通过无线GPRS与远程用户端计算机直接实现数据互传。
GPRS业务在远程突发性数据实时传输中有不可比拟的优势,特别适用于间断的、突发性的和频繁的、少量的数据传输,也适用于偶尔非频繁的大数据量的传输。GPRS最大的特点就是“永远在线”。GPRS用户只有在发送或接收数据期间才占用资源,只需按数据通信量付费,而无需对整个链路占用期间付费。实际上,GPRS用户可能连接的时间长达数小时,却只需支付相对低廉的连接费用,可使用户的使用费用大大降低。
6、供电设备
系统供电以市电为主,留有太阳能供电接口。太阳能供电设备主要由太阳能电池板和电源智能控制器等组成,具有稳定高效的光电转换效率。(图3)
7、系统安全性设计
系统的安全性设计主要从以下三方面:
(1)接地系统:系统保持接地装置和接零装置可靠而良好的运行,对于保障人身安全和设备安全有十分重要的意义。
(2)防雷系统:防雷系统包括室外设备防雷和室内设备防雷两部分。
(3)抗干扰措施:采用输入信号匹配技术、光电或电磁隔离、硬件滤波、软件数字滤波等技术手段保证信号的平稳与畅通。
三、系统软件设计
1、开发平台
电磁式位移传感自然河道智能测流系统是比较典型的工业控制系统,根据目前工业控制行业的发展状况来看,用组态软件作为工业控制系统上层软件系统的开发平台,已经成为工控行业的发展趋势。本系统选用市场占有率比较高的Wonderware公司的In Touch组态软件作为系统的上层软件系统的开发平台。Wonderware公司的In Touch组态软件具有功能强大、开发简化的特点,并具有良好的兼容性和可扩展性,被广泛应用于世界各国的180000多个设施,涵盖了几乎所有的行业,同时,在国内比较大型的工业控制系统中也不乏大量的成功案例,例如昆明卷烟厂生产二部MES系统、浙江天然气管线监控系统、以及黄河下游引黄涵闸远程监控系统等。其主要特点如下:
(1)提供一个开放的、灵活的框架满足各类管理系统的要求;
(2)降低工程开发成本和维护费用,延长自动化系统的工作寿命;
(3)32位I/O服务器其Suite Link协议提供了高度可靠的、易用的、经过性能优化的数据通信能力,还提供与其它OPC客户机和服务器连接的能力;
(4)它符合FDA 21 CFR第11部分的要求,把Microsoft Windows安全模型扩展到物理设备层上,提供专门符合工厂要求的安全属性;
(5)它可以更有效地管理制造信息管理系统,同时减少工程工作。
2、运行平台
本系统将在Wonderware公司的In Touch组态软件基础上,进行二次开发,从而形成一个适合于插入电磁式位移传感自然河道智能测流需求的运行平台。此运行平台的主要功能包括为各个内部、外部系统以及底层硬件设施提供I/O服务,实现所有监控数据的统一管理,为系统数据的存储提供解决方案,使整个系统的配置实现集中、统一管理,为系统提供安全策略管理,以及进行系统维护等。该运行平台具有以下优势:
(1)统一控制和集中管理,任一级的设备故障不会影响其他系统的正常使用;
(2)有较强的分布式监控和报警能力;
(3)实现远程维护,减少系统的运行成本,大大缩短系统的开发周期;
(4)有利于系统扩展、集成和保护投资。
五、结束语
该系统的研制成功使黄河两岸具备了高科技含量的水利自动化测控设备,取代了以往的人工操作,在确保黄河自然河道测流的精确度和安全性需求的同时,大大提高了水利工作者的工作效率和精细程度。对黄河流域的流量测量工作产生产生重要影响,可以大大提高黄河水资源供需双方结算管理的工作效率和管理水平。
参考文献
[1]安全防范工程程序与要求[S](.GA/T75-94).
[2]计算机软件开发规范[S](GBJ566-88).
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