基于位移设计范文

基于位移设计范文（精选9篇）

基于位移设计 第1篇

关键词：位移,建筑结构,抗震设计

1 基于位移的抗震设计中需要完善的内容

钢筋混凝土是建筑结构施工中比较常用的材料,材料设计期间会对强度与抗震能力进行评估检测,为建筑物使用提供安全保障。随着建筑行业不断的发展壮大,所面对的建筑环境也逐渐变得更加复杂,结构一旦受基层环境影响出现变形或者位置移动,是很难保障使用安全性的,也增大了设计期间的隐患,对于一些比较常见的基层隐患问题,在建设前会进行加固处理,提升建筑结构的使用安全性。但导致位置移动的原因有很多种,比较常见的是建筑物设计期间,建构的框架设计形式中存在不合理的内容,这样的建筑结构投入到使用中,会引发严重的质量安全问题,材料的自身质量不达标也是造成此类问题的主要原因,建筑单位为提升经济收益会将质量不合格的材料充当优质材料使用,虽然在建设初期建筑物的使用安全不会受到影响,但使用一段时间后,位移以及结构变形问题会逐渐的凸显出来,影响到建筑结构的抗震性能。上述问题在建筑物的抗震结构设计以及建设期间都是真实存在的,需要设计人员加强探讨优化,避免类似的问题出现在建筑结构中。

2 能力设计方法的基本思想

能力设计理念提出后,在建筑工程行业中得到了广泛的应用,其中比较明显的特征是能够根据建筑物的需求来对结构框架进行设计。如果建筑物需要建立在地形结构比较复杂的区域内,在使用期间可能会遇到地质灾害,设计时要考虑是否能够抵御灾害发生时对结构所产生的破坏,并通过这种方法来更好的解决基层环境问题,促进管理计划得到更明显的落实应用。结构的优化设计以及能力评估是基于计算机软件基础上来进行的,将设计结构图形以及参数输入到计算机中,观察是否存在需要进一步完善的内容,并结合技术性方法来探讨解决措施,确保最终投入使用的设计方案是最科学合理的,不会造成现场使用安全性下降。能力设计方法中能够更直观的体现出建筑结构的抗震能力,并通过各个结构使用形式的优化来对建筑结构的承载能力进行定向提升,达到更理想的经营管理效果,对于一些比较常见的技术性问题,也能起到预防控制作用,这是传统设计方案中难以实现的。

3 能力谱设计方法的步骤

结构抗震能力评估在设计阶段达到理想的标准,但实际应用时仍然存在需要进一步完善的内容,需要工程师结合设计方案来对现场的施工可行性进行更深入的判断,并为常见的技术性方法创造可行性。抗震能力落实需要建立在完善的技术方法之上,观察结构中是否存在需要进一步提升完成内容,并对施工现场进行全方位测量勘探,这样能够帮助技术人员明确在基础结构中所存在的问题,根据所得到的测量结果来进行更准确的结构评估检测,为能力实现创造有利条件。能力谱设计可以帮助节省大量的结构优化以及抗震性能检测时间,对施工也能充分的发挥知指导作用,设计期间也可以重点从以下两方面内容来进行。

(1)对结构进行非线性静力分析。非线性静力分析是帮助结构在静止状态下能够维持稳定的使用体系,并在基层中观察是否存在需要进一步完善的内容,对于一些比较常见的技术性问题,在分析时也可以通过优化静力的作用形式来降低对结构的压力损伤。造成位移的原因中必然会存在受力形式不合理,在分析阶段便能够准确的判断其中所存在的问题,并通过各个结构之间的相互优化与配合,促进建筑结构的抗震性能提升。对于非线性静力的分析,要从垂直与水平两方面来进行,观察其中所存在的问题,初期所构建的模型可以进行优化整改,当设计进入到最终方案的确定阶段,则要考虑是否能够达到理想的使用标准,要从局部来进行结构体系的优化,避免出现质量安全受到影响的隐患因素。

(2)分别计算结构顶层的振型参与系数。对于不同结构的震动系数进行分析,并确定结构所能承受的安全震动标准,观察在结构中是否存在需要进一步完善的内容。对于抗震参数的设计,需要充分的考虑在结构中是否需要进一步完善的内容,以及建设区域内地质灾害发生的强度,来帮助实现更稳定的工程结构建设目标。参数的计算需要配合固定公式来进行,并判断建筑结构是否存在受力情况不合理的现象,适当的提升材料的强度,通过材料来避免建筑结构的强度受到影响,同时也要避免出现建设原料浪费的现象。

4 基于位移的抗震能力设计

针对地方的历史建筑物来观察位移发生的情况,以及现场需要继续深入解决的问题,将建设经验应用在后续的结构设计中,可以帮助提升设计任务的完成效率,并促进管理任务可以在现场得到更好的提升。抗震设计时要考虑工程的建设资金是否能够满足材料使用要求。对于墙体结构的设计,既要保持独立性,同时又要考虑最终结构的整体配合能力,可以按照结构的使用标准来进行各阶段的能力提升,以此来促进抗震能力提升,降低结构位移发生的几率。

完善能力谱方法,考虑高振型的影响,研究如何模拟剪力墙等抗侧力单元,以保证对体型复杂及高层、超高层的建筑结构适用。定量研究各类构件的塑性铰长度,以准确地计算曲率延性要求。对约束混凝土的力学性能进一步研究,确定各因素与约束箍筋的量化关系。构造措施在多数情况下仍然是必要的,但针对不同的结构形式与构件种类,在不同抗震设防烈度下的划分应当更加具体。

5 结语

通过以上论述可以了解到建筑结构抗震设计中的要点部分,并结合常见得技术性方法来帮助提升结构抗震能力。想要全面的完善抗震能力设计方法,需要建筑工程技术人员共同努力,为管理计划充分的落实完善创造有利条件,并帮助提升建设期间的资源使用效率。随着计算机软件技术在建筑结构领域应用的不断深入,繁琐的施工图的绘制工作迟早也将基本上由计算机软件来完成。

参考文献

[1]杨克家,梁兴文.带加强层高层建筑直接基于位移的抗震设计(II)——算例分析[J].地震工程与工程振动,2011(12).

时间和位移教学设计 第2篇

1.2时间和位移

【学习者分析】

本人所在学校属于省级示范学校，学生在初中就已经进行了很长时间的探究体验，因此他们有探究的基础，优点是思维活跃，善于观察、总结、提出并回答问题，不过还存在“眼高手低”的问题及实验器材问题。

新课程改革打破了以前的应试教育模式，教育教学过程中师生地位平等，充分贯彻以学生为本，坚持学生的主体地位，教师的主导地位。

本节课是一节科学探究课，呈现在学生面前的是现象，是问题，积极引导学生探究。

探究式教学重视的是探究的过程和方法而不是结论，探究过程是产生创造思维的温床，过于重视结果可能会导致丧失探究热情，扼杀学生探究的欲望。【教材分析】

《时间和位移》是人教版高中物理必修一第1章第2节教学内容，主要学习两个重要的知识点：1知道什么是矢量和标量，2会区别位移和路程及时间和时刻。本节内容是对本章知识的提升，又是后面知识点学习的基础。【教学目标】 1.知识与技能：

（1）知道时间和时刻的概念以及它们之间的区别和联系.（2）理解位移的概念以及它与路程的区别.（3）初步了解矢量和标量.2.过程与方法：

（1）会用坐标表示时刻与时间、位置和位移及相关方向；（2）会用矢量表示和计算质点位移； 3.情感态度与价值观：

（1）通过用物理量表示质点不同时刻的不同位置，不同时间内的不同位移（或路程）的体验，领略物理方法的奥妙，体会科学的力量。

（2）养成良好的思考表述习惯和科学的价值观。.【重点难点】

（1）时间和时刻的概念以及它们之间的区别和联系；（2）位移和路程的区别与联系.【设计思想】

由于学生刚刚进入高中，物理难度有所提高，所以在初中与高中物理的转折点上，老师一定要低重心教学，重点把握基础知识。所以采取类比方式进行相关教学。

【教学环节】 一．课题的引入

提问一个走读生，上学是在什么时候离开家的？在路上用了多长时间？怎么走的？什么时候到校的？

根据学生的回答指出，要想清楚的描述一个物体的运动，仅仅只是用上节所学的内容是不够的，还有必要学习一些新的物理量。

二、新课内容

1、时间与时刻

在开始学生所回答的问题中，学生离家和到校所对应的是时刻概念。而学生在路上所用的就是时间，即时间间隔，它是指两个时刻之差。

提问：那么对于高中物理中时间与时刻中说到的第几秒、第几秒初、第几秒末、第几秒内、前几秒、前几秒内意义分别应该怎样理解呢？

回答：⑴、第几秒，一般使用是指“时刻”，但也可以是指“时间间隔”（特指1秒种），要根据上下文具体情况来判断。如果含有“第几秒时”的意思，则指“时刻”；如果有“第几秒内”、“第几秒中”、“第几秒间”的意思，则是指具体某一秒钟的“时间间隔”。如“到达第5秒”，是指“第5秒时”、“第5秒末”这一时刻点；如“在第5秒中”，是指这一秒的时间间隔。可以用“第几秒时刻”和“第几秒时间”做区分。

