光学传感（精选7篇）
光学传感 篇1
摘要：准确度和稳定性是光学电流互感器(OCT)的主要性能指标。文中在自适应光学传感器的基础上进行研究和改进,提出采用新型的稳定性高的传感头设计与锁定放大器进行微弱光电信号检测相结合的方法,即在磁光传感系统中采用螺线管聚磁光路结构,并缩短磁光传感材料,提高OCT的长期运行稳定性,信号处理部分采用锁定放大器和与传统电流互感器互补结合的方法综合提高OCT的暂态和稳态准确度。最后通过虚拟仪器LabVIEW对检测系统进行仿真实验。
关键词：光学电流互感器,锁定放大器,运行稳定性,测量精度,输出信噪比
0 引言
随着数字化变电站的发展,以法拉第磁光效应[1,2]为原理的自适应光学电流互感器(AOCT)[3]逐步实现了实用化[4]。以往的AOCT传感部分通常采用顺磁性磁光材料以便于实现自适应光学传感过程[5],然而顺磁性磁光材料Verdet常数比较大,当AOCT测量暂态大电流时法拉第旋转角非常大,导致非线性误差及各谐波所引起的畸变比较大。为了进一步完善和发展AOCT,解决其存在的问题,本文在螺线管聚磁光学传感头中采用抗磁性磁光材料,并缩短磁光材料的长度,以减小AOCT的非线性误差及各谐波所引起的畸变,并进一步提高其长期运行稳定性。但此时AOCT测量小电流得到的光电信号主要被AOCT内部固有噪声影响,严重时会被湮没,其测量值存在较大误差。因此,如何有效地去除噪声的影响,同时得到高精度的数据以确保实现自适应光学传感过程是必须解决的问题。在原有AOCT的基础上,本文通过在信号处理部分采用锁定放大器(LIA),使得改进后的AOCT实现大范围电流的高精度测量,综合提高AOCT的暂态和稳态准确度。通过基于虚拟仪器LabVIEW的检测系统对本文提出的电流测量过程进行仿真实验。
1 AOCT的电流测量过程
根据对光学电流互感器(OCT)数学模型[4]的分析可知,被测电流包括50 Hz的基波电流及各次谐波电流,各种电流成分作用下的光学传感系统所表现的特性始终是一致的[1],而且外界对OCT的影响也不会由于电流成分的不同而有所变化。因此,基波电流与其他电流成分所对应的OCT的比例系数相同。AOCT的系统原理如图1所示。
图1中的稳态电流参考模型是以传统电流互感器为传感元件的电子式互感器,提供高精度的基波电流量测量。在电力系统稳态时,稳态电流参考模型的测量值经过横向滤波器组直接输出,同时光学传感元件OCT部分通过整周期累加平均法计算基本光强P0,利用稳态电流参考模型所测得的电流信号作为光学传感元件的锁定放大器部分的同频率基波参考信号,在稳态电流参考模型和光学传感元件所测得的电流信号经锁定放大器后应用自适应算法计算自适应校正系数。
由于采用基于电磁感应原理的电流互感器作为参考模型来提高其稳态测量精度,当电力系统发生故障时,稳态电流参考模型会因电流中出现的非周期分量产生磁饱和现象而导致严重的波形失真。因此,在电力系统出现故障后必须停止计算自适应校正系数,以避免稳态电流参考模型的失真波形影响OCT的输出,同时需要停止计算P0。由于电力系统中故障时间非常短,外界因素如温度等对光学传感元件的影响在暂态过程中是不变的,故障前后的自适应校正系数也就不变,此时系统采用故障前一时刻稳态所计算出的自适应校正系数,使故障后AOCT的准确度也达到参考模型稳态准确度的水平;同时可认为短时间内OCT中的P0不变,将稳态情况下计算出的P0代入,在后续电路中直接减去该值,通过滤波器组直接输出故障电流信息。故障后的校正参数并不是以故障后参考模型的输出为基础计算得到的,因此故障后由饱和等因素引起的参考模型输出误差不会影响AOCT的暂态准确度。另外,由于通过直接减去P0而得到故障电流,保留了非周期分量,解决了原OCT的单光源单探测器交流/直流法不能测量非周期分量的问题。
