grr测量系统分析

2022-07-31

第一篇:grr测量系统分析

气体测量系统设计

气体测量系统设计 中文摘要 现代科技技术水平在日益发展中,一些燃气的使用已经逐步普及起来,在提高了人们生活水准的同时,也导致人类针对生活品质有了一定的追求并且想要改善生活的环境,同时造成了一些风险发生,这之中的CO 的危害是最大的,对于这个现象,进行对燃气的泄露的检验进行研发。这个课题运用的对于气体的报警装置是以单片机为主题,气体的传播感应装置以及对其数据的转换的芯片等装置的连接起来,经过单片机进行运作,并对处理后的数据进行分析,查看其和设定的气体的浓度值是否超过了,如果超过了就能够自动开启报警装置,反之则不会报警。这个系统的运用很简单快捷、检测的准确度高,能够拥有一定程度的市场的价值以及进行研究的意义。

关键词 单机 气体的传感装置 报警装置 PCF8591 毕业设计说明书(论文)外文摘要 Title Gas measurement system design Abstract With the rapid development of economic level and science and technology, liquefied petroleum gas, gas, and natural gas have entered ordinary households.While improving people's living standards, people have paid more and more attention to the improvement of their quality of life and living environment.People have brought certain potential dangers, among which carbon monoxide is the most important source of danger.To solve this problem, a flammable gas detection system is proposed.The design gas alarm adopts STC89C52 single-chip microcomputer as the main control.The MQ-2 gas sensor is connected with the PCF8591 A/D analog-to-digital conversion chip.The analog signal is converted into a digital signal and transmitted to the single-chip microcomputer.It is processed by the STC89C52 single-chip microcomputer and processed.The data is analyzed to see if it is greater than the set gas concentration value.If it is, it will automatically start the alarm circuit to send an alarm sound, otherwise it will not alarm.The system is easy to operate, sensitive to detection and cost-effective, and has certain market application value and research significance. Keywords Single chip Gas sensor Alarm PCF8591 目 录 1.1课题背景及其意义 4 1.2国内外的研究状况 5 1.3本文的主要研究内容及论文结构安排 6 2.1控制方案的确定 7 2.2控制方式的选择 7 2.2.1 主控芯片的选择 7 2.2.2声音报警电路方案的选择 8 2.2.3显示方案的选择 8 2.2.4 A/D采样芯片的选择 9 3.1系统的功能分析及体系结构设计 11 3.1.1系统功能分析 11 3.1.2系统总体结构 11 3.2模块电路的设计 11 3.2.1 STC89C52单片机核心系统电路设计 11 3.2.2 5V电源电路设计 15 3.2.3 LCD1602液晶显示模块电路设计 16 3.2.4按键电路设计 18 3.2.5 蜂鸣器报警电路(低电平有效)设计 19 3.2.6 LED信号指示灯电路设计 20 3.2.7 MQ-2甲烷CO气体传感器模块电路设计 21 3.2.8 PCF8591 A/D采样电路设计 25 4.1 编程语言选择 26 4.2单片机程序开发环境 26 4.3 Keil uVision4软件开发流程 27 4.4 STC-ISP-15xx-v6.85p程序烧录软件介绍 28 4.5 PL2303串口程序烧写模块介绍 29 4.6 程序流程图 30 5.1 电路焊接 32 5.2 系统调试 33 5.2.1 系统程序调试 33 5.2.2硬件测试 34 5.3 实物测试 34 结 论 35 致 谢 36 参 考 文 献 37 第一章 绪论 1.1课题背景及其意义 安全上的有关问题对于一个家庭来说是个不能忽视的问题。想要减少和删除各种因燃气而产生的一些损害,许多生产的工厂和人们选择一种合适的屋子里面煤气泄露时能够报警的装置是必要的。因此,预防CO中毒以及爆炸一定要由我们去面对这个现象。煤气泄漏报警器正在被引入各个国家的家庭,因为它尺寸小,稳定性高,易携带,检测率高以及较低的成本。家用的煤气泄露的报警器作为气体检测仪器,具有高检测精度,可防止由于过量泄漏而造成人员与财产损失,一般由声音光照报警、转换模块报警、排出气体、发射信号等组成。通常由泄漏的具体量来导致什么光亮的调节和报警器响不响等。因为要求的这种警报器需要一些比较小的体积、比较高的精准度等等。所以,传统报警器不能满足人们的期望了,所以人们经常使用52系列的单片机来进行气体报警。

针对人们经常使用的报警的装置,主要就是用单片机进行主要的掌控,用其他的一些模块进行分支的掌控。这种报警器在日常人们的生活中,发挥的作用都是很重要的,因此实时进行精准掌控周边的工作状况等等可以点燃的气体,一些有毒的具有危害的气体泄露出去,保护人们的生命安全以及财产不被损失。

1.2国内外的研究状况 针对气体进行检测并且报警的工具是高新技术的领域,一个用人们的日常生活作为基础的进行生产的相关的产品,主要有检验气体的探测装置、传播信息的装置、控制的装置、报警的装置、刨析的装置,这些是传播感应,由刨析、自动的掌控机制、单片机操作说明、传播数据、进行管理分析等综合的一种技术水平的利用。

早在20世纪60年代,日本就已经开发并且完成了首台具有真正价值的有关室内的煤气泄露的报警装置,并将其改良之后的产品推向市场,经过改善之后,这种产品可以装在浴室或者是利用一些有关的掌控技术,严格对其进行掌控防止泄露。

我国的有关煤气泄露的报警装置的研究开始的较晚,厂家的芯片数量等有关价格的原因导致我国内部的有关这种燃气等泄露进行报警装置的开发太晚,然而现在的时代在发展,科技也在进步,特别是经历了改革开放之后的新中国,在我国正确的方针之下,我国研发出的报警装置已经有了很大的进展,许多技术已经超越了国外。然而目前我国的相关领域所占的市场份额还不够,很难在国内找到成熟的装置,只在报纸上出现了一些科技性并不强的报道。虽然现在市场上也出现了少量产品。不过也存在很多问题,对于预防这些煤气的泄露的危险意识还很薄弱,对于产品的研发还不够重视,目前我国的产品正处在一个尴尬的局面。

1.3本文的主要研究内容及论文结构安排 第1章 .主要介绍本设计的课题背景及国内外研究现状;

第2章 .主要说明系统方案的选择;

第3章.主要介绍硬件电路的组成和使用;

第4章.主要介绍软件设计;

第5章.主要介绍硬件调试。

第二章 方案的设计与论证 2.1控制方案的确定 本设计由STC89C52单片机电路+LCD1602液晶显示电路+A/D采样PCF8591电路+蜂鸣器报警电路+LED指示灯电路+按键电路+MQ-2煤气传感器电路+电源电路组成。 2.2控制方式的选择 2.2.1 主控芯片的选择 方案一 运用可以进行变成的逻辑的器件作为控制的中心,这种控制器可以完成很多复杂的功能、其规模巨大、占用体积较小、稳定性能较强、含有的资源较全面、能够延展出许多新的功能。运用共同输入并且输出的办法,增加系统进行处理的速度,使之适用当作大规模进行控制的核心。然而这个系统并不需要特别繁琐的用途,针对其对于数据的处理等要求较低。由经济利用的角度来说,这个方案并不使用。

方案二 运用ST企业的单片机用作主要控制的及其,这个控制器的功能的消耗比较低。消耗的功率比较低,本金又比较少,所以符合这个项目的需求。

方案三 运用单片机的芯片掌控这是美国的一家仪器公司推出的,这种联合处理信号的装置消耗的能源很低,适合用作本项目,这特别是对于实践中生产的一些需求,他可以把很多方面的内容都集合在同一个芯片中,用这种方式来解决。这个机器的耗能比较低、体积很小、使用方便,已经广泛用在了很多领域中去了,有效的提升了经济方面的获益。然而其成本太高,故舍弃。