 ⑵、第几秒初、第几秒末指的是“时刻”，与点有关。“第几秒初”和“第几秒末”是指具体某一秒的前后端点（时刻）。第5秒初指的是第5秒（时间间隔）这一秒钟开始的那一点，等同于第4秒末。同样，第5秒末就是第5秒（时间间隔）这一秒钟的最后一点，等同于第6秒初。

⑶、第几秒内、前几秒、前几秒内指的是“时间间隔”，与长度有关。“第5秒内”是第4秒时刻到第5秒时刻之间，时间间隔为1秒；“前3秒内”是0到第3秒（时刻），时间间隔为3秒。“前几秒”和“前几秒内”一样。

说明：“时刻”相当于坐标点，“时间间隔”相当于线段长度，“时刻”就是这线段的端点——用坐标来解释更易理解。“时间间隔”即为常说的“时间”，是指时间的长度。见下图所示：

（关于时间与时刻的本质概念问题有专门的论著，见下面所列资料）

2、路程与位移

学生活动：

1、在教室内任意选择两个位置作为起始点和终点，请一位学生沿不同的路径从起始点走到终点，然后让其他学生思考回答这位同学在刚才的活动中的位置的变化。

2、根据图1.2-2，让学生指出由北京去重庆，可以选择哪几种交通路线，这些路线有哪些不同点，有什么相同点。

3、指导学生结合插图阅读教材，思考归纳位移和路程的概念及其区别。

教师小结：

如下图片，质点从空间的一个位置运动到另一个位置，它的位置变化叫做质点在这一运动过程中的位移。位移是描述质点位置变化的物理量，其大小等于起点至终点的直线距离，其大小与路径无关，方向由起点指向终点。它可由初位置指向末位置的有向线段来表示，它是一个有大小和方向的物理量，是一个矢量。而路程则是指物体实际运动轨迹的长度，是一个只有大小没有方向的物理量，是一个标量。位移只与物体运动的始末位置有关，而与运动的轨迹无关。如果质点在运动过程中经过一段时间后回到原处，那么，路程不为零而位移则为零。可见位移与路程是两个不同的物理量，大家一定要注意它们的区别。

在国际单位制（SI）中，位移的主单位为：米。此外还有：厘米、千米等。

3、矢量和标量

学生活动：

1、引导学生阅读P13课文内容了解矢量和标量，知道它们遵从不同的运算法则。

2、探究P13思考与讨论问题，试着总结一下矢量的运算法则。教师归纳：矢量与标量的区别不仅表现在大小和方向性的问题上，而且它们所遵循的运算法则也是不同的。

4、直线运动的位置和位移

师生互动：

1、直线运动的位置表示：坐标，如物体先处于A位置，后处于B位置

⑴ 试在图中画出物体的位移；

⑵ 指出位移的大小与方向；

如物体先处于B位置，后处于A位置，结果又如何？

2、物体由A运动到B，通过计算说明：位移的大小和方向

3、方法归纳：下图中△ x ＝？(由A运动到B)

体会并记忆：“初－末” or “末－初” ？比如上图中

三．课堂小结及课外研究性课题布置

这节课我们重点学习了位置、路程与位移的概念

（1）位置：位置就是质点在某时刻时所在的空间的一点，其位置可由坐标确定，如图所示

xxBxA 为质点在不同时刻的位置A、B.（2）路程：质点位置发生变化时的径迹长度叫路程，其单位通常用米（m），另外还有千米（km）、厘米（cm）等。路程是标量。

（3）位移：位移是表示质点位置变化的物理量，用从初位置指向末位置的一根有向线段表示。位移的大小等于初、末位置间的直线距离；位移的方向由初位置指向末位置。位移是矢量，它与物体具体运动的路径无关。其单位与路程的单位相同。在直线坐标系中，常用x表示。求位移时必须回答方向。

注意：①位移与路程不是一回事。只有物体做单向直线运动时，位移大小才等于路程；除此之外，两者大小不会相等。

②位移是矢量，路程是标量，位移只与初末位置有关，与路径无关，而路程与路径有关。

四、作业

1、关于时间与时刻，下列说法正确的是（）

A.作息时间表上标出上午8:00开始上课，这里的8:00指的是时间 B.上午第一节课从8:00到8:45，这里指的是时间

C.电台报时时说：“现在是北京时间8点整”，这里实际上指的是时刻 D.在有些情况下，时间就是时刻，时刻就是时间

2、书面完成P16“问题与练习”第4题（参看教材P15图1.2-5）。

【板书设计】

§1.2时间和位移

1.时间

时间是时间间隔的简称，指一段持续的时间间隔。两个时刻的间隔表示一段时间，在时间坐标轴上对应于一段 2.时刻

时刻是指某一瞬时，在时间坐标轴上对应于一点 3位移

初位置指向末位置的有向线段表示位移，描述物体位置的改变，是矢量，与运动路径无关，只由初末位置决定 4.路程

质点运动轨迹的长度，是标量，取决于物体运动路径 5.矢量

矢量既有大小，又有方向 6.标量

只有大小，没有方向，标量相加遵从算术加法的法则 7.位置

用坐标表示位置 8.位移

用位置坐标的变化量表示物体位移 9．坐标系

(1)一维坐标；(2)二维坐标；(3)三维坐标； 10.要注意以下几点：

(1)坐标系相对参考系是静止的；

(2)坐标的三要素：原点、正方向、标度单位；(3)用坐标表示质点的位置；

(4)用坐标的变化描述质点的位置改变。

【教学反思】

本节学习的位移、路程等概念是运动学的最基本、最重要的概念。深刻理解这些概念的确切含义，弄清它们之间的区别和联系，是进一步学习运动学知识的基础。

基于位移设计 第3篇

1 双频激光回馈位移测量原理

激光器谐振腔内的光束、输出光在外腔来回一次返回谐振腔的光束,以及激光器输出光在外腔来回两次返回谐振腔的光束三种光束共同干涉决定了激光器光强。总的激光器的光强如式(1)所示:

其中,A(t)是光波电矢量的幅值;c是光在真空中的速度;ν是激光器频率;n是激光器增益介质的折射率;θ1和θ2是由外腔的非准直而引起的相位差;L是激光器的外腔长度;l是激光器的谐振腔长度;r1、r2、r3是三个反射镜的反射率。

根据双频激光回馈理论,在弱回馈的情况下,经过棱镜分光后的回馈光束可以形成两束光,此两束光的表达式为:

其中Ip和Ic分别是平行光和垂直光在光回馈时的光强,Ip0和Ic0是无光回馈时的光强;ζ是回馈波动因子;φ为光束在外腔往返一次引起的相位差;2θ为两束光往返通过而引起的相位差。两束光信号在单次回馈时可以计算为:

2 基于So PC激光测位移系统硬件设计

2.1 系统整体硬件设计

系统基于So PC开发平台进行位移测量系统的开发,系统硬件设计如图1所示。该系统包括双频激光回馈系统、移相电阻链五细分电路、电压比较器(LM393)、A/D转换电路、在FPGA上实现的So PC系统、存储器(Flash芯片和SDRAM芯片)、EPCS4和TFT-LCD。其中So PC系统是核心,由其完成整个位移测量系统的控制和数据处理,将系统处理所得数据发送到显示设备TFT-LCD[2]。