为了能将稳态测量期间所获得的自适应校正系数以及P0值应用到暂态测量中,以更好地消除温度、双折射等因素的影响,必须在电流突变瞬间就捕获突变时刻和突变量的大小。本文采用突变量检测方法,检测出电力系统由稳态向暂态转变瞬间会在被测电流中出现的奇异点,以闭锁基本光强的计算过程及校正参数的自适应算法。当电力系统发生故障时,通过突变量检测立即停止计算P0,利用暂态测量通道输出故障电流值,此时不经过稳态测量通道,因此停止计算新的校正参数,并采用故障前一时刻的P0和稳态所计算出的自适应校正系数,通过横向滤波器组直接输出,如图1中虚线所示。
需要指出的是,由于在稳态电流参考模型和光学传感元件的输出信号之后都采用了锁定放大器,因此改进后的AOCT有效地抑制了AOCT内部噪声,提高了信噪比。在保证AOCT的非线性误差及各谐波畸变很小的前提下,提高了改进AOCT对大范围电流测量的精确度和其暂态及稳态准确度。
2 锁定放大器
将锁定放大器应用到AOCT微弱信号系统中,对光电探测器中的噪声[6]有很好的抑制作用。本文采用了正交矢量型锁定放大器[7]进行AOCT微弱信号的检测,其系统结构如图2所示。
电力系统稳态运行时,在不考虑谐波输出的情况下,对于被测稳态电流i=Imsin(ωt+φ),光电探测器输出的电压信号为[4]:
u(t)=P0(1+2θ)=P0+2P0VImsin(ωt+φ) (1)
式中:θ为法拉第旋转角;V为磁光材料的Verdet常数。
经过整周期累加平均方法可得P0,在后续电路中减去该值,即可得到携带有用电流信息的交流量,通过带通滤波器(BPF)及前置放大器后的输出信号为:
式中:Vs=2k1P0VNIm。
忽略光电探测器中白噪声,通过BPF后变成的以ω为中心频率的窄带噪声为n(t),选择参考信号为Vr1(t)=sin ωt,Vr2(t)=cos ωt,则相敏检测器PSD1的输出为:
up1(t)=-0.5Vscos(2ωt+φ)+0.5Vscos φ (3)
相敏检测器PSD2的输出为:
up2(t)=0.5Vssin(2ωt+φ)+0.5Vssin φ (4)
通过LPF和GDC后,便可以得到同相输出I和正交输出Q:
根据
考虑窄带噪声n(t)的影响[8],n(t)可分解为:
式中:nc(t)和ns(t)是2个相互独立的低频平稳随机过程,它们的均值都为0,幅度分布为高斯分布,功率谱密度在-B/2~B/2带宽范围内恒定为N0/2,且nc(t)和ns(t)的功率相同,都等于n(t)的功率。
n(t)Vr1(t)=(nc(t)cos ωt-ns(t)sin ωt)sin ωt=
0.5nc(t)sin 2ωt+0.5ns(t)cos 2ωt-
0.5ns(t) (8)
n(t)Vr2(t)=(nc(t)cos ωt-ns(t)sin ωt)cos ωt=
0.5nc(t)cos 2ωt+0.5nc(t)-
0.5ns(t)sin 2ωt (9)
噪声的和频项被滤除后,其噪声分别主要表现为-0.5ns(t)和0.5nc(t),且由于nc(t)和ns(t)的均值都为0,通过长时间的积分作用后,可大大滤除噪声。
由此可见,虽然磁光材料的缩短会使得改进AOCT输入信噪比降低,但其非线性误差及各谐波的畸变很小,所受外界温度干扰的影响也大为降低,使得其长期运行稳定性大为提高;同时,通过微弱信号检测过程可看出在信号处理部分采用锁定放大器能有效抑制光电探测器的主要噪声,将信号从噪声中分离出来,输出最初正确的微弱电流信号,从而提高了改进AOCT的输出信噪比和测量精度。
3 AOCT交流电流检测实验
为了检验改进AOCT的测量性能,需要进行交流电流的检测实验。实验电路如图3所示。