故选择方案二。

图2.1 主控芯片 2.2.2声音报警电路方案的选择 方案一 运用声音合成的芯片进行报警,因为它需要进行扩充一些启动的电路等而且它本身的操作比较复杂,也不太稳定。基于以上考虑,所以放弃了此方案。

方案二 采用蜂鸣器进行报警,结构单一性能强大,需要的资金比较少,所以方案二适合。

方案三 运用音乐的片段作为一个体系的门铃的模块,这个比较简单,通过内在一些振荡的电路,再加上连接一些小的比较独立的零件进行操作,就能够发出各种不同的音乐。现在被广泛运用在一些玩具上面或者是家里使用的门铃等等。其具有电路简单,成本低廉等优点。

故选择方案二。

2.2.3显示方案的选择 方案一 运用LED的数码动态的装置进行扫描,其价格中规中矩,用作显示一些数字特别适合,运用动态扫描的办法使其和单片机进行连接,即使占用的线比较少,电路比较单一,但是性价比比较高。

然而,数码管显示的数据有限,本设计显示的数据较多,故舍弃。

方案二 运用点阵的数码管进行显示,这种是由发光的二极管组成的,一共有八行八列,如果用来显示文字的内容是特别合适的,如果将其用作显示数字就会导致特别浪费,并且价格也会比较昂贵,因此不将其作为一种显示来用。

方案三 LCD的液晶显示屏幕,它是被单片机驱动的,所以主要用来显示一些文字、图案等等,用它来显示,能够展示比较多的内容,同时又比较美观,这种显示屏的程序比较单一,价格低廉,所以运用这种方式。

采用这种显示屏,其显示的能力比较强,里面有192个字符,可以显示很多字符等,并且耗能比较低。

故选择方案三。

图2.2 LCD2602模块正面 图2.3 LCD2602模块反面 2.2.4 A/D采样芯片的选择 方案一 采用ADC0832芯片。这种芯片是美国一家公司生产出来的,这是一种具有8位分辨效率的两个通道进行相互转换的芯片。因为他的体积比较小,能够容纳的数据比较丰富,性价比比较高被很多单片机的喜爱者以及公司迎合,普及率已经很高了。

方案二 采用PCF8591芯片。本系统选择PCF8591作为A/D采样芯片。它是由单片机集成的,独立供应电、耗能比较低,获取数据比较快。

根据性价比,选择方案二。

第三章 硬件电路的设计 3.1系统的功能分析及体系结构设计 3.1.1系统功能分析 本设计由STC89C52单片机电路+LCD1602液晶显示电路+A/D采样PCF8591电路+蜂鸣器报警电路+LED指示灯电路+按键电路+MQ-2煤气传感器电路+电源电路组成。

(1)LCD1602液晶实时显示当前的煤气浓度显示。

(2)当浓度0~20ppm时,绿灯亮,当浓度达到20ppm到设置值时,黄灯亮,当浓度超过设置值时,红灯亮。

(3)可以通过按键设置煤气浓度阈值设置范围1-200当前阈值超过设置阈值蜂鸣器报警。

3.1.2系统总体结构 本系统具体框图如下图所示:

图3.1 系统硬件框图 3.2模块电路的设计 3.2.1 STC89C52单片机核心系统电路设计 STC89C52RC由STC企业进行生产研发,其耗能低、功能强大具有很强的控制功能,有8k的字节体系可以编程一些动画的储存。它运用最经典的内核,但是又做了很多改进,它有了一些新的功能,单个芯片具备的功能有:动画功能是八个字节,RAM是五百一十二个字节,对看门狗的定时装置,还有一些复合的电路,以及定时装置和计数装置,四个中断,是四级的装置。此外,可以降低到静止的操作的模式,可以让两种不同的软件同时进行节约电能的模式。在空闲状态下,cpu中断工作状态,允许其他设施进行继续工作。在电量降低保护的措施之下,RAM的内容被保存起来,振荡器被冻结,操作完成之后,下一步的工作终止或是硬件回应,运转频率可达35赫兹。

一、STC89C52主要特性如下:

(1)8K字节程序存储空间;

(2)数据储存可以达到512个字节;

(3)有4千字节的储存空间; (4)可直接使用串口下载。

二、STC89C52主要参数如下:

(1)8051的增强类型的单片机,每6钟头和每12钟头的周期可以进行随机切换,代码是可以完全兼容的;

(2)用户应用程序空间为8K字节;

(3)片上集成512 字节RAM;

(4)通用I/O 口(32个),复位后为行漏极的开路输出,是总线路在进行扩展过程中,可以不必加上一些电阻,如果用作电流/O开口使用,就需要电阻;

(5)ISP/IAP,不需要进行专门编程,也不需要进行专门的仿真的及其,可以由串联的入口(RxD/P3.0,TxD/P3.1)迅速进行下载用户的程序,很快就可以完成;

(6)具有EEPROM功能;

(7)定时器T0、T1、T2;

(8)在外围中断4路,使其沿着中断的部位或者电量较低的时候触发一些电路,Power Down的形式可以通过外部进行阻断低电进行触发其断的方法来进行;

(9)联合使用异步的串行的入口(UART),也可以运用定时的软件;

(10)工作温度:-40~+85℃/0~75℃;

(11)PDIP封装。

三、STC89C52单片机相关引脚说明:

(1)VCC:供电电压。

(2)GND:接地。

(3)P3.0 RXD(串行输入口) (4)P3.1 TXD(串行输出口) (5)P3.2 /INT0 (6)P3.3 /INT1 (7)P3.4 T0 (8)P3.5 T1(记时器1外部输入) (9)P3.6 /WR (10)P3.7 /RD (11)RST:复位输入。

(12)ALE/PROG:如果要访问外围的存储装置的时候,地址所在了可被允许的输出电量用作锁存地址的位置。如果进行动画的编程,这个时候引入输进去编程里面的脉冲。平日,在输入脉冲信号时,此频率为振荡器频率的六分之一的部分。故对外进行输出时要定时。但是如果需要停止输出,就要在地址上置零。此时,ALE只有在执行MOVX,MOVC指令是ALE才起作用。另外,该引脚被略微拉高。假如微处理装置在外围进行执行操作的状态时禁止,那么置位是没有效果的。

(13)/PSEN:如果外部的程序进行存储的装置的选择通过的信号。在经过外部的程序的存储装置的使其,各个周期两次是有效果的。然而如果访问外部相关数据过程中,这两次的信号就不会出现了。

(14)/EA/VPP:如果EA的电量较低并且平稳运行,这个时期外部的一些有关程序的存储装置,不论是不是有一些内在的程序存储,都应该注意保密的方式;

如果这个电量比较高,这个内部的存储装置。动画进行编程的过程中,这个可以加上12V的编程的电。

(15)XTAL1:

反方向的振荡放大装置的输入以及内部每个小时工作过程的输入。

(16)XTAL2:来自反向振荡器的输出。

单片机引脚图如下图所示:

图3.2 STC89C52单片机引脚图 四、STC89C52单片机最小系统说明:

STC89C52单片机,最小的体系是有三个部分的电路构成,时钟、复位、电源。有了这三个部分,就可以正常进行工作了。这个运行的原理如下图。

图3.3 单片机最小系统原理图 (1) VCC和GND提供电量的来源:

(2) 复合的电路是根据一个按键和电容量以及电阻构成的。其可以用作人工的按钮进行复位工作以及上电自动进行复位的功能。在体系中上电进行复位功能的按键口可以有两个高端的信号之后再进行人工的复位;

这种可以由系统检验到的电压的升高的一定时间,这个时间之后,体系通过将电阻和连接地面之间形成一条道路,然后把高电压降低变为低电压,使之完成一次的电位的复位。

(3) 时钟的电路就是由Y1C1C2构成。具有掌控的芯片构成的数字的电路进行工作过程中是不会少了时钟的电路,需要自主地发出一些体系的时间,让控制这个芯片可以正常进行工作,给这些芯片工作过程进行时钟信息,一般这种工作就是拍,为了整体能够平稳运行并且工作,因为我们要保证控制的体系需要正常进行工作,提升工作效率,我们药用晶振和电容联合起来,以满足运行的需要,达到正常工作的目的。

(4) JD1为单片机的下载接口。

3.2.2 5V电源电路设计 这个体系运用了5v的直流电源来进行供电,其线路较为简单、平稳。DC为电源的DC插座,可以直接接USB电源线,一端插在DC插座上,另外一端可以插在5V电源上。红色的指示灯,来检验系统是否含有足够的电量,电阻防止电流太大使得指示灯烧坏。自动锁上的开关SW,按下开关之后,灯亮,这个时候就有直流的电流出来了。再次按下开关之后,红灯就灭了,这个时候的系统的电源没有办法保证5v电源可以输出。

图3.4 5V电源电路原理图 3.2.3 LCD1602液晶显示模块电路设计 显示屏幕可以进行字符的显示也可以进行字段的显示。这其中,字段显示与指示灯类似,如果能够接收到与之对应的地方就能看出来。它是由基本的需要来决定的。这个课题采用的就是这种方式。体系中运用的用作输出显示器的信息,和传统来进行比较,其液晶的显示的板块的体积较小,显示内容比较多,用途广泛,用的最多的地方就是用在一些需要显示装置的地方。最多可以显示两行一共16个文字。

一、LCD1602主要技术参数如下:

(1)显示容量为16×2个字符;

(2)芯片工作电压为4.5~5.5V;

(3)工作电流为2.0mA(5.0V);

(4)模块最佳工作电压为5.0V;

二、LCD1602运用14脚,接口进行引用脚的操作说明:

(1)第1脚:VSS为地电源。

(2)第2脚:VDD接5V正电源。

(3)第3脚:V0为液晶显示器对比度调整端。

(4)第4脚:是寄存器的选用RS,电压较高运用数据的寄存器,电压较低采用指令的寄存器。

(5)第5脚:获取信号的线路RW,电压较高进行日常的操作的读取,电压较低进行写的操作。这两种共同是电压比较低可以写一些指令或是显示出地址,并可以读取一些忙的信号,高电压可以写数据。

(6)第6脚:使用能量的一端E端,是电压由高变低的时候进行执行的操作。

(7)第7~14脚:D0~D7为8位双向数据线。

(8)第15~16脚:空脚 三、控制指令说明 LCD1602显示装置内在控制的系统一共有11个指令,有以下说明:

序号 指令 RS R/W D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 1 清显示 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 2 光标返回 0 0 0 0 0 0 0 0 1 * 3 置输入模式 0 0 0 0 0 0 0 1 I/D S 4 显示开/关控制 0 0 0 0 0 0 1 D C B 5 光标或字符移位 0 0 0 0 0 1 S/C R/L * * 6 置功能 0 0 0 0 1 DL N F * * 7 置字符发生存贮器地址 0 0 0 1 字符发生存贮器地址 8 置数据存贮器地址 0 0 1 显示数据存贮器地址 9 读忙标志或地址 0 1 BF 计数器地址 10 写数到CGRA或DDRAM) 1 0 要写的数据内容 11 从CGRAM或DDRAM读数 1 1 读出的数据内容 表3.1 控制命令表 四、液晶板块的进行读写的运作、显示屏、等操作都有相关的指令(说明:1为高电平、0为低电平) (1)指令1:

清空显示的指令操作时01H (2)指令2:字符发生器RAM地址设置 (3)指令3:DDRAM地址设置 (4)指令4:读忙信号和光标地址 BF,这个时候不能接受任何指示,若电压低就是不忙。

(5)指令5:写数据 (6)指令6:读数据 体系中运用这种液晶显示装置作为一个输出的装置。这个电路中的电位装置可以调节其显示的对比程度以及清晰程度。其具体电路原理图如下图所示。

图3.5 LCD1602液晶显示电路原理图 3.2.4按键电路设计 这种按键是一种输入的体制,这是一个连接中点的作用。这种按键的控制机制默认就是高电压的情况之下的,按下按键之后,就变成了低的电压。进而实现对系统的手动输入。其电路原理图如下图所示。

图3.6 按键电路原理图 3.2.5 蜂鸣器报警电路(低电平有效)设计 有源头的蜂鸣器这是一种联合的一体式的结构进行电子通讯的工具,运用一些直流的电压进行供应电量,办公用具等人们日常生活中使用的各类电子有关的产品中作为一个发出声音的电器。这个体系中运用的报警的装置的电压是5V,这种有源头的蜂鸣器的板块,在这个电路中运用三极管进行启动,单片机掌控将其制成低电压的模式,这个蜂鸣器就会自动启动报警装置,相反的情况下,不会发出声响,可以通过掌控输出的方式来掌握这个报警器的鸣叫的方式。电阻为限流电阻,保护作用。

图3.7 蜂鸣器报警电路原理图 3.2.6 LED信号指示灯电路设计 指示灯就是发光的二极管,都具备一个方向导电的性质。电路设计中,电阻可以对电流进行限制,保护指示灯。如果控制好单片机的引脚,使之降低,那么,指示灯就会发光,相反的情况下,指示灯不发光。其具体电路原理图如下图所示。

图3.8 LED灯指示电路原理图 3.2.7 MQ-2甲烷CO气体传感器模块电路设计 MQ-2气体感受器配备的气敏原料为打扫气体环境时比较适合的SnO2材料。感受器的原理是使用温度循环的方法进行低温监察一氧化碳的浓度来进行的,感受器的电导率与室内一氧化碳的浓度呈正比关系进行的,温度过高的监察方法能够检验空气中的可燃气体的存在且清洁空气中的其他有害气体。设计一款简易的方法就能够把电导率的高低转化成一种可读信息,让我们更加直观的看到空气中各种气体的含量。MQ-9则是一类能够迅速感受到液化气、甲烷、CO含量的感受器,比较适合于更多的场合并且价格在可接受范围内。

注意:将传感器插电以后,必须进行缓慢加热20s,这样才能保证信息的精准性,内部含有电热丝的原因,所以会具有适当发热的现象。

一、模块参数 (1) 工作电压:直流5伏。

(2) 能够精准的感受到乙醇存在并自主选择。

(3) 功耗(电流):150mA。

(4) 能够虚拟输出0-5V的电压,并且呈正比关系。

(5) 实用价值比较高并且平均工作时间很长。

(6) 快速的响应恢复特性。

(7) 有四个螺丝孔便于定位。

二、接口说明 (1)VCC 接电源正极5V。

(2)GND 接电源负极。

(3)DO TTL开关信号输出。

(4)AO 小板虚拟输出数据,0.1-0.3V(基本清洁),浓度最高时的电压为4V。

MQ-2酒甲烷CO传感器内部线路图如下显示,可以看出R6电阻是一个分压电阻,把MQ-2甲烷CO传感器监控的CO、甲烷等气体数据转化成虚拟电压信号AO,模拟量信号接入LM393比较器后,即可与LM393比较器芯片2号引脚所接的电位器分压后的模拟电压进行比较,进而得出DO数字信号(即高低电平信号)。C1、C2称为滤波电容,C1对电源采取滤波模式,使电源稳定进行输出。C2对虚拟信号采取滤波模式,确保虚拟信号能够稳定进行输出。R2、R3均为限流电阻,具有保护 LED灯的作用,避免LED灯短路,LED灯都是低电平有效。R4是一个上拉电阻,即把疑惑的数据经过电阻钳位从而实现高电平的方法,并且具有限流的效果。确保LM393能够产生高低电平数据在和单片机引脚焊接的时候能够平稳采集到电平数据。