2.2 移相电阻链五细分电路

电阻链五细分电路使用SJ0205专用芯片,可以实现对源信号进行五细分。正弦信号和余弦信号经过整形后为电阻链细分做准备,把整形后的正弦信号进行一次反相,这样就形成了3路相位差依次相差90°的正弦波。再利用电阻链五细分专用芯片SJ0205进行整形,把三个正弦信号相位依次移动18°,通过过零比较器就能得到10路方波信号,这10路相位依次相差18°的信号分成两组,这两组中的每组信号的相位差是36°,经过组合逻辑把一个正弦波周期划分为5个方波周期,这样就实现了五细分[3]。

2.3 So PC系统模块

在QuartusⅡ和So PC Builder环境下完成So PC系统的定制。系统芯片采用Altera公司的cyclone IV GX型FPGA。其内部结构如图2所示。

经过五细分电路得到的两路正交方波信号进入So PC系统内,通过So PC系统首先实现四细分,并分离出代表正、负方向的计数脉冲,把此脉冲信号送入24位计数器,实现可逆计数。然后再判别两路信号的极性和绝对值大小,进行数据处理和计算[4]。

2.4 四细分及辨别电路系统顶层设计图

顶层设计图如图3所示,主要由四细分辨向模块、选择器、可逆计数器以及滤波器模块组成。经过此系统处理的数据进入数据处理与计算模块。将信号输入到可逆计数器得到的整体仿真波形如图4所示。其中a和b是两路正交信号,相位差90°。如果a信号超前b信号90°时,计数器是加计数,正向位移;反过来a信号落后b信号90°时计数器是减计数,为反向位移。

2.5 数据处理模块设计

数据经过四细分及辨别电路处理后进入数据处理模块。处理器对数据进行512点采样,然后通过傅里叶变换可以求出信号的相位差,最后得到位移值。使用Verilog HDL语言对处理器进行设计,并使用QuartusⅡ进行仿真。处理器的原理图如图5所示。

2.6 A/D设计

A/D转换器采用高速A/D转换器ADS2807,最高采样时钟50 MS/s。高速运放AD811用于提供一定的输入信号的增益,以匹配输入电压范围。A/D转换器的硬件电路如图6所示。

3 误差分析

因为信号幅值受外界条件如电源、速度、温度、环境振动等影响,所以直接运算得到的位移量不稳定。在进行数据处理和计算之前取正弦信号和余弦信号的比值,这样可以得到一个正切函数(也可能是余切函数):

从式(6)中可以看出此函数可以消去经常波动的回馈信号的幅值V,但是确定的位移值还存在。所以可以消除因为幅值波动对测试结果的影响[5]。

通过FPGA判别两路信号的绝对值的大小和极性,把一个周期自动分为8个等分度的区域。FPGA通过判别信号所在的区域,来进行相应的运算处理。总体使函数值在0~1之间变化,并且用0~π/4间的函数值表示。在存储器中固化50个反正切函数表,以便用FPGA查询,确定相应区域内的相位ωt。50个细分点分别被50个正切值所对应。所以在8个象限内的细分数就是50×8=400细分。设单位细分数为x,任意区域内的ωt对应的位置是y,ωt对应的存储单元地址决定x,把通过So PC系统算出的y合并到细分脉冲中,再通过TFT-LCD显示出被测的位移值:

其中△L0是被测目标起始时刻的小数位移值,△L是被测目标停止时对应的小数位移值。通过判别回馈信号的象限和所在区域查反函数表实现精细分,并且和四细分峰值计数相结合[6]。这样不但提高了整个系统的响应速度还同时提高了细分倍数。通过这种细分方法,大数位移当量为79.1 nm,分辨率达到了0.791 nm。

4 测试结果和结论

在有效范围内对任意预设的位移量使用本系统进行测试,测量的结果和使用激光干涉仪ZLM700的测量结果进行比较,测试结果如表1所示。本系统的测试结果与使用激光干涉仪ZLM700结果相吻合,分辨率达到了预期的0.791 nm。

本系统利用双频激光回馈原理实现了信号的正交性和余弦性,采用数字式细分技术,设计信号处理电路,使测试系统的分辨率达到了0.791 nm,实现了高精度的位移测量。充分利用So PC设计思路和FPGA内部硬件资源,在FPGA内部构架NIOSⅡ系统,降低系统的功耗,提高系统的稳定性和可靠性。本系统测量位移具有分辨率高、成本低、性能稳定的优点,完全可以满足高精度位移测量的需要,具有很好的市场前景。

本系统还可以在以下两方面进一步的改进和完善:(1)系统可以在对信号进行处理时运用定点FFT的运算,这样可使测量精度大幅提高;(2)可以研究使用FIR滤波电路的软件实现。

摘要：介绍了一种基于SoPC的双频激光回馈位移测量系统的实现方法。该系统利用双频激光回馈理论和数字细分电路,对两路正交的光回馈信号采用五细分和四细分电路相结合进行细分处理,解决了单偏振光测量位移分辨率不高的问题。实验证明了本系统的可行性,精度达到了0.791 nm,是一种应用很好的位移测量系统。

关键词：双频激光回馈,SoPC,位移测量,数字细分

参考文献

[1]张书练.激光回馈技术及发展[J].激光与电子学进展,2007,44(11):65-71.

[2]陈珍,高波,范叶敦.SoPC的复合信号幅频测试仪[J].电子技术应用,2010,36(11):20-22.

[3]赵勇,苏显渝,张启灿.绝对编码光栅的相位细分及其在位移测量中的应用[J].光学学报,2011,31(8):135-139.

[4]赵擎天,尉广军,姚义.基于SOPC的多路并行同步数字信号采集系统设计[J].军械工程学院学报,2011,23(3):60-65.

[5]陆敏恂,刘畅,周爱国,等.数字化细分方法在EPS扭矩传感器中的应用[J].计算机测量与控制,2011,19(3):697-700.

基于位移设计 第4篇

以厦门机场路一期工程JC2和JC3标段为实例,介绍采用全站仪进行基坑水平位移监测的技术方案,论述了基坑水平位移监测中需要注意的问题及采取的技术措施,分析了基坑水平位移监测结果,得到了可靠的.监测数据.

作 者：张伟 向东 于中伟 花向红 ZHANG Wei XIANG Dong YU Zhong-wei HUA Xiang-hong 作者单位：张伟,ZHANG Wei(武汉大学,灾害监测与防治研究中心,湖北,武汉,430079;武汉大学,测绘学院,湖北,武汉,430079;中交第一航务工程勘察设计院,天津,300222)

向东,于中伟,花向红,XIANG Dong,YU Zhong-wei,HUA Xiang-hong(武汉大学,灾害监测与防治研究中心,湖北,武汉,430079;武汉大学,测绘学院,湖北,武汉,430079)

基于位移设计 第5篇

采用恒流源向电感充电, 测量稳定放电的时间来测量电感值[1,2], 可以用来实现电感式传感器。该原理的特点是不用正弦激励源, 不用电容配合, 不用计算感抗。实际的恒流源向电感充电不会出现无限高压, 如同实际的恒压源向电容充电不会出现无限大电流一样, 会因实际电路的限制而饱和, 或者说受电源内阻的限制[3,4]。恒流源向电感充电到最后是稳定的磁通链, 从能量的角度保证了测量电感的准确性。但这个方法要转变成产品还需要在产品化和市场化上做许多工作, 这里介绍了电源简化、用精确一点的恒流源、动态特性展示, 希望是朝产品化方向走出了第一步。

2 电感式位移传感器测量原理

电感式位移传感器的测量原理如图1 所示, 固定的骨架上绕密绕单层线圈Lx, 磁芯端面完全进入线圈至x=0 处, 电感值最大, 逐渐向右移出, 电感值逐渐减小,可以用来间接测量位移x。只是这里的线圈Lx不是加正弦激励信号, 而是周期性加恒流源电流Is( 实际恒流源电路, 最高电压只能小于电源电压), 当电感中充满磁通链达到 ψ=Ix.Is, 时, 切换到放电状态, 当电感两端的放电电压一定时,定时计算该稳定放电时间来确定电感值,并进一步确定位移量x。

