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分布式测量

分布式测量（精选八篇）

分布式测量篇1

微小位移精确测量,在工程、材料、精密机械等很多领域有着重要应用,微小位移测量技术可以分为两大类:一是电学测量技术;二是光学测量技术[1]。电学测量技术主要靠测量位移引起的各种电效应,从而获得位移信息;光学测量技术主要为衍射法、干涉法和光电传感器测量等。目前微小位移测量主要采用光学方法,其中衍射法和干涉法测量精度高,可以达到纳米量级[2],但是价格昂贵,结构复杂;相对而言,光电传感器方法价格便

宜,结构简单,其测量精度主要取决于传感器的灵敏度,常用光电传感器以CCD和PSD为主,灵敏度一般为微米量级[3]。

本文介绍一种基于几何光学原理的测量方法,可以在低成本下实现基于线阵CCD的微小位移精确测量系统。线阵CCD把光信号转换为模拟电信号,通过初级信号调理、数据采集、存储等实现数字化处理,采用RS485总线进行多点通信并实现数据远距离传输,最后通过USB2.0接口与计算机的通信,利用统计算法对数据进行分析和判定,实现了对数据的实时处理。

1系统原理及结构

微小位移测量系统的主要结构如图1所示,包括:水平线激光源、线阵CCD单元、数据处理单元、网络通信单元和PC机等。

水平线激光源为线阵CCD提供精确的红色线光源,线阵CCD感应线光源的微小位移并输出相应信号,数据处理单元对CCD感应输出的模拟信号进行数字化处理,网络通信单元实现数据处理单元和计算机之间的通

信,PC控制程序用于设定系统参数、接收并处理数字信号等。

2线阵CCD单元

CCD(ChargeCoupleDevice,电荷耦合器件)是一种以电荷为信号载体的微型图像传感器,具有光电转换、信号电荷存储、转移及读出等功能。CCD从芯片结构上可分为面阵CCD和线阵CCD两种类型[4],系统采用的线阵CCD为TOSHIBA公司的TCD2703D,该器件具有高灵敏度、低暗电流、高分辨率等特点,当扫描一张A3纸,精度达到24lines/mm。TCD2703D可以对红、绿、蓝光分别有2路共6帧输出,每帧输出3894×16bits的数据。在使用TCD2703D时,在其前方加上红光滤光片,只处理其红光输出。放置滤光片有以下作用:一是使进入线阵CCD的光为红光,二是减少外部杂散光的干扰。

在正确驱动信号驱动下,CCD芯片才会正常工作。TCD2703D有5路驱动信号,分别是电荷转移信号SH、两相时钟信号Φ1A和Φ2A、箝位信号CP和复位信号RS,五路驱动信号之间有非常严格的时序和相位关系[5],具体如图2所示。在SH为高电平时,要求时钟信号Φ1A高电平脉宽大于SH,Φ1A高电平启动比SH提前,结束比SH滞后;在SH为低电平时,Φ1A进入正常周期,占空比50%,Φ2A始终和Φ1A反向。在正常周期中,每一个Φ1A低电平(Φ2A高电平)期间必须包含一个高电平RS和高电平CP信号,CP滞后于RS;非正常周期中RS和CP信号电平为低电平。

TCD2703D驱动信号在FPGA内部产生,通过VHDL编程实现,实现的TCD2703D驱动脉冲如图3。

3数据处理单元

数据处理单元包括初级信号调理、数据采集、存储等模块,主要实现以下几个功能:对TCD2703D输出的模拟信号进行调理[6];对调理后的信号进行数字化处理;对得到的数字信号进行存储以便后续处理。

根据TCD2703D输出信号的特性,需要先对每一帧的输出信号进行初级处理,初级信号调理单元主要采用阈值调节,调节后的信号进入到数据采集处理单元。由于TCD2703D的灵敏度很高,受自然光和杂散光等的影响较大,需要精心调节阈值以降低干扰,这对确定CCD输出信号的位置有很大影响[7]。

FPGA是数据处理单元的核心元件,FPGA选用ALTERA公司的Cyclone系列的EP1C6Q144。在系统中,FPGA主要实现以下功能:

1)正确输出TCD2703D的驱动脉冲,实现其正确工作;

2)TCD2703D每一帧的输出经过初级信号调理单元,在信号超过阈值后会输出矩形脉冲串,在FPGA中通过计算得到矩形脉冲发生的中心位置,并将该位置数据存储到SRAM中,正常工作时每秒SRAM中记录5000个数据;

3)SRAM的I/O端口是复用的,为了防止端口数据之间的读写冲突,使用FPGA控制SRAM中数据的写入和读出;

4)在FPGA中用硬件实现中值滤波,所设计的硬件电路能够快速、高效地对算法进行实现,取得良好的滤波效果,使处理后的数据更加准确。

经过FPGA处理后,位置数据信息被存储到片外SRAM中,系统使用的数据存储芯片容量为64k16bits。使用片外SRAM基于以下的考虑:首先是增大可连续采样