图3.9 MQ-2甲烷CO传感器内部电路图 MQ-2甲烷CO传感器接口说明图如下图所示。

图3.10 MQ-2甲烷CO传感器插口说明图 MQ-2甲烷CO传感器模板接口原理图如下图所示。

图3.11 MQ-2甲烷CO传感器内部电路线图 MQ-2甲烷CO传感器板块实物如下图展示。

图3.12 MQ-2甲烷CO传感器模块实物图 3.2.8 PCF8591 A/D采样电路设计 本系统选择PCF8591作为A/D采样芯片。该芯片是一种低耗高能效、独自供能、单片合成的8-bit CMOS类型的数据采集芯片。此芯片具备1个虚拟输出、4个虚拟输入还有1个串行的I²C的总接口。该芯片的的3个IP A2, A0以及A1能够用于硬件IP的编写,能够实现一个I2C的总插口上面连接有8个芯片零件,并不使用其他硬件协助。在该芯片上的数据信息、控制系统以以及进出IP皆为经过互为相通的I2C总线来实现的。

芯片特性 (1)单独供电 (2)PCF8591运行的电压程度为2.5V-6V (3)低待机电流 (4)采取I2C串行来实现输入与输出 (5)PCF8591通过3个硬件地址引脚寻址 (6)PCF8591的采样率由I2C总线速率决定 (7)个人模拟输入能够改变成差分亦或单端类型的模式 (8)自动增量频道选择 (9)PCF8591的模拟电压范围从VSS到VDD (10)PCF8591内置跟踪保持电路 (11)8-bit逐次逼近A/D转换器 其具体原理图如下图所示。上拉电阻设置为2个,更加方便于信号数字的读取。

图3.13 传感器接电路接口原理图 第四章 系统软件设计 一个单片机项目简单的讲分为硬件和软件的设计,软件设计又分为单元模块驱动程序的设计和系统逻辑的设计,此项目进行源于美国Keil Software企业的Keil uVision4继续研究,编码语言使用了最广为人知的、易于学习了解的C语言进行,首先建立系统软件工程文件,配置开发环境,编写每一单元的模块驱动程序,如模数转换芯片单元驱动程序,保存然后进行检验,检验结束以后进行编码软件,然后将驱动软件全部转移到系统程序里,编译零错误零警告后通过STC-ICP烧录工具将工程.HEX文件下载到主芯片中,不断调试,直到实现设计的功能需求。

4.1 编程语言选择 因为全部项目较为庞大,同时涉及的计算方法比较多,其中就涉及到了浮点数方法,因此该工程的编码语言使用C语言。

针对于绝大多此类的单片机来说,C语言编码还是具备很多的优势的:

(1) 该编码方式更加容易整合到其他程序上面,并且它的适用范围比较广,并且学习较为简单,能够被更多的群众接受并解读,它在结构功能方面、转移性上、解读方面以及维修方面具备更加良好的性能。

(2) 该编码语言的素材库里提供了大量标准化的操作方法。

(3) 经过此编码语言能够提升编程技术,进而能够把已经写好的代码整合到一个新的项目里。

(4) 相对于汇编语言而言,该编码语言更加省时省力。

(5) 该编码语言更加贴近于人类的思维模式,能够被更好的理解与利用。

(6) 规定的操作对象增加了工程的易于理解性能。

(7) 搜索地址的方法与保存皆有编译器进行处理,进行编写的时候不必思考储存器的数据以及地址等问题。

(8) 免于理解处理器的各种的方案以及存储器的功能类型。

(9) 4.2单片机程序开发环境 此项目里的单片机研发环境是Keil uVision4,Keil uVision4开发软件是当下51系列中最为大众的研发系统,Keil uVision4是STC企业主打的一款专门针对于单片机的编码、焊接以及测试的研发环境。可以降低开发周期,从而减少很多成本。Keil uVision4不仅提供了完整的Windows开发环境界面,支持C/C++语言开发,而且其C语言编辑效率很高,方便 了研究者利用C语言来开发软件编码。里面Keil uVision4含有许多方面:

(1)Keil uVision4可以同时进行WIN7与和WINVP的运行。

(2)Keil uVision4能够实现编码、翻译、焊接以及检验的全套工程。

(3)Keil uVision4 C51在Keil C51的基础上,增加了很多新的功能。如Keil uVision4更加增强了对内核微控制器的开发支持,并对Keil C51的开发形式和开发界面进行相应的改进。Keil uVision4软件界面如下图所示。

图4.1 Keil uVision4开发界面图 4.3 Keil uVision4软件开发流程 首先,需要建立“Project”工程,点击Keil uVision4界面中菜单中“Project”,选择“New uVision Project”,为新建的工程命名后点击保存;

然后选择开发单片机芯片的型号,本工程选择“STC89C52”,这样就完成了“Project”的建立;

建立结束,单击“Source Group”,能够不断增加想要的加.c文件,然后单击Add便能够进行文档的编辑,也可以把常用的.c文件拷贝到建立的“Project”目录下面,最后一个完成的工程软件就建立完毕了。具体开发流程如图所示。

图4.2 Keil uVision4软件开发流程图 4.4 STC-ISP-15xx-v6.85p程序烧录软件介绍 在Keil uVision4开发环境下,STC89C52RC芯片的编写软件采用的是stc-isp-15xx-v6.85p烧录程序,该芯片是一个具备代码记忆,在线仿真和串口查看于一起软件备,在51系列智能产品研发过程中得到了广泛使用,实用价值比较高,是当下51系列单片机调控体系的研究中最为重要的环节。在Keil uVision4开发环境中,需要进行一定的配置才能使用,当把下载器(即PL2303串口烧写模块)、PC及设备安装完毕,然后在程序里点击串口号以及单片的类型,还需要将软件的程序调节跟波特率相同。然后选在项目程序“hex”文件所在的地址,最后就可以点击程序下载按钮了。具体下载界面如下图所示。

图4.3 烧录软件对话框 4.5 PL2303串口程序烧写模块介绍 此项目经过PL2303串口烧写的方法来进行单片机的编码。PL2303串口编写板块利用USB的接口,将笔记本电脑针对STC单片机的编码障碍问题进行了简单快捷的解决,此软件的低能高效的优点,是进行研发 STC 体系单片机良好软件。

一、PL2303串口烧写模块特点:

(1) 支持 USB1.1 或 USB2.0 通信;

(2) 基本支持 WIN7、VISTA、WINXP、WIN2000、WINME、WIN98系统运行;

(3) 采用 USB 口供电;

(4) 使用原装进口的芯片,可以更加平稳高效地运行;

(5) 运行速度更加方便快捷,有利于广大用户的普遍应用;

(6) 支持 STC 全系列芯片烧录;

(7) 编码器能够使用5V跟3.3V的输出电压插头;

(8) 编码结束以后工程的使用不会妨碍到原工程的应用;

(9) 进行编码程序的时候最好使用自身带有的电源,亦或者USB接口的电源,同时要确保电流强度小于500ma,避免有所损坏;