3 测量电路

测量电源用一个直流12V, 然后采用DC_DC模块分成 ±5V测量电源和给单片机供电的5V电源。

测量电路由恒流源, 充放电切换控制电路和电感端电压测量电路组成。如图2 所示, 恒流源Is由Q1 和IC1(TLC2262) 构成负反馈,R4 是电流采样电阻, 在Is有通路时调VR1 使Is=100m A。充放电切换由晶体管Q11—Q14 的桥式电路控制正反向充放电,D12 为正向放电时的二极管, 正向导通电压为0.3V,uc1--uc4 为充放电控制信号, 由单片机输出。电感的正向电压u L1经IC11 放大11 倍, 再通过IC12 比较, 运放的电源电压为 ±5V,D2 限制-5V输出, 所以进入单片机的信号u1o=5V或0V, 调整VR2 的门槛电压使D12 导通时(u L1=-0.3V),u1o=5V, 其它状态为0V。单片机定时测量u1o=5V时的时间tD对应的计数值为NtD, 可以计算出Lx的电感值, 从而计算出相应的位移量x。

4 测量的条件和数据

线圈Lx与位移x的相对关系如图1 所示, 磁芯直径8mm, 长25mm, 在线圈骨架中可以左右移动, 线圈用线径0.1mm的漆包线在中空8mm的骨架上单层绕制160 匝, 线圈长度为20mm。用电桥(HIOKI 3532-50LCR) 测量, 当磁芯进入线圈在x=0 的位置时电感最大为888u H, 当磁芯右移出线圈到x=10mm位置时, 电感最小为305u H。当Is一定时, 线径太粗, 单位长度的电感量迅速减小, 测量位移的灵敏度小, 而线径太细, 要考虑导线的载流量和铜线电阻。

磁芯的右端面与被测对象接触,不能用铁磁性材料,会影响测量的环境条件, 如果一定是铁磁材料, 需要重新标定位移量。

恒流源的运放IC1 要用满幅度的运放, 如TLC2262。

对电感Lx正反向充放电对应Q11—Q14 的逻辑如表1 所示, 充放电状态的时间要足够长, 保证充电达到稳定, 放电时间要大于最大电感量稳定放电的时间(150us), 结果考虑足够的余量, 每个状态选择1ms, 每个周期4ms可以测量一个数据, 因而采样频率为250Hz, 其中每个数据都是实时的原始数据, 即不带滤波累加等延时处理。反向放电没有取数据,这里只当消除剩磁用,如果需要,加上方向放电测量的数据,采样频率会增加一倍。ARM单片机本身也具备这样的处理能力。

ARM单片机的主要功能是定时测量正向稳定放电的时间, 即信号u1o的上升沿到下降沿的时间, 定时值为NtD, 单位为20ns, 即每us有50 个计数值。每个us的定时计数值越多, 测量电感或测量位移的灵敏度就越好。同时也要求单片机主频的频率精度和相位稳定性要好, 选择的单片机为LM3S8962。

定时值NtD的获取是启动定时器timer0A, 接收信号u1o的引脚PF2 开中断,u1o的上升沿和下降沿都产生中断, 在单片机向外发出正向放电信号时, 确定定时作业开始,PF2 的第一个中断将定时器清零( 实际是读出timer0A的值备减),PF2 的第二个中断到来时计算出定时值NtD, 并设置定时作业完成的标志。在其余状态禁止定时作业。

5 位移测量及其数据分析

用千分尺读数作为标准值xr, 从单片机的显示屏上读出对应的定时计数值NtD, 获得数据对如表2 所示,灵敏度最差的段也有△ Nt/ △ x=(2160-1867)/(11000-10000)=293/mm/mm。采用插值计算的曲线如图3 所示, 在每个标准点之间做插值计算, 取每两个标准点的中点来检查读数值, 如表3 所示, 最大绝对误差是25um, 满量程按10mm计算, 相对精度好于0.25%

6 动态数据测量

以上位移数据x是在4ms内测量出来的, 没有做前后滤波和平均值计算, 即没有任何时间延时, 是4ms内的实时数据。以下设计是通过串行接口将数据实时的发出来, 以便PC机或其它上位机接收。

通信接口采用异步串行接口UART1, 经MAX232芯片转换成RS232 信号。数据格式是两个字节的位移数据, 一个字节的结束标志0x55, 所以在4ms内要求发出3 个字节, 因而安排在1ms定时中一边做充放电转换,一边把数据发出去。1ms发一个字节,4ms中只发3 个字节。保证发出的数据的实时性。

上位机可以通过常用的串口调试软件接收数据, 或者自编简单的接收程序来接收数据。然后画成曲线, 如图4 为将磁芯迅速推入的曲线, 每秒有250 个数据,0.3s的下降时间中有约80 个数据。图5 是一个位移振荡曲线的部分曲线。

还设计了上位机下发的3 个命令, 用ASCII码字符串表示,”sta”命令告诉单片机无条件发送数据,“sto“告诉单片机停止发送数据,“stcnnn”告诉单片机将数据nnn作为当前零点校正值。这样用户可以在使用中随时重新定标位移零点。

7 结束语

采用恒流源向电感充电, 测量稳定放电的时间来测量电感值, 可以用来实现电感式传感器。将供电电源简化并降低电压, 采用线性插值测量位移可以达到相对精度好于0.25%。数据采样频率为250Hz, 保证实时性,做了RS232 接口并动态数据和曲线示例。测量原理新颖、灵敏度高, 动态响应好、可以减少电感量以致减小传感器的体积。希望通过这个展示, 让这个测量方法能够在产品中实现。

参考文献

[1]欧阳斌林,杨方,王润涛等.恒流源充电二极管放电的电感式位移传感器[J].传感技术学报,2012,25(9):1262-1267.

[2]欧阳斌林,魏巍,杨方等.向电感充放电测量电感值的电路和方法[J].测控技术,2012,31(10):5-7.

[3]徐华中,周玉栋.一种基于DDS的寄生电感测量仪设计[J].电子测量技术,2011,34(4):14-17.

[4]宁小伟,郭建强,高晓蓉.基于FPGA的智能LCR电感电容测量仪[J].信息技术,2012(9):70-73.

[5]刘军,李智.基于单片机的高精度电容电感测量仪[J].国外电子测量技术.2007,26(6):48-51.

基于位移设计 第6篇

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制器件。在非超载的情况下,电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数, 而不受负载变化的影响,它的旋转是以固定的角度一步一步运行的,可以通过控制脉冲个数来控制角位移量,从而达到准确定位的目的[1]。为实现对步进电机的控制,一般可采用单片机为控制器,通过一些大规模集成电路来控制其脉冲输出频率和脉冲输出数以实现步进电机的控制,然而整个系统的准确性、可靠性都存在缺陷[2]。本系统是为实验室某项目服务的子系统,系统的研究目的在于精确、快速、稳定地调节实验装置的相对移动,找到最佳位置、角度安放装置,故本系统拟采用浮点型DSP28335作为系统控制器,拟采用其集成的PWM输出模块,减少外围电路的使用,提高了系统的可靠性和系统的控制精度。

1 系统总体方案设计

本系统总体设计框图如图1所示。拟采用数字信号处理芯片DSP28335根据控制算法输出一个特定的PWM脉冲序列,该脉冲序列经由特定的步进电机驱动器实现对高精度的42步进电机的控制,通过控制算法自动或者手动调节电机的运行状态和运行速度并送液晶实时显示。通过对系统点位的检测来判定是否达到系统的控制目的,最终通过一定算法完成系统安装位置的选定。

2 系统硬件实现

本系统拟选用的主控制器为TMS320F28335,其具有150MHz的高速处理能力,12位16通道ADC, 具备32位浮点处理单元,有多达18路的PWM输出, 其中有6路为TI特有的更 高精度的PWM输出 (HRPWM)。本系统中正是使用了其独立的PWM模块产生脉冲信号。因课题需要精确定位故选用控制精度为1.8°的42步进电机实现装置推动,步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件,其结构图如图2所示。

从理论上讲,步进电机的驱动方式只需通过循环改变定子线圈励磁就能实现,但是由于电机对电路驱动能力要求高,故本系统采用外接驱动芯片A3977,A3977细分驱动器采用高性能的专用微步距电脑控制芯片,其含内置转换器的完整的微步电动机驱动器。只需在一个步进输入一个脉冲即可驱动电动机进行一个步进,通过两个逻辑输入确定所处的全、半、1/4或1/8步进模式。其内部同步整流控制电路用来改善脉宽调制(PWM)操作时的功率消耗, 并且该芯片可以自动地控制其PWM操作工作在快、慢及混合衰减模式。本驱动芯片设置为全步模式, 其采用共阴接法en使能,dir控制方向,step信号接收脉冲信号,信号的频率决定转速,脉冲的个数控制电机的步进距离。系统的总体硬件图如图3所示, 上位机对信号采集后通信DSP,使DSP产生相应的控制信号输给连接好42电机的步进电机驱动器A3977SED,控制电机的运行完成系统控制目的。

