傳感器原理及應(yīng)用技術(shù)課程設(shè)計玻璃管內(nèi)外直徑檢測傳感器系統(tǒng)設(shè)計

1、玻璃管內(nèi)外直徑檢測傳感器系統(tǒng)設(shè)計指導老師： 學 生： 學 號: 20020310110211班 級: 測控技術(shù)與儀器2班組 員: 陳偉 鄭云 馮憲瑞200632 華東交通大學傳感器原理及應(yīng)用技術(shù)課程設(shè)計任務(wù)書一、要求能夠獨立進行系統(tǒng)方案設(shè)計及論證，設(shè)計合理的接口電路，檢測電路，光學系統(tǒng)，以及合理選擇光學元器件、電子元件等，設(shè)計接口程序與控制檢測算法原程序，并進行有關(guān)精度分析與討論。二、總?cè)蝿?wù)針對總要求，進行原理及方案論證、系統(tǒng)設(shè)計、接口電路設(shè)計或必要的接口電路搭接調(diào)試、借口程序設(shè)計、精度分析等工作。三、設(shè)計題目玻璃管內(nèi)外直徑檢測傳感器系統(tǒng)設(shè)計四、設(shè)計內(nèi)容1) 玻璃管內(nèi)外直徑分別為15、20左右

2、，要求檢測精度達到0.003mm.2） 用CCD設(shè)計檢測模塊，包括選型和接口電路設(shè)計3） 討論分析所設(shè)計系統(tǒng)的精度等五、設(shè)計進度1.布置任務(wù)及調(diào)研 1天2.總體方案設(shè)計 2.天3.理論建模與分析計算 2天4.機械裝置（或者光學系統(tǒng)）設(shè)計 2天5.信號調(diào)理電路設(shè)計與繪制 2天6.整理設(shè)計說明書、圖紙及相關(guān)技術(shù)資料 1天六、設(shè)計說明書包括的主要內(nèi)容1目錄2設(shè)計題目3設(shè)計任務(wù)4工作原理5總體方案設(shè)計及論證6軟硬件電路設(shè)計7體統(tǒng)調(diào)試及精度分析目 錄一 總體方案設(shè)計1） 系統(tǒng)方塊圖 、42）總電路圖 、5二 光路系統(tǒng)設(shè)計 1） 光路系統(tǒng)方框圖 、5 2）激光光束直徑的計算 、6三 電路部分設(shè)計1） 巴特

3、沃斯低通濾波器設(shè)計 、1 2） 微分電路設(shè)計、3） 絕對值電路設(shè)計、4） 二值化電路設(shè)計、5） 接口電路設(shè)計、11四 計算玻璃管壁厚和外直徑的原理和方法 、12五 誤差分析 、13六 電路調(diào)試 、14七 程序設(shè)計 、15八 心 得 、16九 參考文獻 、17 一、 總體方案設(shè)計驅(qū)動電路CCDD電路預置放大電路1）系統(tǒng)方框圖光學系統(tǒng)低通濾波器絕對值電路微分電路二值化電路過零比較器微分電路二值 單片機處理電路測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和組成：測量系統(tǒng)由光源及光學系統(tǒng)、CCD測量系統(tǒng)、微機及接口電路三個部分組成。光源采用氦-氖激光器，光學系統(tǒng)通過將激光束聚焦、針孔濾波與準直，使激光束直徑符合系統(tǒng)要求。 CCD測

4、量系統(tǒng)由光電傳感器CCD及驅(qū)動電路、視頻信號預處理電路、二值化電路、信號處理電路等組成。CCD驅(qū)動電路提供CCD光電傳感器正常工作所需的各種信號。CCD光電傳感器輸出的視頻信號經(jīng)預放大電路和二值化電路，得到與外壁厚有關(guān)的電脈沖信號，在經(jīng)過信號處理電路，產(chǎn)生與空間區(qū)域的光學信號c和e相應(yīng)的電信號。2）總電路圖光學系統(tǒng)二、光路系統(tǒng)設(shè)計1） 光學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖激光器電源圖一 光學系統(tǒng)示意圖2）激光最大光束直徑的確定 利用激光束反射光束和折射光束的位置來測量玻璃管的外徑值和壁厚值，因此，必須將反射光束和折射光束區(qū)分開來。如圖二所示：圖二 激光束直徑與玻璃管壁厚關(guān)系示意圖由2d tga1 b/*tg 即b2