实验采用的设备包括调压器、400匝螺线管、滑线变阻器(取值100 Ω)、47 μF电容器、用于测量线路电流的PROVA-11型微电流交直流钳形表、HKA0.5-NP霍尔小电流传感器、LXYA 100 V/3.5 V微型精密高精度变换器、NI USB-6251数据采集卡。由于在实验室中没有直接产生600 A~1 000 A的大电流发生器,为此采用提高安匝数的办法将通过螺线管的小电流等效放大,以达到发生大电流的效果。需要强调的是,在实验中所采用的螺线管不是前文所述的光学传感系统中通过一次大电流的聚磁螺线管。在实际应用中,AOCT光学传感系统中的聚磁螺线管的匝数通常是几匝。
NI USB-6251是一款高速多功能数据采集模块,在高采样率下也能保持高精度。通过DAQ Assistant软件可以实现数据采集并将模拟信号与所编写好的LabVIEW程序[9,10]相连。本文采取用传统电流互感器作为参考信号,经移相得到正交的参考信号,计算AOCT测量值与电流互感器测量值,并得到两信号在噪声情况下的测量误差。AOCT信号检测结构如图4所示。
由于实验在非恒温条件下进行,所采集的AOCT和传统电流互感器信号会受到温度变化的影响,因此需要在运行一段时间后重新计算其整定值。调节接触调压器输出所要测量的AOCT信号和电流互感器信号,采样率选择10 kHz,被测信号频率为50 Hz,采样点数为105时,连续运行400次,记录每次AOCT测量值与电流互感器测量值之间的电流幅值最大误差,如图5所示。
实验结果证明AOCT与电流互感器通过锁定放大器后的测量值误差在0.2%以内,检测系统能有效滤除噪声,提高了输出信噪比和测量准确度。
4 结语
本文在采用AOCT中的螺线管聚磁光学传感头的基础上,改用抗磁性材料并缩短磁光材料的长度,提高了OCT的长期运行稳定性。在信号处理部分采用锁定放大器和与传统电流互感器互补结合的方法综合提高OCT的暂态和稳态准确度。同时,利用LabVIEW对检测系统进行了仿真实验,证明检测系统能有效滤除噪声,提高了输出信噪比和测量准确度。
感谢华北电力大学校内博士学位教师基金的资助。
参考文献
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红外甲烷传感器光学气室设计 篇2
红外气体传感器以其检测精度高、检测范围宽、重复性好、不易老化等优点,广泛应用于矿井安全、石油勘探、污染源监测、大气物理等领域中[1,2]。红外气体传感器基于气体分子吸收红外光谱的原理而设计。红外光谱吸收法是利用双原子分子对红外光具有特定吸收峰这一特性来实现的,也就是说某种气体只对应吸收某一波段处的红外光能量,该波段称为这一气体的特定红外吸收峰。它并不与其他气体的吸收峰干扰,而气体吸收的能量与气体在红外光区内的体积分数有关[3,4,5]。红外气体传感器中光学气室就是将红外光源、热释电探测器及气室腔集成到一起的组合体,其设计直接影响检测传感器的响应时间、分辨率、精度和稳定性等性能,因此,气室结构设计是检测传感器性能最重要的部分。本文以红外甲烷传感器为例,介绍光学气室的设计方法,并通过实验测试了光学气室对传感器检测信号的影响,为热释电型红外气体传感器的研制提供了依据。
1 红外光学气室设计
图1为红外甲烷传感器的结构,主要由吸收红外探测器、红外发射光源和光学气室[3] 3个部分构成。红外探测器选用PYS3228双滤光片热释电红外气体探测器,红外光源选择IR-715,该红外光源属于热辐射型光源,辐射强度大,尺寸小,半径仅为1.6 mm,辐射波长范围广,适用于碳氢化合物(3～5 μm)的测量[6,7,8]。
1.1 光学气室设计和加工原则
(1) 为保证红外光源尽可能多地被反射到热释电探测器上,光学气室的内壁要保证足够的光滑度及稳定的性能,不吸收有效红外辐射,不与被检测气体反应。本文中光学气室内壁材料选用黄铜镀金。