3 系统软件设计

本系统的软件设计拟从两方面展开:1 PWM脉冲的产生设计,2步进电机的控制方式设计。

3.1 PWM脉冲序列的产生

PWM是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术,广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。本系统采用DSP产生脉冲序列,DSP28335共12路16位的ePWM,能进行频率和占空比控制。PWM信号频率由时基周期寄存器TBPDR和时基计数器的计数模式决定。初始化程序采用的计数模式为递增计数模式。在递增计数模式下,时基计数器从零开始增加, 直到达到周期寄存器值(TBPDR),然后时基计数器复位到零,再次开始增加[3]。

PWM信号周期与频率的计算如下:

其初设置程序流程图如图4所示。

3.2 步进电机的控制

本系统设计了手动和自动两种控制方式,手动模式主要运用于对自动化和控制要求不高的场合, 通过按键实现电机的步移、加减速、正反转和启停。自动模式运用于对自动化程度、控制精度要求高的工况。针对实验室项目,本系统采用的控制方式主要为自动模式。上位机上电后即开始检测实验室装置(流量传感器)输出信号,通过与事先设定好的两个阈值A和B(B>A)进行比较,当信号强度为零时电机推动传感器高速循环扫描现场直到信号强度大于阈值A时,系统判断为粗调成功。此后系统进入微调阶段,电机进入低速运行模式,传感器低速移动直到信号强度大于或者等于B强度时系统控制电机停止运行。系统的控制流程图如图5所示。在本系统中针对不同的工况设计的两个信号阈值为程序设计中的周期寄存器提供了设置依据,因实验室系统对精度要求较高,故周期寄存器设置的初值都较大从而使Fpwm的值较小,电机的转速也相应较低。在本系统中选用EPWM2B端口输出PWM的脉冲, GPIO1控制电机转动方向,GPIO2控制电机的启停。

4 系统调试分析

4.1 PWM脉冲调制分析

图6为DSP输出的脉冲波形和其相对应的参数, 通过修改参数值可以实现对脉冲频率的改变,并且可以通过DSP的点对输出控制电机的运行。通过调试分析能够很好地实现实验目的,持续地改变电机的运行状态。

4.2控制精度调试

本系统采用电机推动丝杆移动装置。丝杆采用的是滚珠丝杠,其为一种将回转运动转化为直线运动的理想的产品。

本系统选用的电机的最小步进角为1.8°故控制精度调试实际就是丝杆精度的调试,本系统选用的丝杆的额定扭矩为4N.m,最小角位移对应线位移为10μm。

系统总体调试:

现阶段系统调试结果为通过按键和程序控制能够很容易地实现电机的运行,能够通过计算得出电机的运行角速度并送液晶屏显示当前过程量。连接好丝杆的电机能够实现对传感器的推动。通过上位机对传感器信号强度的实时监测,系统能够基本满足设计目的,即系统能自动并有效地进行最佳信号点的检测,达到对物块的精确定位。

5 小结

本系统从实际工程背景出发,旨在为实验室某项目提供技术支持。通过对系统的设计和调试能够从理论上实现项目目的,达到控制要求。通过硬件选型、软件设计、控制方案研究和实际调试分析,系统能够达到预期设计目的。然而本系统还存在一些问题有待解决,因本系统是配合项目其他模块而设计的,而其他模块尚在调试阶段,测试数据不精确,故电机系统控制方案设计模块还有待提高,将在后续项目进程中进一步研究。本系统当前研究成果能够适用于对控制精度要求不高的场合,因系统的控制方法比较简单、系统结构简洁,有一定的应用价值。

参考文献

[1]栾东海.某步进电机应用系统设计及其快速重复启停特性研究[D].南京:南京理工大学,2012.

[2]李峻,李学全,胡德金.步进电机的运动控制系统及其应用[J].微特电机,2000,28(2):37-39.

[3]王忠勇,陈恩庆.DSP原理与应用技术[M].北京:电子工业出版社,2009:59-100.

[4]Texas Instruments.TMS320F28xx and TMS320F28xxx DSP Power Reference Design.Reference Design,SLVA296A-February 2008.

[5]杨士河,刘景林,张金萍,等.基于DSP的多电机协同控制系统设计[J].测控技术.2010,29(6):45-47.

[6]周玉国,王青山.电力监控仪与PC机串行通信的实现[J].青岛理工大学学报.2009,30(2):70-74.

[7]徐洋,王宏华,周强,等.基于MSP430单片机的无刷直流电机实验测试平台设计[J].机械制造与自动化,2010,39(4):169-171

基于位移设计 第7篇

变电站中的管型母线(管母)极易受到冷热环境以及系统运行状态的影响而出现热胀冷缩现象,这种现象直接导致了管母与托架之间产生细微位移。此时,管母下方的支撑瓷瓶由于相对摩擦将承受较大的额外应力[1]。若长期运行在过载工况下,不仅会缩短瓷瓶使用寿命,更将造成母线支柱瓷瓶断裂的恶性安全事故。文献[2]针对GIS长母线位移现象进行了细致理论的力学分析及经验计算,指出了位移参量是管型母线运行过程中亟待监测的重要参量。随着自动化技术的发展,管母位移监测也从传统的人工观察记录逐步发展到如今的在线监测记录。文献[3]针对位移激光测距技术展开了讨论,虽然激光测距能够实现较高的精度,但这种直接测量方法无法满足现场户外安装、运行高压等客观要求[4]。为真正意义上实现电气信息隔离,文献[5]中提出的基于无线网络数据传输方式为变电站在线监测系统设计提供了良好的思路。本文为实现管母的长期监测并及时评估其与线夹之间的接触情况,研究出一种改进型管型母线在线监测系统解决方案。

1 管型母线位移监测系统整体方案

管母位移监测系统借助于各种客观参量来反映管母在一段时间内热伸冷缩的变化程度,通过建立合适的数学评估模型对其位移偏差进行实时监测计算,并将实时数据接入监测后台以供变电站维护人员及时掌握管母运行状态,同时也为设备状态检修提供真实、可靠的数据支撑。变电站管型母线在线监测系统可采用分级集成的方式,按照管母的分布情况将数据采集单元就地安装,每个单元通过一个集中数据处理系统实现管母参量数据集成。集中数据处理系统配置有通讯接口,借助于交换机将所有监测单元组成局域网,构成离散分布下管母参量的综合在线监测网络,实现数据交换的网络集成。通过配置一套工控机分析管理软件可以实现运行参量的越限报警、定性、定量分析以及深层次的设备状态评估,实现系统的功能集成。整个系统由现场控制采集单元、集中数据处理单元以及后台工控机3部分组成(见图1)。作为管母在线监测的难点,本文针对管母位移偏差检测问题进行讨论与研究。

1.1 现有管型母线监测技术分析

目前广泛应用的变电站管母在线监测方案主要有2种:1)基于位移传感器的在线监测方案;2)基于光纤传感技术的在线监测方案。第一种方案中,位移传感器的行程范围设计在40 mm左右(可测位移量±20 mm),能承受室外恶劣环境及强电场干扰[6]。其数据通过无线通讯方式发送至地面集中数据单元,并由集中数据单元存储于本地后,通过RS485数据远传接口实现后台集中监控和远程数据管理;第二种方案中,采用光纤传感器技术制作管母位移量采集装置,具有极强的抗电磁干扰能力,可方便进行光电/电光转换,易于实现全数字化信息融合[7]。通过配置精密温湿度传感器以及高清视频摄像头实现管母支柱瓷瓶以及连接金具运行工况监视。与第一种方案类似,所有采集信号均采用无线通讯方式完成交换传输,并通过在线监测管理系统,对管母的实时运行状态进行分析评估。

上述2种监测方案在功能实现上能够充分满足原有设计需要,但2种方案均缺乏在高压强磁耦合等复杂运行环境下的技术支撑。例如,方案1虽能满足较高的测量精度,但因装置孤立分布,需要借助在线取能装置方可完成测量功能,一方面增加了额外投入,另一方面也增大了在线取能装置安全运行风险。方案2的优点在于测量精度高、管母上设备量少,但其缺点是光纤传感器与管母金属支架设备间的电气绝缘问题无法妥善解决。更为重要的是,方案1及方案2均存在管母上电子设备无法维护更换的共性问题。