模块如下图所示。

图4.4 PL2303串口烧写模块 二、PL2303串口烧写模块引脚说明 (1) +5V 5V输出,如果电路板有外接5V供电,则此引脚可不接。

(2) GND 接GND。

(3) RXD 接单片机的RXD引脚。

(4) TXD 接单片机的RXD引脚。

(5) 3V3 3.3V输出。

三、PL2303单片机跟串口烧写板块的详细接线图如下图显示。

图4.5 PL2303单片机跟串口烧写模块接线图 4.6 程序流程图 此流程的编写与测试是使用Keil uVision4软件来进行的,使用了移植性以及可读性都很好的C语言进行编码。系统运行流程图如下图所示。

图4.6 系统程序流程图 第五章 系统焊接与调试 5.1 电路焊接 手动焊接是古老的器件连接手艺,然而随着科技的发展以及工厂的大批量生产,这种方法显然已经不适用了,然而一些精细的零件的组成,机器加工是达不到那种精密要求的。并且若是粗制滥造,甚至可能会影响到整个机器的使用,这时候手动焊接的魅力就显现出来了。此焊接方法主要有四个步骤:

第一步开始焊接:

将两个零件的连接处擦拭无污迹,接下来将即将进行焊接的零件的角按一定角度掰折一下,但是要避免两脚相交的情况出现,否则不会成功。随后将电烙铁尖端接触到零件角处,放好锡条。这里我们必须知道,一定不要将烙铁尖端触到任何东西,否则会连接到别的东西。

第二步给焊接升温:

结束焊接过程后,还需要将焊锡条进行加热一下,把滚烫的电烙铁置于零件管脚相邻位置,焊锡条会缓慢熔化,要控制好熔化的时间以及温度,要是熔化过度,会很大程度上损坏器件,所以最好将温度控制于400℃上下,熔化2s,当然也有一些零件需要特殊对待。进行焊接的时候,应该将已经结束的零件拿走,如果还要进行加热处理,一般过程为将连接点补充适当的锡丝,使用电烙铁开始加热,在此过程中必须把多余的零件拿走,并且控制温度,否则零件易受损。

第三部清理焊接面:

结束了上一步的工作的时候,若是担心两个器件之间连接有所失误或者存在接错的现象,可以略微修正。一般会出现两种失误,首先可能会产生焊锡多余的现象,解决办法就是将电烙铁置于多余处进行摩擦,即可将剩余部分擦掉,此方法不奏效的话还可以使用吸锡器,强制吸走。还可能会产生焊锡不足的情况,这时候连接处会凹凸不平,解决办法是将连接处补焊,但是需要适量,否则会误接到其他零件引起事故。

第四部检查焊点:

结束上面检查的时候,便开始纵观整个工程,需要观察连接处是否光滑、饱满、有色泽以及是否牢固,不能有接错接重的现象。

5.2 系统调试 整个软件进行使用检测之前,还要查验零件的焊接之间是否还有所缺陷,比如焊接不牢,焊接错误,两级接反或者接口断裂等错误,在使用万能表测试电流,观察正负极连接是否正确以及接线正确与否,最终保证系统焊接没有问题。

在搭建调试平台后,需要对软件程序进行调试,若程序调试没有问题,接下来开始验证系统功能是否满足要求,若功能有问题,需要继续调试程序,反复进行,直到所有功能都满足为止。

5.2.1 系统程序调试 软件调试步骤如下:

(1) 在Keil4软件中先创建一个工程:打开“工程”软件,将工程名字设置为 “源于单片机的煤气警报系统的设计与完成”,并保存;

然后器件选择“”目录下的“”。

(2)新建用户源文件:新建一个空白文档,然后在里面编写代码,结束以后保存为 “源于单片机的煤气警报系统的设计与完成.c”,新文件创建完成。

(3)程序的编写检测:点击编码按钮,该编码文件即将主动进行,我们可以根据弹出的窗口里的消息进行下一步操作,若是存在error的话,就需要我们根据消息进行改正错误操作,改到全部正确方可停止,例如5.3显示。

提示信息无错误 (4)若程序编译无错误后,则通过PL2303串口烧写模块烧写程序,开始验证系统功能是否满足要求,若功能有问题,需要继续调试程序,反复进行,直到所有功能都满足为止。

5.2.2硬件测试 硬件调试是检测的最后一个步骤,即使用示波器、直流电源或者万能表将接在一起的零件进行检查,测试所有的部件是否都可以常规运行,检验通常分为动态跟静态两种方法。

一、静态调试,该检查方式可有四个步骤::

(1)肉眼观察。观察焊接有无瑕疵,零件与零件以及零件管脚的焊接有无瑕疵,是否有短路损坏。

(2)使用万用表调试。先检验电源短路与否,再检查测量管脚连接是否有错误接线的现象。

(3)上电检查。检查完前两部都正常无损坏以后,就能够进行上电检查了,检验所有的零件是否完好,在进行功能检测。

(4)综合检查测试。本项目并不适合使用此类检查方案,仅适用于单片机启动的机器。

二、动态调试:

表达的是在静态调试正常以后,进行的下一项调试,检查的是所有的零件是否有所损坏,机器是否完好,需要保证系统能够正常开发,以防机器内部被破坏,阻碍系统正常运行。

5.3 实物展示 本设计实物如下图所示。

系统测试图 结 论 从课题发下到现在顺利完成,期间经历了几个月的艰苦奋战,该设计属于嵌入式领域的一小部分,涉及的知识原理从电路到系统软件,开发的过程中深感自身知识的匮乏,在开题之前,重新巩固了大学这几年来所学的专业知识以及自学相关控制知识,为方案实施打下良好基础。简易梳理一下全部项目,从始至终,一直在产品用户的方向思考问题,以市场产品的思维去定位、设计架构,硬件材料的选型经过查阅多方资料、综合现有产品的技术,分析技术可行性,进行好的资源整合,在其上加以创新。再到开发方案的设计,包括硬件架构的设计和软件架构的设计,这段过程中,我总结了自身技术上的不足,努力增加自己的软件开发能力,并且熟练运用,同时也深知以前学习的知识太过于浅薄,当然在实际项目的开发过程中,软件要具备高内聚低耦合的条件,硬件要具备高性能低成本的基础。方案设计完最后就到实际开发了,元器件下单购买回来,这里其实总结出寻找硬件供应商很重要,根据工程图所示使用工具将零件进行焊接,编码测试软件进行检验,设计系统程序,不断反复测试调试,完善功能和性能,到最后成品设计完成,不断优化,升级迭代,就算是开发完成了。

通过努力,经过实际测试,此次设计最后开发出的实物能满足我的课题需求功能,同时我也总结出了技术本身没有价值观,但可以塑造价值观,以后一定要不断提升自己的个人技能,个人综合素质全面发展,这样才能立足于社会形成核心竞争力,我也清醒地认识到,自己掌握的知识还十分欠缺且实战经验不足,以后要想从事技术职业,必须要具备良好的职业素养以及严谨的工作作风。