5、d*tg * cos，因為d=5mm. =30度，折射率n=1.5。所以sin/sina2 =1/1.5 sin=1/3,cos=2.8/3，b2.9mm。據(jù)此，我們選擇激光束直徑為2.5mm的激光發(fā)生器；考慮到光電效應(yīng)中產(chǎn)生的光電流 與激光頻率成正比，因此選用紫色激光。同時，選擇小凸透鏡的直徑為10mm,又由測量范圍小于20mm,所以選擇大凸透鏡的直徑為25mm(大一點有利于減小光傳播的邊緣效應(yīng))。二、電路部分設(shè)計1）TCD1208AP的結(jié)構(gòu)及電路CCD測量系統(tǒng)由光電傳感器CCD及驅(qū)動電路、視頻信號預處理電路、二值化電路、信號處理電路等組成。CCD驅(qū)動電路提供CCD光電傳感器正常工作所需的各

6、種信號。CCD光電傳感器輸出的視頻信號經(jīng)預放大電路和二值化電路，得到與外壁厚有關(guān)的電脈沖信號，在經(jīng)過信號處理電路，產(chǎn)生與空間區(qū)域的光學信號c和e相應(yīng)的電信號。1D1208AP電路原理圖圖三 CCD內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖3TCD1208AP的工作參數(shù)TCD1208AP是一種高靈敏度、低暗電流、2160像元的線陣CCD圖像傳感器。該傳感器可用于真、圖像掃描和OCR。該器件的內(nèi)部信號預處理電路包含采樣保持和輸出預放大電路。它包含一列2160像元的光敏二極管，當掃描一張B4的圖紙時，可達到8線/毫米（200DPI）的精度。特性：像敏單元數(shù)目：2160像元像敏單元大?。?4m*14m*14m光敏區(qū)域：二相（5V）封

7、裝形式：22腳DIP封裝4.表一 TCD1208AP的主要參數(shù)特性符號最小值典型值最大值單位（注釋）靈敏度R82110138V/lx.s(見注釋2)光響應(yīng)非均勻性PRNU(1)-10%(見注釋3)PRNU(3)-716% 寄存器不平衡性RI-3%(見注釋4)飽和輸出電壓VSAT0.60.5-V(見注釋5)飽和曝光量SE-0.01-V/lx.s(見注釋6)暗信號電壓VDDDRK-26mV(見注釋7)暗信號非均勻性DSNU-37mV(見注釋7)直流電源功耗PD-50100mW 總轉(zhuǎn)移效率TTE92-% 輸出阻抗To-1K 動態(tài)范圍DR-750-(見注釋8)直流信號輸出電壓VOS33.54.5V(見

8、注釋9)直流補償輸出電壓VDOS33.54.5V(見注釋9)直流差動誤差電壓VOS-VDOS-50100mV隨機噪聲NDO-1.7-mV注釋：所有電壓都是Vss和Vcs終端為參考。6表三 管腳定義： 1時鐘1OS信號輸出2時鐘2DOS補償輸出SH轉(zhuǎn)移柵OD電源RS復位柵SS地NC未連接注釋2：在2854kw-Lamp燈光下的靈敏度是330/lx.set（典型值）。注釋3：此為50%飽和曝光量（典型值）下測定。 PRNU 定義為：PRNU=I/I*100(%)其中l(wèi)為均勻照度下全部輸出信號的平均值，為輸出信號與 的最大偏差值。注釋4： 此為50%飽和曝光量（典型值）下測定。RI定義如下：RI=

9、其中In 與In+1為像敏單元的輸出信號,I為所有輸出信號的平均值。注釋5：VSAT為所有有效單元的最小飽和輸出電壓。注釋6：SE定義如下：SE=VSAT/R注釋7：VDRK為所有有效單元的暗信號電壓平均值。 DSNU是在VNDK為最大暗信號電壓平均值。 圖四 暗信號電壓平均值注釋8：DR的定義為： DR=VSAT/VDRK因VDRK與tINT成比例,所以tINT越短DR值越大。圖五 時序圖表六 各個信號描述特性描述符號最小值典型值最大值單位SH與1的時間間隔T1,t50100-nsSH脈沖上升時間，下降時間T2,t4050-SH脈沖寬度T35001000-1，2脈沖上升時間，下降時間T6,t