(2) 为保证传感器的便携式及红外辐射能多次穿过被测气体,光学气室的光路设计成反射式,这样相对增加了光程的距离,从而提高了传感器的检测精度。但考虑到光线能量的损失影响,光线选择在气室中折射4～6次为最佳[9]。
(3) 为了减小灰尘、水汽、污垢等对传感器的影响,气室应为密封结构,只留些供气体交换的小孔,以保证气体有较高的灵敏度。在设计加工光学气室时要进行防尘防水处理。在光学气室的进气处加装防护罩,防护罩包含了0.2 mm孔的防静电网和0.45 μm孔的聚四氟乙烯膜。防静电网起消除静电和隔离火花的作用,聚四氟乙烯膜具有耐腐蚀、耐火、不吸水和油等优点[10,11,12]。
1.2 气室参数的确定
在实际应用中,气室的长度是根据待测气体的组分和种类而确定的,是在线性刻度范围内选择最长的气室长度,同时又要保证传感器的检测精度,这就需要确定气室的最优光程长度,即在有效波长红外光谱中携带足够的信息,满足气体吸收后到达探测器的红外光足够强,使探测器输出实际可用信号。确定气室的最优光程长度是进行光学气室设计的首要工作。根据Lambert-Beer定律[13]和红外气体吸收光谱[14],红外甲烷传感器气室的最优光程长度为60 mm。以下为具体计算过程。
由Lambert-Beer定律:
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式中:I为出射光强度;I0为入射光强度;L为光程长度;C为待测气体体积分数;-k(λ)为吸收截面数。
设最优光程长度D=CL,由式(1)可得
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设传感器的最小分辨率undefined,则有
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得
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查甲烷红外吸收光谱图[15],可得:标准谱光程长度Dbzp=96 mm,甲烷的最佳波数吸光度A=0.016。由于
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则
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在常温环境下,将不同直径的气室放在实验配气设备中,测试其响应时间,结果见表1。
由表1可知,在气室光程长度一定的情况下,气室直径在10～30 mm时对红外甲烷传感器的响应时间影响不大。气室直径太大或太小都会影响气体对光谱的吸收度,从而对传感器造成一定的影响。因此,选择气室直径为20 mm。图2为光学气室的剖视图。
2 实验结果分析
选用RCS2000(A)计算机自动配气系统,对基于上述气室结构的红外甲烷传感器进行标定实验,同时检测其性能。配气系统采用国外最先进的配气技术,具备配气精度高、操作简单、配气效率高、稳定性好、配气功能强等优势,可配制出高精度、高质量的标准混合气体。
实验中,载气选择纯度为99.9%的N2,将N2和CH4同时通入配气系统,系统将会根据上位软件设置气体体积分数。把配置好的气体通入放有传感器的密闭腔体内,大约10～15 min后气体均匀分布在整个密闭腔体内,达到传感器的平衡点。等待实验显示数码管数值稳定后,记录下显示数值。具体实验测试过程:
(1) 将红外甲烷传感器上电后放入指定密闭腔体内。
(2) 打开装有配气系统的电脑,在系统界面下设置配置的气体体积分数和一些必要的流量参数。
(3) 打开装有N2和CH4的气瓶,并在实验过程中不再调节气瓶调节阀,以保证实验的一致性,减少误差。
(4) 点击系统软件开始通气,等待传感器平衡点,实验显示数码管数值稳定后,记录显示数值。