1.2激光测距在线监测方案

基于现有的刻度指针式管母位移监测技术,本文提出一种基于激光测距的在线监测方案(见图2)。该方案的创新点在于管母端头安装一块斜面不锈钢反射板,而管母下方金属支架上安装激光测距传感器,且对准反射板发射红外激光。通过激光测距技术可得到管母端头与激光头之间的距离。若端头有伸缩,通过三角函数计算便可测得端头水平位移量。采用这种方案,激光测距传感器可露天安装,可控制测量频率。每相所测位移量通过RS485发送至三相集中数据处理单元,并由该单元通过光纤传送到主控室内工控机进行后续分析处理。

2 管母位移参量监测原理及误差分析

2.1管母移参量监测原埋

管母的安装位置及安装方式直接影响着位移参量监测的可靠性。而采用激光测距在线监测方案能有效避免高压、大电流、强电场等复杂运行环境下电子设备供电、屏蔽及绝缘问题。本方案中管母位移参量监测原理示意图如图3所示,其中,S为激光探头至反射板A点之间的距离;S'为管母观测点移动到A'点时激光探头至反射板A'点之间的距离;d为管母水平位移量;φ为激光照射路线与管母平行线之间的夹角;h为发光点至激光探头照射到A点反射板上的激光点之间的垂直距离;h'为激光探头发光点至管母下边沿之间的垂直距离:h"为激光探头照射到A点反射板上的激光点到至管母下边沿之间的垂直距离。

激光探头实时测量出激光探头发光点至反射板之间的距离是S',因此只需确定每个观察点初始距离S、夹角φ就能得到管母观察点实时位移量d(相对于设置初始距离S值所在位置),其对应关系如式(1)～式(3)所示。

2.2 管母位移参量误差分析

与传统位移监测原理不同,激光测距位移监测误差不仅受激光测距传感器精度的制约,也受到式(1)一式(3)中三角变换参量的影响。例如,工作环境中因天气变化、人为操作产生的振动都将细微改变激光探头与反射板之间的相对位置,产生无法避免的误差。。因此,有必要针对本监测方案进行细致、完善的误差分析。

根据管母位移公式,影响位移偏差d的参量包括S'、S以及夹角φ其中,S,S'为激光测距参量,存在本征精度偏差可能,而夹角φ则存在一定的随机性。若仅考虑S'与S的本征误差(即测量前后夹角φ不发生改变),最终位移参量应满足,

将式(4)与式(3)相减后可知位移误差derr与测距误差(S'err-Serr)满足比例关系,即:

由于测量夹角φ的范围始终处于[0°,90°]区间内,因此位移误差derr应总小于测距误差S'err-Serr,其对应位移误差如图4所示。因此,当不考虑夹角φ偏差的情况下,管母位移参量误差直接取决于激光测距装置的精度。

若考虑夹角φ因环境改变造成的偏差,则其位移偏差应满足,

将式(6)与式(3)相减后可得:

根据微分原理,若角度偏差较小(φerr趋近于0),其位移误差大小|derr|应满足正弦变化规律,位移误差如图5—图7所示。因此在考虑夹角φ偏差的情况下,管母位移参量误差直接取决于夹角大小,即夹角越小,误差越小,夹角越大,误差也相应增加。

3监测系统硬件及软件构成

3.1 硬件构成

本系统装置主控制处理系统控制器采用TI公司数字信号控制器TMS320F2812,它具有120 MHz高速处理能力,具备32位处理单元,单指令周期32位累加运算,可满足应用对于更快代码开发与集成高级控制器处理器性能的要求。以6个管母位移监测点为例,系统总体框图如图8所示。

(1)激光测距模块:对管母位移量进行实时记录,并把数据传送至控制单元。

(2)温湿度测量模块:实时监测环境的温湿度,把温湿度信号通过光纤通信传输至控制、处理单元。

(3)主控制、处理单元模块:除实时控制3个激光测距模块外,通过RS485总线连接各个辅助控制、处理单元模块,使管母位移监测点扩充至100个,并把各个管母位移量、温湿度通过光纤传送到主控室内工控机并进行分析。

(4)辅助控制处理单元模块:及时控制A、B、C三相管母位移监测点激光测距模块,处理相关数据,把位移量的变化情况实时传送至主控制处理单元模块。

3.2 软件开发

“变电站管母在线监测系统”软件系统除需完整记录各管母位移监测点实时位移量外,还需具有数据库管理功能,方便数据查询、生成报表等。其系统结构如图9所示。

检测软件系统运行环境需同时具备Exce12003(或以上版本)和Access数据库(或Dao Jet数据库引擎),其具体运行程序如下:

(1)数据库检查:软件运行前首先检查数据库是否存在,若存在则正常启动,不存在则出现提示信息;进入软件后在设置通信口中输入任意数作为初始密码。

(2)参数设置:初始参数的设置包括测试点仰角、初始距离和界面刷新时间。

(3)数据接收:接收数据时会根据参数里面的刷新时间进行取平均值、写数据库等操作。

(4)数据查询:查询到相应数据后会计算其位移量,并按时间绘制出来。当查询完历史数据后,可将数据导出到Excel表格中,方便用户查看和统计分析。

4 试运行工况分析

该管型母线位移监测系统现已在某220 kV变电站试运行,试运行期间工况良好,能够及时发现管母位移偏差,并发出告警信号,保证了管母的安全稳定运行。图1 0为2013年1 1月25日2号测试点1天内管母位移偏差曲线图,图11为当日某时段内系统监测情况导出表格。

由图10、图11可以看出:

(1)该系统每隔5 min采集1次数据并上报至实时数据记录系统,当检测到管母位移偏差超过设定值时,由警示报警系统发出告警信号,并准确提供位置,从而保证了系统运行的可靠性。

(2)在管母上安装温湿度传感器后,能够实时监测环境的温湿度,将温湿度信号通过光纤通信传输至控制处理单元。

(3)该管母在线监测系统的测量精度为0.1 mm,能够准确可靠地测量管母的位移偏差。

(4)在线监测管理系统能够对高压管母的实时监测数据进行分析,并对实时运行工况进行评估、判断。

5 结论

本文将传统测距方案与现代信息技术相融合,提出一种基于激光测距的管型母线位移在线监测方案。通过位移参量误差分析详细阐述了影响该管母位移监测的相关因素,在此基础上开发出相应的硬件及软件系统,该系统具有测量精度高、易于安装维护、安装设备少等优点,同时能将采集到的高压管母上的各类实时运行数据接入监测系统并进行分析,以使变电站运行维护人员及时掌握变电站管母的运行状况,为设备状态检修提供数据支撑,保障了变电站的安全可靠运行。

参考文献

[1]刘泽洪,丁永福,王祖力,等.800 kV换流站管母滑动偏移量分析及管母支撑金具选型研究[J].电网技术,2013,37(12):1-7.

[2]俎洋辉,郑强,邹启群.SF_6全封闭组合电器长母线位移及改进措施[J].河南电力,2012,(4):54-60.

[3]李萌锋,黄初指,苏东青.基于激光测距技术的10 kV开关柜手车安全位移监测cJ].自动化应用,2013,(3):83-84.

[4]张子扬,周洪,吴昌博.牵引供电接触网激光测距系统的开发[J].微计算机信息,2009,25(22):59-60.

[5]张巧芬,刘彦呈,张勤进.基于无线传感器网络的变电站设备温度监测系统设计[J].低压电器,2011,(19):39-43.

[6]昌学年,姚毅,闫玲.位移传感器的发展及研究[J].计量与测试技术,2009,36(9):42-44.

[7]王秀彦,吴斌,何存富,等.光纤传感技术在检测中的应用与展望[J].北京工业大学学报,2004,30(4):406-411.

[8]杨强,吴怀宇.基于二维激光测距仪的三维模型配准研究[J].电子设计工程,2013,(17):23-26.