10、7060100SH脈沖寬度T8,t10020-RS脈沖寬度T940250-1，2與RS脈沖間隔T11230-視頻數(shù)據(jù)延遲時間（見注釋）T12,t13-150-注意事項：（玻璃窗口）期間玻璃封裝窗口上的灰塵或污點將使CCD期間的光學件性能下降。所以使用浸透酒精的棉球輕拭清潔表面，并使用過濾后的氯氣噴其表面。同時注意器件的機械震動或過熱特會導致玻璃窗口的損壞。7驅(qū)動電路圖六 驅(qū)動電路2）巴特沃斯低通濾波器設(shè)計圖七 巴特沃斯低通濾波器經(jīng)估計可得出CCD輸出信號頻率小于2kHz,因此設(shè)計濾波器的截止頻率fc為2kHz.參考文獻3表6-3-1查得，濾波電容C1=0.01F.由K= ，可的增益系數(shù)K=1，

11、 查參考文獻3表6-3-2得C2=C1,R1=R2=15.011K,R3=20.890 K.考慮到電阻阻值的變化范圍，可選R1=R2=15K，R3=20K。放大器選用通用型H177415C（開環(huán)增益80-86）即可。3) 微分電路設(shè)計圖八微分電路分析：該微分電路輸入輸出對應(yīng)的表達式為, u0=-R1C1為了消除干擾（使微分曲線更明顯），應(yīng)選擇R1C1值大些。在本次設(shè)計中我們選擇R1=10K，C1=0.02F，R2為平衡電阻在該微分電路中等于R1為10K，集成運算放大器選擇了通用型H177415C4）絕對值電路圖九絕對值電路分析：假設(shè)輸入電壓ui為正，則運放A1輸出為負，二極管D1截止、，同時M

12、，N兩點的電勢都為零，輸入ui相當與通過R2直接接到A2反相端，根據(jù)電流關(guān)系可算出ui/R2=uo/R5;當輸入電壓ui為負，則運放A1輸出為正，二極管D1導通，D2截止，此時根據(jù)M，N兩節(jié)點的電流和電壓表達式可算出1=R3,R4=R2/2。于是我們選擇1=R3=2K,R2=R5=10K,R4=R2/2=5K,運放都取H177415C,兩整流管選了IN40.二值化電路圖十 二值化電路視頻信號的二值化有兩中處理方法。第一種是對CCD視頻信號進行二值化處理后，在進行數(shù)據(jù)采集。第二種對CCD視頻信號直接采樣后，在有計算機對所得到的數(shù)據(jù)作二值化處理。但是前者是利用硬件實現(xiàn)信號的二值化，速度快，但電路復

13、雜。后者利用計算機進行處理，硬件電路復雜，但處理速度慢。所以我們采用前者的電路進行二值化處理的方法。5）8031接口電路設(shè)計圖十一 8031接口電路電路圖利用微機內(nèi)部的定時/記數(shù)器或者外置的可編程定時/計數(shù)器，就可以做成了CCD二值化數(shù)據(jù)采集接口電路。二值化信號的前沿與過零檢測電路輸出信號相與得到第一個脈沖，作為中斷申請信號，第一個脈沖通過INT0向單片機申請中斷，單片機的INT0中斷響應(yīng)子程序打開定時器開始記數(shù)，定時的最小時間單位為單片機的機器周期。二值化信號反電壓的后沿與過零檢測電路輸出信號相與得到第二個脈沖。作為中斷申請信號脈沖，第二個脈沖通過INT1向單片機再次申請中斷，單片機的INT

14、1中斷響應(yīng)子程序關(guān)閉定時器，定時器的時間長度對應(yīng)的就是二值化信號的寬度。四、計算玻璃管壁厚和外直徑的原理和方法我們這次設(shè)計采用激光掃描原理，利用傾斜入射到玻璃管激光束的折射光束，還利用其反射光束，在玻璃上方離開一定距離測量反射光束和折射光束的位置，即可得出被測玻璃管的外徑和壁厚。圖十二示出了激光束斜射到玻璃管的反射和折射情況。從圖中可c=2dtga2 （1）式中：d為玻璃管壁厚值；c為玻璃管外壁直接反射與內(nèi)壁第一次反射光線沿軸向距離；a2為玻璃折射角。從式（1）可得出d=c/2tga2,又因為n1/n2=sina1/sina2,其中，n2為玻璃的折射率，a1為激光束的入射角，n1為空氣折射率，