(5) 在系统软件界面下改变配置的气体体积分数值,重复步骤(4)。配置的气体体积分数分别为0.25%,0.50%,0.75%,1.00%,1.25%,1.50%,1.75%,2.00%,2.25%,2.50%,2.75%,3.00%。
(6) 处理记录数据。图3为红外甲烷传感器标定曲线(横坐标表示单片机采集的A/D值,简称数据量)。经过多次实验验证,该曲线具有很好的重复性。从图3可看出,红外甲烷传感器随着CH4体积分数的增大,数据量明显增大,说明设计的气室结构具有一定的可行性,并且灵敏度很高。
3 结语
光学传感 篇3
通航河道图像视频交通监控系统能实现在内河复杂背景不良气候条件下, 对运动船舶目标进行检测和跟踪, 实现通航河道的船舶实时监控问题, 掌握船舶是否偏航, 以及受水文、风向等影响后的运行情况。在桥区水域的船只非正常航行轨迹的模型是以图像视频的检测为基础的, 它将船只的航行速度、航行的方向、船队规模、船舶领域、各种天气及水面情况以及人为造成的事故进行了分析整理, 通过这些条件可以得知船只在桥区水域的航行过程是否属于正常行为, 当被判断为异常时能将预警信号传达到非正常的船只从而来减少或者有效的避免它碰撞桥墩。最后, 经实验及性能分析, 运用光学多传感器 (红外/ 可见光) 组合模式获取船舶运行信息, 并通过河道图像视频交通监控系统对船舶航迹进行评判, 能够有效地检测船舶异常航迹, 及时发现问题避免事故发生, 该种方法的优点是准确性较高, 能够及时的得到非正常船只的航行轨迹, 最后还能对船只起到警示作用。
1 可见光实验结果
由于内河航道中通航船舶存在有撞桥的威胁, 因此需要对划定的监控区域内的船舶进行检测、跟踪以获取目标船舶的航迹, 并对航迹进行分析, 从而提取出有撞桥威胁的船舶, 并进行告警, 本实验采用camshift算法进行船舶目标的跟踪。
在可见光采集的视频信息清晰的情况下, 用基于颜色信息的camshift算法进行了三组实验。其中camshift算法采用kalman预测估计值进行搜索窗口初始化。
实验A为2010 年10 月在上海S4 高速奉浦大桥上对黄浦江上的航行船舶进行连续拍摄、航迹跟踪和识别。温度16 ℃, 阴天, 风力3~4 级, 总帧数为1086, 帧图像大小为352 288。第一步先提取船舶周围水体的背景像素, 进行背景取出的操作从而得到目标船只的前景像素图, 得到船舶目标的颜色直方图, 然后进依据颜色直方图进行图像跟踪, 接着, 连续观测船舶的位置, 便可以得到目标船只的数值化的航迹;最后, 再经过摄像系统的坐标校准, 可连续实时地得到内河航道上的目标船只的航迹的时间序列, 而该时间序列是一个在内河航道平面坐标系上的二维时间序列。
内河航道背景比较复杂, 河岸背景的颜色和船舶目标很相近, 但是船舶是在河道中航行, 因而划定跟踪范围, 人为剔除背景的干扰, 跟踪结果如下, 记录下了船舶的航迹。可以看出船舶基本上是按直线运动的, 因此与桥墩位置信息进行综合, 就可以判定船舶是否有撞桥威胁。
实验B为2010 年12 月19 日在上海S4 高速奉浦大桥上对黄浦江上的航行的船舶进行连续拍摄、航迹跟踪和识别。温度12 ℃, 阴天, 风力4~5 级, 总帧数为1210, 帧图像大小为352 288, 本次实验用红外和可见光摄像机分别进行拍摄。用上述算法对可见光视频中的船舶进行跟踪。
实验C为2011 年12 月20 日下午于同三高速G1501 横潦泾大桥拍摄, 温度12℃, 阴天, 风力4~5 级, 总帧数为3100, 帧图像大小为768 576。为了得到桥区探测到的船舶的距离、运动的速度, 实验2 中利用激光测距仪获得了目标的实时距离并且利用激光采用了将周期频率换算成目标实时的运动速度, 计算了航道上目标船舶在时间序列上的运动航迹, 可以实现基于多船舶的目标检测、跟踪。