致 谢 论文结束以后,也就表示我的大学生涯也就此结束了,我感到了深深的不舍之情,然天下无不散的筵席。在大学上学的这几年中,我从一位刚开始懵懂无知的技术小白,受老师同学的启蒙和帮助,经历无数知识海洋岁月的洗礼,理论加实践检验,到如今能独立开发一些小型的单片机控制项目,我的动手操作能力获得了巨大的提高,我的成长与成功是离不开老师同学的帮助,在此表示我深深的感谢。此次毕业设计能顺利完成,首先得真挚地感谢我的指导老师,是您在我迷茫之际给予我灵感,在我开发遇到瓶颈之际给予我难题解决的方向,在我执笔之际给予我建议细心指导,您是多么的知识渊博、尽职尽责、无私奉献,在您这,我不仅学到工作处事之态度,而且学到技术开发之道方,感恩祝愿,再次感谢指导老师对我的帮助。并且对于大学生涯的任课老师也是非常感激的,感谢他们的谆谆教导,课后热心指导,因为这样,我的专业知识才得到提升,为此次的毕业设计打下坚实基础,你们的教学精神为学生营造学术氛围,衷心的感谢你们。最后要感谢的是我的同窗好友们,这几年我们一起学习一起成长,在这毕设过程中你们在陪伴中一直支持者我,让我能直挂云帆顺利完成的设计,并且综合这几年学习的知识,累积经验,为工作打基础,谢谢你们。很庆幸大学期间有你们这些良师益友。

最最要感谢的是生我养我教育我辛勤的父母,给我一个温馨的港湾,他们的爱与关怀无微不至,不求回报,给了我一个坚实的后盾,勇往直前,无论在学习上、生活上、还是工作上,一直前进,感谢。

“欲穷千里目,更上一层楼”,人生需要不断努力拼搏,活出人生的意义,这篇论文给我大学生活画上圆满的句号,未来继续前进。

参 考 文 献 [1]王洋洋,秦浩,杨永超,刘玺,陈中,张体磊.电化学多组分气体传感器设计与性能分析[J].传感器与微系统,2018(11):87-89. [2]吴丽倩,宋红杰,吕弋.硫化氢气体传感器的研究进展[J].分析测试学报,2018(10):1192-1198. [3]秦浩,王洋洋,杨永超,刘洋,刘玺,程振乾.开放式快响应电化学NH_3传感器研制[J].传感器与微系统,2018,37(09):81-83. [4]韩卫济,孙鹤,徐光,赵全.气体传感器综述[J].计算机产品与流通,2018(02):277. [5]李颖,付金宇,侯永超.有害气体检测的电化学技术的应用发展[J].科学技术与工程,2018,18(03):132-141. [6]王强.基于电化学传感器的有毒气体检测器设计[J].科技创新与应用,2017(33):92-93. [7]詹志鹏,秦超凡,张小水.纸质低成本电化学CO气体传感器[J].电子技术与软件工程,2017(21):102-103. [8]余健.便携式多气体浓度检测仪设计[D].郑州大学,2016. [9]王秋花.基于电化学传感器的多组分气体浓度检测仪[D].西安理工大学,2010. [10]乔忠.便携式气体检测仪的设计与研究[D].郑州大学,2016. [11]王博.便携式甲醛气体检测仪的设计与实现[D].西安电子科技大学,2015. [12]邓岩.基于新型传感器的便携式气体检测仪[D].江西师范大学,2016. [13]张彤.基于STM32的便携式多气体检测仪的研究与设计[D].齐齐哈尔大学,2015. [14]赵灵远.基于ADuC7060多功能手持式气体检测仪的设计[D].西安工业大学,2015. [15]崔乃超.便携式矿用多参数气体探测器设计[D].哈尔滨理工大学,2014..

第二篇:数字摄影测量系统实验报告

专业:测绘工程

姓名:刘吉羽

学号:20083108011

2一.实验目的:

体会数字摄影测量系统进行立体测图的主要功能及主要作业步骤。从像对的内定向,相对定向,绝对定向到自动绘等高线,绘地形图等。

二.理论基础:

1.摄影测量系统的主要功能:

数字摄影测量系统是用来实现数字影像自动测图的系统。它除了可以胜任解析测图仪可完成的一切任务外,尚具有许多新的功能,如影相位移的去除,任意方式的纠正,反差的扩展,多幅影像的比较分析,图像识别,影像数字相关以及数据库的管理等等;通过显示器还可观察数字图像以及框标,控制点,DEM及其他所需特征;在空中三角测量中通过附加参数由自检校确定的系统误差的改正数可直接赋给图像,从而最终改善结果的精度;可转换成透视图像;可进行立体显示;可对图像自动进行所需要的特征提取,生成数字正射影像,数字高程模型或直接为机器人视觉系统服务等等。

2.VirtuoZo软件概况:

Virtuozo是武汉测绘科技大学全数字化自动测图系统WuDAMS的商品化名称,是国际同类五大著名软件系统之一。其核心技术处于国际领先水平。其主要功能为从输入的数字地面模型制作带高线的正射影像图与三维立体模型与交叉式全自动地物量测,可用于摄影测量、遥感与地理信息系统的数据采集与更新、测图与地图修测等。

三.实验步骤

1. 数字摄影测量数据准备

相机参数:应该提供相机主点理论坐标X0、Y0,相机焦距f0,框标距或框标点标 控制资料:外业控制点成果及相对应的控制点位图

航片扫描数据:符合VirtuoZo图像格式及成图要求扫描分辨率的扫描影像数据。VirtuoZo可接受多种图像格式:如TIFF、BMP、JPG等。一般选TIFF格式。

2. 建立测区与模型的参数设置

要建立测区与模型,VirtuoZo系统要设置很多参数,这些参数需要在参数设置界面上逐一设置。如测区(Block)参数、模型参数、影像参数、相机参数、控制点参数、地面高程模型(DEM)参数、正射影像参数和等高线参数等。其中有些参数在VirtuoZo系统中有其固有的数据格式,

需要按照VirtuoZo规定的格式进行填写,如相机参数、控制点参数等。

3. 航片的内定向、相对定向与绝对定向

内定向:建立影像扫描坐标与像点坐标的转换关系,求取转换参数;VirtuoZo可自动识别框标点,自动完成扫描坐标系与相片坐标系间变换参数的计算,自动完成相片内定向,并提供人机交互处理功能,方便人工调整光标切准框标。

相对定向:通过量取模型的同名像点,解算两相邻影像的相对位置关系;VituoZo利用二维相关,自动识别左、右像片上的同名点,一般可匹配数十至数百个同名点,自动进行相对定向。并可利用人机交互功能,人工对误差大的定向点进行删除或调整同名点点位,使之符合精度要求。

绝对定向:通过量取地面控制点或内业加密点对应的像点坐标,解算模型的外方位元素,将模型纳入到大地坐标系中;①人工定位控制点进行绝对定向。相对定向完成后(即自动匹配完成后),由人工在左、右像片上确定控制点点位,并用微调按钮进行精确定位,输入相应控制点点名。每个像对至少需要三个控制点,一般为六个。定位完本像对所有的控制点后,即可进行绝对定向。②利用加密成果进行绝对定向。VirtuoZo可利用加密成果直接进行绝对定向,将加密成果中控制点的像点坐标按照相对定向像点坐标的坐标格式拷贝到相对定向的坐标文件(*.pcf)中,执行绝对定向命令,完成绝对定向,恢复空间立体模型。

4. 同名核线影像的采集与匹配

非水平核线:非水平核重采样是基于模型相对定向结果,遵循核线原理对左右原始影像沿核线方向保持X不变在Y方向进行核线重采样

水平核线:水平核重采样使用了绝对定向结果,将核线置平

两种核线的区别:非水平核重采样所生成的核线影像保持了原始影像同样的信息量和属性,因此当原始影像发生倾斜时,核线影像也会发生同样的倾斜,而水平核线避免这个倾斜情况。两种不同的核线形式匹配结果是迥然不同的,在实际作业时,一定要保证每个作业步骤使用都是同一种核线影像。(建议一个测区都使用一种采样方式)