15、n1=1。所以有:sina2=cosa2=tga2=d= （2）圖十二 傾斜入射的激光束在玻璃管中的反射和折射示意圖 從式（2）可以看出，n2為常量，a1為激光束入射角，為已知值，只要測出c值，就可以計算出壁厚d。另外，從圖中還可得e=2(D-2d)tga1 （3）式中：e為玻璃管內(nèi)壁第一次反射、折射與第二次反射、折射光線沿軸向的距離，可由CCD測量得到（CCD可以同時測量c和e的值）；D為外徑值，從式（3）可得，e=2Dtga1-4dtga12Dtga1=e+tdtga1=e+4tga1= e+2tga1從而有：D=+tga1 （4）其中n2和a1為已知值，因此，只要測量出c和e值，就可以計

16、算出外徑 。微機接口電路將表示空間位置c和e的電脈沖寬度信號通過接口器件8253（或8254）進行量化，再送入微機，按照式（2）和式（4）就可以計算出玻璃管的壁厚和外徑。五、 誤差分析響測量誤差精度的因素：1）方案本身由于選擇各個系統(tǒng)都存在系統(tǒng)誤差，所以經(jīng)累積必然在輸出端產(chǎn)生一定誤差。2）因為電子元器件與光學元件本身存在制造誤差：比如透鏡邊緣引起的非線性誤差，兩凸透鏡安裝引起的不同軸、焦點不重合，以及電阻由于發(fā)熱而引起的非線性誤差等等。3）還有光源的穩(wěn)定性等原因以及CCD像元之間有一定的距離，像元亦有一定尺寸，故測量精度受到CCD器件空間分辨能力的限制，測量精度比較低，在兩個邊緣位置不能準確確

17、定的情況下，每邊有一個以上的像元距離的分辨誤差。為了提高CCD的測量精度，要求能找到代表真正邊界的特征點，在依照它去形成二值化信號，可以使用更高頻率的時鐘脈沖通過二值化信號的寬度進行記數(shù)，從而將提高CCD測量的精度提高近一個數(shù)量級。六、電路調(diào)試表七 電子元件列表名稱型號度量值數(shù)量實驗板HS-032（塊）電阻2k2（個）5 k2（個）10 k8（個）15k2（個）20 k1（個）電容0.01F3（個）0.02F2（個）電位器W104245C100 k1 （個）整流二極管IN402（個）穩(wěn)壓管ST6.06.0v2（個）集成運放H177415C3開環(huán)增益837（個）導線若干2調(diào)試結(jié)果與對照分析表八

18、實驗器件名稱型號數(shù)量直流穩(wěn)壓源HMW2351（臺）示波器GLP10041（臺）信號發(fā)生器ZYU7761（臺）電路板1（塊）說明：我們的電路調(diào)試采用的是逐級測量的方法。 首先，我們按照電路圖接好實驗線路 。然后開始測量第一級（巴特沃斯低通濾波器）。如下面圖十一、圖十二所示，先后輸入頻率為1kHz，10KHz的就矩形波（模擬CCD輸出信號）1kHz1kHz 圖十三 輸入低頻信號及其輸出10kHz10kHz圖十四 輸入高頻信號及其輸出因為，我們設(shè)計的濾波器截止頻率為2kHz，所以當輸入低頻信號時，輸出幅值基本上沒有什么衰減，而當輸入高頻信號時，輸出幅值衰減很大。由此，可以得出該低通濾波器設(shè)計基本達到

19、設(shè)計要求。接著，我們依次檢測了微分電路，絕對值電路，過零比較器，二值化電路。通過比較輸入輸出波形，得出該電路雖然存在一定誤差，但是符合設(shè)計要求。 七、程序設(shè)計 該程序設(shè)計采用的是才C語言編輯。程序是用來計算下圖中兩個脈沖之間的時間間隔。T圖十五 脈沖間隔示意圖程序: （注：該單片機的晶振頻率是12MHz，1s計數(shù)加1） #include #define uint unsigned int sbit p13-2=p32; /* 外部中斷0入口位 */ sbit p13-3=p33; /* 外部中斷1入口位 */ uint count,perild; bit rflag=0; /* 設(shè)標志 */ void int-0(void) interrupt 0 using1 /* 中斷服務(wù)子程序 */tr0=1; /* 啟動定時器0 */while(rflag=0); /* 等待中斷 */ void int-1(void) interrupt 1 using2 /* 中斷服務(wù)子程序 */ tr=0; /* 定