kalman预测估计值进行搜索窗口初始化标记于原图中所得结果, 其中红点camshift为跟踪结果, 绿点为kalman预测的初始搜索值, 可以看出预估值距离目标真值不远, 也就是预估能够减少迭代搜索的范围和搜索次数。可以将kalman算法进行简化, 即假设目标在短时间内做匀速直线运动, 令Sx, Sy为目标最后一次的位移, 将跟踪窗口平移Sx, Sy作为下一帧图像中目标窗口的预测, 即初始化搜索窗口, 随后用Camshift算法进行目标搜索。可以看出背景减除加canny边缘算法检测综合进行船舶目标检测, 将检测结果进行目标特征提取, 并将检测结果位置作为camshift算法初始化搜索的条件, 之后用camshift算法进行目标跟踪运用于不同的航道进行船舶跟踪都可以取得可以接受的结果。
以上实验均是基于可见光进行跟踪的, 当晚上可见光采集的信息不足时, 红外信息却很清晰, 为了满足防船撞预警全天候全天时的应用需求, 因此本文采取可见光视频信息不清晰时基于红外视频信息进行跟踪的方法。
2 结论
光学传感 篇4
奥地利微电子开发的手势识别软件支持广泛的手势应用, 实现了消费电子设备的非接触控制。手势检测功能利用四个定向二极管来感知反射的红外线能量, 然后将该数据转换为物理运动信息, 包括速度、方向和距离。由于传感器越来越多地被运用于当今的移动设备中, 对传感器集线器架构的支持已经成为实现系统最佳性能的一个重要条件。
T MG399 x手势识别软件目前支持优化的安卓驱动, 同时提供可用于高通Snapd r agon 6x x和8x x处理器系列上的A DSP的库文件, 实现了四个方向的手势传感、环境光传感、接近传感和其他所有标准功能。奥地利微电子的软件提供了拓展的手势识别功能, 包括支持八个方向的手势传感、按钮和轻击功能。奥地利微电子正着手开发基于其他业内领先的传感器集线器方案的完整方案。
手势识别功能模块能够自动消除环境光的影响、排除光学串扰, 配备2个8位模数转换器、可节省功耗的交互延迟、32数据集F I FO和12C通信接口, 既能满足简单的“东南西北”手势传感也能实现复杂的虚拟按键和轻击等广泛的手势检测要求。可调整的红外LED输出和优化的手势算法将功耗和噪音降至最低。
T MG399x产品系列还集成了来自奥地利微电子行业领先的颜色传感器。精确的颜色及亮度控制是在日光灯、白炽灯和太阳光等多种光源下执行便携式设备显示屏管理的决定性要素。接近检测由红外LED和传感器构成, 经优化可用于探测100毫米以内的物体, 也可用于简化产品用户界面, 如智能手机触屏的智能开关控制。接近检测通过了100毫米距离的工厂校准, 使原始设备制造商无需在生产线上进行校准, 帮助简化终端产品的制造过程。
奥地利微电子的Mobeam技术使系统设计师更容易地将电子商务功能集成到智能手机和便携式电子设备中。TMG399x Mobeam条形码仿真功能使智能手机中的电子条形码能够成功被零售终端的一维POS机读取。集成的红外光调制功能利用模块内部红外LED模拟其他的光学收发设备或模拟一些复杂的光学信号。一个配备128字节RAM的多功能状态机可产生符合多种光学协议的仿真信号。
光学传感 篇5
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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[2]林邓伟,刑文生.光电鼠标芯片组在无接触检测运动物体中的应用[J].微计算机信息,2O06,22(7-2).
[3]赵玉昆.PS/2鼠标和单片机的接口[J].上海应用技术学院学报,2004,4(1).