基于PSD的微位移测量系统研究 第8篇

激光跟踪仪,如图1所示,其具有合作目标———跟踪球,跟踪头发出的测量光束入射到跟踪球,经反射折返回跟踪头。当目标移动时,跟踪头需自动调整测量光束方向,确保始终对准跟踪球。

能否实时快速准确地跟踪跟踪球,决定了跟踪仪的跟踪速度和精度。位置敏感探测器(Position Sensitive Detector,PSD)具有位置分辨率高、响应速度快等特点,主要应用于高精度、高灵敏度的位移、角度、同轴度的非接触测量与校准领域,并逐步取代四象限探测器而成为跟踪系统中主要的位置反馈器件[1]。

目前,瑞典、美国、日本等国在PSD探测器的研究处于领先水平,且有较成熟的产品,但价格昂贵。国内近年来也对基于PSD的微位移测量系统进行了大量研究,但距大规模商品化应用仍有一定距离[2]。本文设计的基于PSD的微位移测量系统,消除了背景光光电流对测量结果的影响;采用双线性插值算法修正PSD测量的非线性误差,提高了测量精度。实验结果表明,该测量系统具有响应速度快、测量精度高等优点。

1 PSD的横向光电效应

PSD是一种基于横向光电效应的非分割型光电二极管,根据光敏面上接收到光信号转变为电信号的变化来检测光点位置。与象限探测器及CCD不同,其由一个完整的光敏面构成。PSD可分为一维PSD和二维PSD。一维PSD测量光点一维坐标,二维PSD测量光点二维坐标。二维PSD根据电极结构不同可分为四边型、两面分流型和枕型。

二维PSD是在一维PSD的基础上改进的,其基本原理相同。由P、I、N 3层组成,P层是感光面,两对对边中心各引出一个信号输出电极;中间插入较厚的I层,提高光电转换效率,增强灵敏度和响应速度;N层引出一个公共电极,加调节反偏电压。两个电极间接一负载电阻,当光照射在PSD光敏面某一点时,在横向电场作用下产生正比于光能量的电子———空穴对流过P层电阻,分别从设置在P层的4个电极上输出光电流I1、I2、I3和I4[3]。假设P层电阻是均匀的,则电极输出的光电流反比于入射光光点位置到各电极之间的距离。坐标原点选在PSD几何中心,根据输出光电流计算光点坐标的方程为

式中,L是PSD几何中心到信号输出极间的距离[4]。

2 测量系统的设计

2.1 测量系统总体设计

激光器发出的测量光束经一系列光路后照射到PSD探测器表面上,PSD由于横向光电效应产生光电流信号,经I/V转换电路,并滤波以降低噪声干扰,经二级放大输出至A/D芯片转换为数字信号。单片机对A/D实现通道控制与信号采集,并对采集到的数据信号进行处理,得到PSD上光点的位置坐标,并在上位机上实时显示。系统结构框图如图3所示。

PSD探测器表面受到激光照射,输出微弱的电流信号,需对其进行处理才能获得光点中心坐标。整个测量系统分为信号处理和数据采集两部分。

2.2 信号处理单元

本系统的信号处理单元包括I/V转换、滤波、二级放大电路3部分。由于PSD输出的信号较弱,且是电流信号,通常只有几μA到几十μA,难以直接进行处理,故需先进行I/V转换。

为保证精度,必须选用输入阻抗大、偏置电流和噪声较小的运放,这样才能有效地提取信号,抑制噪声。因此,前级I/V转换放大电路采用LM324。LM324是一款低噪声带差动输入功能的四运算放大器,其偏置电流最大为100 n A,足以检测μA级PSD芯片的输出电流。在跨阻放大电路的反馈电阻处并联一个电容,满足1/(ωC)>R时,可限制带宽降低高频噪声,同时RC形成一个超前环节,对相位进行补偿,提高了电路的稳定性。

经I/V转换后送入二阶低通滤波电路,设定截止频率,降低干扰及部分噪声。因信号放大倍数较大,故采用二级放大电路,以提高增益的稳定性,最终获得满足A/D输入幅度的信号。

2.3 数据采集单元

信号处理电路输出的是模拟信号,先进行A/D转换,然后进行数据处理。ADS7864是TI公司生产的12位、500 k Hz高性能模数转换器,具有3对6条全差分输入通道,可同时对其中的1~3对输入通道进行高速同步信号采集。片上自带2.5 V基准电压源,可用作A/D的参考电压。在频率为500 k Hz时仍可提供80 d B的良好共模抑制比,这在高噪声环境中非常重要。ADS7864的6通道同时采集,适合PSD探测器的4路光电信号,余下的2个通道作冗余备份。

为获得入射到PSD表面上光点的位置坐标,需将PSD的4路输出信号按式(1)、式(2)进行加法、减法、乘法和除法多种运算。若采用传统的处理方式,即用运算放大器搭建加、减法电路,用模拟乘法器构成除法器,将必然带来噪声干扰信号,模拟器件固有的温漂特性也会引入测量误差。为解决这一问题,系统采用软件编程、数字处理的方法实现逻辑运算,当A/D的分辨率足够高时,从根本上消除干扰信号影响,达到要求的运算精度,且这样也有利于后续接口的控制与处理,以便得到光点的位移量。

2.4 软件设计

软件设计采用自顶向下、逐步细化的模块化设计,其结构清晰、层次分明。程序设计流程如图5所示。首先,无激光照射时对处理器进行初始化,根据A/D采样时序,启动A/D转换,采集暗电流和背景光的4路输出值并保存。激光照射PSD后,采集到PSD的4路输出值减去保存的暗电流和背景光的输出值,计算出光点位置X、Y。为方便操作与直观的显示坐标,并实时记录数据,通过RS232串口与上位机实时通信、显示。

3 误差处理

在测量中除了入射光点外,还有其他背景光作用在PSD表面上干扰系统的正常测量。背景光照射在PSD上一般呈均匀的光强分布,等效于一个光点作用在PSD几何中心。此时PSD的输出信号等同于入射光(x0,y0)和背景光(xb,yb)叠加共同作用的结果,入射光单独作用时PSD第1、2路输出的总电流为I0,背景光单独作用时PSD第1、2路输出的总电流为Ib,令K=I0/Ib。

由式(1)解算出的x坐标位于两光点的连线上,比真实坐标靠近PSD器件中心[5]

同理

为减小背景光对PSD精度的影响,提高测量精度,有以下几种方法:加滤波片、交流调制、提高入射光强与背景光强之比等。交流调制是在入射到PSD前进行调制,接着对PSD输出的信号解调,增加相应的处理电路即可实现对背景光的滤除。背景光大多数为照明光或自然环境光,特点确定,故其导致的干扰输出也是确定的,对位移测量的线性度并无影响。可在测量前,采集背景光单独作用于PSD表面时的信号,再进行误差补偿,这样便可有效的解决背景光对测量精度的影响[6]。本方法简单易行,成本低廉,且实际检验效果良好。

PSD的非线性是系统误差,若采用查表法进行非线性修正,原理简单,但需采集大量的实验数据,实验工作量大,且需占用单片机大量的存储空间。双线性插值算法简单,PSD探测面边缘信息不足影响精度。采用神经网络进行修正,算法设计时需根据实际应用确定合适的隐含层层数及结点数,选用合适的学习算法,但对单片机的处理性能有较高的要求。因此本系统在满足精度要求的情况下,采用双线性插值法和混合查表法进行非线性修正。

4 实验数据及分析

实验选用650 nm波长激光器,德国PI公司的M-112.1DG高精度电机驱动位移平台,实验环境为室内夜晚。将激光器固定在位移台上,调整PSD探测器的方位,使激光经光学系统后垂直入射在探测器表面。以0.1 mm步进控制位移平台使激光在探测器表面移动,同时上位机接收处理器输出的位移信息[7]。

为了使实验具有可重复性,在实验时进行了10组测量,绘制误差分布情况如图6所示。由图可看出,在距PSD几何中心1000μm的量程内,测量值围绕真实值上下波动,并呈均匀分布,测量误差在±7μm以内,且探测器边缘无明显失真。

5 结束语

本文通过对PSD参数的分析,设计了基于PSD的微位移测量系统,针对结构设计中常见的问题提出了一些解决方法。通过合理设计前置信号处理模块和数据采集模块有效滤除了干扰信号。同时信号处理电路中采用精密变阻器,结合相应软件处理流程,可实现对不同范围内PSD信号的有效采集。该系统对于静态或动态条件下微小的位移、角度、厚度、振动等的测量,具有推广意义。此外,若要进一步提高系统精度,可考虑采用分辨率更高的16位或24位A/D转换器。