影像匹配:影像匹配是数字摄影测量系统的关键技术,是沿核线一维影像匹配,确定同名点。 生成核线影像。完成了模型的相对定向后就可生成非水平核线影像,但是要生成水平核线影像必须先完成模型的绝对定向。核线影像的范围可由人工确定,也可由系统自动生成最大作业区。影像按同名核线影像进行重新排列,形成按核线方向排列的核线影像。以后的处理,如影像匹配、等高线编辑等,都将在核线影像上进行。

影像匹配。按照参数设置确定的匹配窗口大小和匹配间隔,沿核线进行影像匹配, 确定同名

点。计算机进行自动匹配的过程中,有些特殊地物或地形匹配可能会出现错误,比如:影像中大片纹理不清晰的区域或没有明显特征的区域。如:湖泊、沙漠和雪山等区域可能会出现大片匹配不好的点,需要对其进行手工编辑;由于影像被遮盖和阴影等原因,使得匹配点不在正确的位置上,需要对其进行手工编辑;城市中的人工建筑物,山区中的树林等影像,它们的匹配点不是地面上的点,而是地物表面上的点,需要对其进行手工编辑;大面积平地、沟渠和比较破碎的地貌等区域的影像,需要对其进行手工编辑。匹配结果会影响以后生成的DEM的质量,所以进行匹配结果编辑是很有必要的 ,实习过程如图17所示。

5. DEM、DOM与等高线等数字产品的生成

数字地面高程模型(DEM):数字地面(高程)模型(Digital Elevation Model);数字正射影像(DOM):数字正射影像模型(Digital Ortho-Image Model );

VirtuoZo 系统根据影像匹配后产生的视差数据、定向处理后得到的结果参数以及用户为建立 DEM 所定义的参数等,自动建立 DEM。VirtuoZo提供两种生成数字地面高程模型的方法。

(1)直接利用编辑好的匹配结果生成地面高程模型,如图20所示。(2)进入DEMMaker模块,利用特征点、线、面构成三角网,内插生成DEM,如图21所示。

数字地面高程模型(DEM)是制作正射影像的基础。当DEM 建立后,既可自动内插生成相应的等高线影像。也可以进行正射影像(DOM)的生成,利用上面生成的单模型的DEM生成该模型的正射影像。

6. 基于立体影像的数字化测图(IGS数字测图)

交互式数字影像测图系统(Interactive Graphics System,IGS)是利用计算机代替解析测图仪、用数字影像代替模拟像片、用数字光标代替光学光标,直接在计算机上进行数字化测图的作业方法。在立体或正射影像上进行地物数据采集和编辑,生成数字测图文件(*.xyz),在匹配预处理中被叠加到了立体影像上,然后参与影像匹配,设置作业环境,就可进行地物量测和图素编辑等。

7.多个模型的拼接、成果图输出

一个测区不只有一个模型,它可能是有很多模型组成的,前六部分的处理均是单模型处理,我们可以得到每个模型的DEM、DOM、等高线等成果。要得到整个测区的成果数据,还需要进行拼接操作。

四.实验总结

总体来说,通过几次的上机实验,熟悉了VirtuoZo软件的基本功能,对于图象的内定向相对定向以及绝对定向有一个明确的认识,同时学会了立体测图的操作过程。经过实验和考核,意识到要较好的完成该实验,准备工作即控制到的采集和测量至关重要,因为控制点的数据

质量好坏直接决定相对定向的残差结果。上机操作过程中,操作步骤要明确并且不能随意颠倒,否则可能出错或者达不到想要的结果。在考核的时候也是做了很多次才成功,每次都是换了电脑就不行了。原因就是自己对于步骤的顺序不够仔细不够熟练,所以会出现许多未预料的错误。

第三篇:激光三角法测量钢板厚度光学系统设计

光学系统设计论文

目 录

摘 要….......................................................................................................................... 第一章 引言.................................................................................................................. 1.1研究的背景和意义 ........................................................................................... 1.2 国内外研究现状................................................................................................ 1.2.1 国外发展现状............................................................................................. 1.2.2 国内发展现状............................................................................................... 第二章 测量原理及方案论证..................................................................................... 2.1 设计任务分析..................................................................................................... 2.2 测厚技术简述 .................................................................................................... 2.3 激光三角法测量原理........................................................................................... 2.3.1激光三角法测量的类型和区别.................................................................... 2.3.2激光三角法测量的基本原理........................................................................ 2.4 沙姆条件…………………………………………………................................ 2.5 测量模型及方案论证…………………………………………........................... 第三章 光学系统设计.................................................................................................... 3.1总体结构布局....................................................................................................... 3.2光源...................................................................................................................... 3.3聚焦系统与成像系统........................................................................................... 第四章 误差与精度分析................................................................................................ 4.1 误差分析............................................................................................................... 4.1.1光学系统误差分析......................................................................................... 4.1.2随机误差分析................................................................................................ 4.2 精度分析 ............................................................................................................. 第五章 总结.................................................................................................................... 参考文献.........................................................................................................................

摘要

在科学技术迅速发展的今天,外形尺寸的测量一直是工业生产中的一个重要环节,厚度测量更是人们关注的焦点。在测厚领域里,采用激光三角法这一典型的非接触式测量方法对物体的厚度进行绝对测量不仅能满足测量的实时性,还能保证测量的高精确度,这种测量方法已经成为工业生产的发展趋势。本文所提出的基于激光三角法厚度在线测量技术采用双光路半导体激光技术与直射型激光三角法相结合,同时对平板物体进行厚度的在线测量。

文中主要包括总体方案的设计和由此涉及的关键技术、测量原理、精度与误差、实验等几个部分,本课题提出的基于激光三角法厚度绝对测量研究,是集机、电、光、计算机等技术于一体的精密测量方法,它的主要组成部分是:激光器、聚焦系统和成像系统、光电转换器件CCD及计算机数据处理部分。这里由于是只对光学系统进行设计,所以本文主要论述的是光学系统部分的任务分析,测量原理的理论分析和计算方法,并对光学系统可能产生的误差进行分析,并对于个别误差提出相对应的解决措施,以提高测量精度和测量速度。全文的主要内容分为四章:

第一章:引言,主要介绍了钢板测厚的重要性,由于主要采用的是激光三角法进行测量所以主要介绍以及激光三角法在非接触测量中国内外的发展现状及应用前景。

第二章:测量原理,激光三角法测量的不同类型,通过对比,进行选型;简述激光三角法的测量原理,我们所设计的光学系统的测量模型和方案论证。

第三章:首先介绍了总体结构的布局,然后对光学系统的光源、聚焦系统及成像系统进行设计。

第四章:对光学系统在测量过程中可能产生的误差进行了分析,并对一些误差提出了解决方案以提高测量的精度及速度。

第五章:总结,文章的最后进行了全文的总结,并提出了在设计过程中的不足之处,讲述了自己在设计过程中的心得体会。

第一章 引言

§1.1研究背景和意义

现如今,工业发展的水平可以近似直接代表着国民经济的整体实力水平,因此工业的生产技术水平对国民发展有着重要的意义。钢板是造船、桥梁、机械、汽车行业中不可缺少的原材料,在轧钢生产过程中钢板尺寸是很重要的参数,直接决定着钢板的成材率。传统的检测方法是采用检测头与待测钢板直接接触来测量,这种测量方法检测效率低,劳动强度大,而且会使测量仪器的检测头发生磨损,从而造成仪器的测量精度下降。因此,在现代板材生产中,不论是轧制过程中还是最终产品的调整中,为获得较高的板材命中率和最佳的轧制过程及剪切效果,板材尺寸测量系统已成为生产线上不可缺少的设备之一。宽度偏差每减少1mm,成材率就可以提高0.1%左右,因此尺寸控制技术可显著提高经济效益和产品竞争力。