光学传感 篇6
随着现代电力工业的发展,电力系统的传输容量不断增加,电网运行电压等级也越来越高,目前我国电网已将原来的220 kV骨干电网提高到了500kV。
传统的基于电磁感应原理的电磁式电流传感器(CT)结构简单,经过长期的应用研究,其测量稳态电流的精度可以达到万分之几的精度甚至更高。然而,电磁式CT逐渐暴露出相当严重的缺陷。短路故障情况下,电磁式CT出现严重的磁饱和现象,导致二次输出电流波形严重失真,不能准确描述短路时的过渡过程[1]。这也是继电保护长期以来误动和拒动的主要原因之一。
基于Faraday磁光效应的光学电流传感器(OCT)能够有效地克服这些缺点。相比于传统的电流传感器,OCT具有绝缘性能好、不饱和、抗干扰、动态范围大、频率响应范围宽等优点[2,3,4,5,6,7]。过去的很长一段时间里,一直是新型电流传感器的主要研究热点。
而基于Faraday磁光效应的OCT的测量精度由于受到了温漂和不能长期稳定性运行问题的影响[8],在世界范围内长达40多年的研究中一直没有取得实用化成果。
为了解决OCT温漂的问题,引入闭环系统的思路来增强OCT系统的测量精度。
1 闭环负反馈OCT系统
1.1 光学电流传感器数学模型分析
基于Faraday磁光效应的OCT进行电流测量的基本原理是磁光材料在外加电场和光波电场共同作用下产生的非线性极化过程,即磁场方向与线偏振光的传播方向平行时,线偏振光通过置于磁场中的磁光材料后,出射后的线偏振光与入射时的偏振平面之间将产生法拉第旋转角θ,如图1所示[9]。
法拉第旋转角θ表达式为:
式中,μ为法拉第磁光材料的磁导率;V为磁光材料的Verdet常数,与材料特性、光源波长及外界温度等有关;H为被测电流所激励的磁场强度;L为磁场作用下的线偏振光的有效长度;l为积分矢量[10]。
线偏振光在外加磁场的磁光材料中传播时,可以分解为两个相反转动的左、右圆偏振光分量,这两个分量无相互作用地以不同速度n-/c、n+/c进行传播。出射后的两个分量之间仅存在相位差,合成后光仍为线偏振光,但其偏振面对于入射光旋转了一个法拉第旋转角θ:
其中:n+和n-分别为左、右旋圆偏振光的折射率,它们是有效场Hi的函数,有效场包括外磁场H和温度作用场Hv;L为传播距离。
线偏振光携带着被测磁场的信息进入光电转换器后将光信号转换为电信号才能进一步处理。应用马吕斯定律将不可测的偏转角转化为可测的偏振光的光强,再利用偏振分束器分成两束光,分别入射到两只光电转换器中。两只光电转换器所接收的光强分别为:
其中,P0为光源发出的基本光强。
外界温度对光学电流传感器的影响除引起了磁光材料Verdet常数的变化外,主要是温度变化在磁光材料中产生了线性双折射,使得原来的线偏振光转变为椭圆偏振光[4],从而产生了误差,反映在两只光电转换器所接收的光强上为:
其中,φ是线性双折射。
此外,光电转换器将携带有被测电流信号的光信号转换为计算机可测的电信号。根据光电转换器的特性,其输出方程可以用式(5)表示:
按照Farady磁光效应原理的光学电流传感器的基本原理和构成,以及考虑到温度因素的影响,可以得到图2数学模型方框图[9]。
1.2 闭环负反馈思想的引进
从对整个OCT系统数学模型的分析可以看出,原有的OCT在本质上是开环系统,若要实现OCT的高精度测量,就必须构成闭环系统,才能彻底解决OCT测量温漂的难题。
温度对OCT的影响最终作用于直流光强和交流光强中,只要将与交流光强一同输出的直流光强稳定于一个设定值就可以消除温度的影响。
为此,在原有光学电流互感器的基本组成结构上,将光电转换后的电信号进行高精度微弱信号处理,以抑制光电转换器中噪声的影响;再进行高精度交直流信号的分离,交流信号输出反映为被测电流;直流信号与光源设定电源输出的基本光强信号进行比较,将比较值输入高稳定度光源可控直流源中,直流源的电流提供给光学电流互感器的光源。由此而形成闭环,构成光学电流互感器的反馈自校正控制系统。