摘要：介绍了PSD的结构、特性和工作原理,设计了一种基于PSD探测器的微位移测量系统。针对PSD信号输出特点和实际应用要求,提出了基于PSD的微位移信号采集、处理和上位机通信系统。单片机通过ADS7864采集PSD的输出信号,处理后由RS232接口传给上位机,位移值在上位机界面显示,实现了对光斑微位移量的实时测量。实验结果表明,该系统响应速度快、测量精度高,可广泛应用于微位移测量领域。

基于数字图像处理的尾矿坝位移监测 第9篇

目前尾矿坝位移监测传统的监测方法有:视准线法,正、倒垂线法,前方交会法,测斜管法和几何水准法等。但这些方法都只能监测水平位移或者垂直位移中的一种,而且精度也不是很高,不能实现自动化监测,所以这些方法都有很大的局限性[1]。

现代化的监测手段有全站仪和GPS等,精度比较高,其中GPS测量可达到亚毫米的相对定位精度,安装方便,可实现全天候的实时监测,但是成本较高,价格昂贵,在大型的尾矿坝体的应用比较广泛。

本文研究的是一种新兴的坝体位移监测方法。该方法结构简单,测量范围大、精度较高、成本不高和可实现自动化等优点,很好地弥补了以上方法的缺点。

1 系统架构

系统框图如图1所示,主要由激光器、准直系统、光探测器和信息处理系统等构成。其中激光器和激光接收器固定在两边山体上,准直系统则安装在坝体上,激光器选用稳定性较好的氦氖激光器,从光源发射的激光通过准直滤光系统,再经高反射率衰减片之后成像到光检测器上,在接收器上形成一个光斑。光源、准直系统、菲涅尔波带片、光探测器在理想状况下是在一条直线上。当坝体发生位移时,将带动波带片同时移动,那么其所成的像在检测器上也发生相应的移动,通过测量探测器上的光斑的位移量,就可以进一步得到准直系统的位移。

其中处理器采用三星公司的ARM11芯片s3c6410,CCD摄像头将拍摄的图片传输给s3c6410,s3c6410读出图像数据,进行数字图像处理,求出位移变化量,处理完成后交付给无线通信Zigbee模块。Zigbee模块发送给监控中心,在监控中心通过VC语言编写的实时监控软件显示出来,同时发布到Web站点上,使监控人员能够随时随地进行监测,发现异常,并能及时报警。

2 准直扩束系统

激光腔产生的激光束,既不是平面波,也不是均匀的球面波,而是高斯球面波[2]。高斯光束的特征是准直性好、光束集中,且发散角较小,在较短距离的测量中,光束的发散并不明显,可以省去聚焦准直透镜,从而降低成本。但在较大长度中,激光器光束的束腰存在一定的直径,光束的发散就比较严重。所以仍需准直扩束系统进行整形。

准直扩束系统多采用二次透镜的形式,第一次变换透镜是采用短焦距的聚焦透镜来压缩高斯光束的束腰半径,使其越小越好。第二次的透镜焦距较大,其目的是减小高斯光束的发散角。准直扩束光学系统的设计应该满足焦距大于后工作距离,即镜头的主面距离光学系统的焦面较远。所以设计的系统应由双凸面透镜和负凹凸透镜构成。双凸面透镜位于像方侧,负凹凸透镜位于物方侧,并使凹面向着像方侧,结构如图2所示。

准直透镜系统的参数还需满足下面条件

式中:f1'为双凸透镜焦距,f'是组合系统的焦距,d2是双凸面透镜与负凹凸透镜邻接面之间的距离,r3为负凹凸透镜像方侧透镜面的曲率半径。式(1)是决定准直透镜的NA条件。式(2)与球面像差补偿有关。

因为氦氖激光器发射的激光束功率很大,如果CCD上的光照度过大,就会使得CCD的输出饱和而无法工作。因此需要对激光进行大幅度的衰减,所以还需要加上衰减片,使其透过率降低。

3 菲涅尔波带片

菲涅尔波带片是基于菲涅尔波带理论的一种光学元件。菲涅尔波带片和一般的玻璃透镜比较,具有无像差、加工制作简单、成本低、面积可以做的很大、抗机械震动能力强等优点,所以常和激光配合使用,用于大型工程中。

菲涅尔波片带是一种特制的衍射屏,波带片的成像公式为[3]

式中:S为物距;S'为像距;f为焦距。与透镜成像公式相似。菲涅尔波带片的环数越多,相应地亮度就会越高,但制作起来会困难一些,还会带来一定的误差,所以实际中一般取5~8环。

4 监测原理

图3为监测原理图,P为激光源,菲涅尔波带片L的光心为O,A和A'为CCD光斑接收屏,P经过L成像与A点。Z和Z'分别为光源到透镜和透镜到光探测器的距离。

通常情况下,当该处大坝发生位移Δy时,带动L一起移动,L的光心从点O移动到O',同时,CCD上的像A相应地移动到像A'。由于CCD定标于A点,所以像点的位移量就反映出坝体的位移Δy。根据三角关系有

因为透镜组的位置是固定的,所以Z和Z'已知,只要能精确探测到像点的位移量,就可以进而计算出坝体的位移量。通过各个测点得到坝体变形量。

系统的光接收器每隔一段时间对光斑进行采样,计算出重心位置,并将数据发送到监控中心。

5 接收装置与图像处理过程

接收装置主要是CCD摄像机,其中CCD的分辨率D可表示为[4]

式中:S为成像范围;P表示相应的像素数;K=Z/Z',是监测点与光源的距离Z和发射器与接收器的距离Z'的比值。可选取合适分辨率的CCD摄像机。

CCD成像的理想激光光斑应该是个圆滑的圆点。但在实际中,存在衍射现象,并且光学系统也存在一定的像差影响,使光斑发生变形,则光斑的中心必定会与实际位置产生偏差。再加上其他各种各样的干扰因素,也将引起中心位置的偏移。因此,首先要进行数字平滑滤波,剔除干扰和随机误差,在实际中使用中值滤波,第二步是取阈值,第三步是求取光斑中心。

常见的中心定位方法有重心提取法、Hough变换法和圆拟合法等,本文采取精度相对较高并且速度较快的重心提取法来实现光斑中心的提取[5]。它的基本原理如下

式中:图像像元的灰度值为P,重心坐标为(x,y),总像元数为n。实际中往往对CCD图像进行多次采样取平均值,以提高精度。

图像处理程序流程如图4所示。

6 实验分析

在实验室中搭建尾矿坝模型,其中位移监测的实验装置总长度为100 m,光源选择一般的半导体激光器,波长为605 nm,金属波带片的焦距为140 mm,CCD选择512×512像素的即可满足精度要求,图像处理程序选择MATLAB来处理。

实验过程中,先移动波带片,记录下一组位移量,然后对应地将系统采集到得图像进行处理,用MATLAB求取位移量,将测量值和实际值进行比对,即可求取误差值。图5是用MATLAB生成的波带片位移量和相应的光斑位移量的实验数据和理论曲线的对照图像,从图5可以看出图像相当吻合,基本成线性关系,满足位移监测的精度要求。

7 结论

本方法的精度较高,满足一般的大坝位移监测要求,易于实现自动化检测,而且可同时观察水平和垂直位移。在实际应用时,建议在大气激光线路上加上大气管道装置,安装真空泵,将管道抽成真空以便减少折射影响,可以进一步提高精度。总体来说,该方法是监测尾矿坝体位移的一种较理想的方法。

摘要：介绍一种用激光准直法对尾矿坝位移进行监测的方法,采用基于三点法准直原理的激光准直和光探测器技术的尾矿坝位移监测系统。利用激光的方向性强,亮度高和单色性等优点,在固定工作基点上的光电探测器上获取光斑,通过求取像点中心位置,进而得到大坝的变形。该方法具有精度高,可同时对尾矿坝的水平位移和垂直位移进行检测的优点。

关键词：大坝变形,激光准直,激光光斑中心

参考文献

[1]赵志仁.大坝安全监测设计[M].郑州:黄河水利出版社,2003.

[2]周炳琨.激光原理[M].4版.北京:国防工业出版社,2000.

[3]韩军.工程光学[M].北京:国防工业出版社,2000.

[4]王晓旭.全自动真空激光大坝变形测量系统的研制[D].大连:大连理工大学,2005.