闭环负反馈系统原理图如图3所示。
图3中,输入至高稳定度光源可控直流源中的信号是设定值与反馈值之间的比较量。
2 高稳定度光源可控直流源控制系统设计
不管是温度的影响还是输入电流的波动,都最终反映在光源发出的光的强度上。为此,在光源的输出口增加一个分束器,将光源的输出光分成1:99的比例,将1%的光强反馈回直流源的一个光电转换器上,根据反馈光强的波动来按照一定的控制规律调整输入电流的大小,原理图如图4所示。
为了实时调整输入电流的大小以达到跟随反馈光强波动的目的,就必须能很好的对X9241数字电位器实现控制。
2.1 X9241数字电位器分辨率扩展
X9241型数字电位器是由四个数字电位器集合而成,每个数字电位器都有63个抽头,为了实现对输入电流的良好控制,就必须对数字电位器实现分辨率扩展。
X9241数字电位器扩展思路如图5所示。
数字电位器分辨率扩展推导:
将式(6)变形为:
由于X 0、X3均只能取整数,故为了得到最大的分辨率,令X3=X 0+1、X0=x
假定,z相当于等效后的滑动头的位置。因为,则z∈(0,8001],中间抽头增加到8 001个,分辨率大大提高。
其中,x∈(0,63],y∈(0,127],且x、y均取正整数。
对式(7)进行分析可知,给定z值即可求得x、y的值:
各滑动分接头的取值策略为:
2.2 X9241数字电位器控制策略分析
从数字电位器分辨率的扩展推导过程可知,数字电位器POT0、POT3作为粗调部分,数字电位器POT1、POT2作为微调部分。微调部分控制分析策略如图6所示。
禁止滑动端DW1、DW2的实现:
控制策略的软件实现流程图如图7所示。
2.3 高稳定度光源可控直流源控制结果分析
由C8051F310控制下的X9241数字电位器,在完成高分辨率扩展后,嵌入整个OCT系统中进行实验。实验结果如表1所示,其中扩展后的数字电位器各端口之间为电压测量值,单位为V。
分析可知实验的控制输出结果满足高精确度的要求,如图8所示。从而实现了对输入电流的高分辨率调整,也同时达到了实时跟随反馈光强波动的目的。
3 小结
本文在对基于Faraday磁光效应原理的光学电流传感器数学模型进行分析的基础上,通过将受温漂影响的直流光强与光源设定单元光强进行比较,并将比较值作为高稳定度光源可控直流源的输入,从而引入闭环负反馈控制,补偿了由环境变化给光学电流传感器带来的误差,进一步增强了光学电流传感器的测量精度,大大提高了继电保护装置的稳定性和可靠性。理论分析和硬件实验对其可行性进行了充分的证明,也为下一步实用化奠定了基础。
参考文献
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光学传感 篇7
奥地利微电子开发的手势检测功能利用四个定向二极管来感知反射的红外线能量, 然后将该数据转换为物理运动信息, 包括速度、方向和距离。
TMG399x手势识别软件目前支持优化的安卓驱动, 同时提供可用于高通Snapdragon 6xx和8xx处理器系列上的ADSP的库文件, 实现了四个方向的手势传感、环境光传感、接近传感和其他所有标准功能。奥地利微电子的软件提供了拓展的手势识别功能, 包括支持八个方向的手势传感、按钮和轻击功能。奥地利微电子正着手开发基于其他业内领先的传感器集线器方案的完整方案。
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TM G399x产品系列还集成了颜色传感器。精确的颜色及亮度控制是在日光灯、白炽灯和太阳光等多种光源下执行便携式设备显示屏管理的决定性要素。接近检测由红外LED和传感器构成, 经优化可用于探测100mm以内的物体, 也可用于简化产品用户界面, 如智能手机触屏的智能开关控制。接近检测通过了100mm距离的工厂校准, 使原始设备制造商无需在生产线上进行校准, 帮助简化终端产品的制造过程。