目前,我国大部分企业仍在延用传统的测量方法,采用接触式的测量方式,技术相对落后,而且在处理复杂的零件时显得无从下手。这种情况严重地影响了工作的效率与工作的质量,为此应加大力度地发展测量的新技术来解决传统测量方式不能处理的问题,以适应现代生产发展的需要。随着工业生产技术的不断提高与更新,这种非接触式的测量方法能够满足对测量所要求的精确度与实时性,己经成为这一领域的发展趋势。再加上电子技术与光学技术的飞速发展,光电检测这种综合多种技术的测量方法成为非接触式测量的重要手段。本文所提出的激光三角法是光电检测技术其中的一种。这种方法在检测长度、距离以及三维形貌的用途中因其具有结构简单、响应速度快、实时处理能力强、使用灵活方便等优点显得更具优势。这种方法已经在测量位移、表面形貌等检测工作中取得了很好的效果,并且会扩展更广阔的使用空间,发挥其优势,推动工业检测技术的发展。

§1.2国内外研究现状

自上个世纪60年代激光测微仪的诞生,这种商品被大力的发展与生产,性能得到不断的改善,应用领域也被扩展的更加广泛,成为一种重要的非接触式检测仪器。国内外也有不少企业在做这方面的技术,一般分为直射式与斜射式两种形式。直射式的产品有基恩士公司生产的LS系列和LK系列,德国Micro-Epsilon

公司的optoNCDT系列,美国MT公司的MicroTRAK系列等多种型号;斜射式的激光位移传感器以日本Keyence公司的LK系列最为突出。表1-1列出了目前市场上常见的几种激光三角位移传感器的技术指标[6]。

表1-1 激光三角位移传感器的技术指标

[8]

1.2.1国外发展现状

在欧洲以及美国等发达国家很早就致力于激光三角法测量平板厚度的基础理论研究及测量仪器的研制,并且己经为此投产,生产出了一系列相对比较完善光电检测产品,尤其是在日本和德国,光电子技术的发展的速度非常快,应用也相对的更为广泛一些,所以国外在厚度检测这一方面的发展有着很迅猛的速度,拥有光源照明技术和光电检测元件的种类非常齐全,光电检测技术也很成熟。例如:日本的Mot1toshiAndo等人运用光三角方法印制线路板的线条检测,用这种方法还可以检验出工件表面的划痕和裂痕;英国剑桥大学的Roert Johnes等人将该方法用于涡轮叶片及飞机机翼断面检测,在10mm范围内精度可达2-

5;西德早已报道把激光光学三角测量技术和装置用于随线控制,它既可测量钢板的厚度,又可测量钢水的高度;日本的安立一岩通公司推出的通用型激光厚度位移计ST-370型的

1、

2、3系列。国外各大公司在光电检测技术中的突出表现代表了目前光电检测技术的一个发展程度,同时也预示着光电检测技术更广阔的发展空间。

1.2.2国内研究现状

虽然国内在光电检测技术上的起步较晚,但是鉴于传统的接触式测量技术有

着较大局限性,行内的技术人员早已注重了对于新型测量方式—非接触式测量技术的研究,使其技术在国内迅速发展,并且取得了一些相对比较好的成果。例如:1987年8月由电子工业部第二十五研究所的陈为民、卞海洋等人研制成功的激光测厚仪采用激光双三角测量原理,由激光器!视频信号处理器、微机等组成;1991年,中国科技大学的金泰义、李胜利等人开发研制出了JW—1型CCD激光测微仪,它以半导体激光器为光源,通过CCD进行信号接收,接受的数据送入计算机进行处理。这种测微仪是光、机、电一体化的典型事例,是光电检测方面研制的比较早的CCD激光测厚仪,采用光电藕合器件CCD实现,整体系统的技术水平在当时的国内己经体现了检测技术的最高水平;长春光机所研制的基于光学三角测量原理的激光非接触探头结构简单,体积小,重量轻,测量精度高,速度快;安徽工业大学电信学院的章小兵在研究了板材在线测厚时就用的激光三角法并叙述了激光三角法测厚的原理[1],对板材在线测厚系统进行了硬件设计和软件设计并给出了系统测量指标。与此同时,例如计算机视觉测试技术等新型技术都是在以激光三角法为理论基础的研究上发展起来的。

§1.3展望

通过大量的检索查新国内国外文献资料,可以发现目前我国光电检测仪器与工业发达的国家相比,我国的光电检测的仪器产业还不够成熟。我国主要报导的多,实际设计应用的少。从减小测量误差、提高测量有效速率方面与发达国家的产品设计还是存在一定的差距的。特别是本文涉及的以激光技术激光三角检测技术、光学系统设计和计算机技术相结合对平板进行绝对测厚的技术在国内鲜少报道。

第二章 测量原理和方案论证

§2.1设计任务分析

由于在生产线从加热炉出来,经轧辊机轧制的钢板,温度很高,一般在900℃左右,呈现红色或暗红色。为了更快更准确的获得钢板尺寸数据,得到最佳的轧制过程及剪切效果,需要实时在线采集钢板尺寸信息,并及时显示出来,以便于操作工人及时调整轧机或者印制尺寸标识。所以我们根据实际应用需求,要求所设计的测量系统必须可以进行非接触式的在线测量,为了简化设计难度,在设计要求中假设是在钢板冷却后再进行测量。所需测试的钢板的厚度为5±0.05mm, 精度要求为±1%。

§2.2测厚技术简述

测厚技术通常都是以非接触式检测方法为主,按照测量原理和使用的传感器类型来分,大致可分为激光三角法、电容法、射线法、超声法等。这里我们选用的是激光三角法测厚度,所以其他测量方法就不做过多的赘述。

激光三角法利用探头中的激光器发射出激光,入射到电荷藕合器件CCD或位置检测器PSD作为接收器,通过在接收面上的像点经过位移变化,再通过计算公式计算出被测面的位移。本系统就是采用这种双激光三角法进行厚度测量,其原理示意图如图2.1所示。

图2.1双激光三角法厚度测量原理示意图

激光三角法在测厚领域里已经日趋发展成熟,通过光学系统、机械系统、电路系统三者有机的结合,已经有一系列的测厚仪器问世;同时在近几年中,应用激光三角法,结合电荷耦合器件CCD,应用两个探头同时进行厚度测量,使测厚技术己经逐步向于动态、实时化测量,自动、程序化数据处理方向高速发展。

§2.3激光三角法测量原理

根据前文所述的任务分析,我们选择采用具有分辨力高、测量精度高、稳定性好、非接触测量、可实现在线检测、测量仪器体积小等特点的激光三角法,来实现位移测量的。尽管常用的微位移检测的方法有很多种,例如机械法、电学法、光学法等,但都无法与激光三角法匹敌,激光三角法是位移检测方法的发展趋势,具有广阔的应用前景。

2.3.1激光三角法测量的类型及区别

(1)反射型与投射型

激光三角法光路按检测方式分为反射型与透射型本系统采用的就是反射型的激光三角法,通过激光在被测对象的表面发生反射,接收到被测信息。而对于一些特殊材料的被测工件如透明物质,由于其表面非常光滑,用反射型会对测量产生一定的影响,则可以采用透射式激光三角法,通过激光器发出的光线透过被测工件再投射在光敏面上而获取测量信息。 (2)单束光和片光

按入射光束的形态来分,又可分为单束光和片光。顾名思义,若单束光入射的话,光斑小、光的强度高,但是广度不够,如果片光入射则需要采用激光透射光条与一个面阵探测器组成,通过光切法,也称结构光图像法,能一次获取一条扫描线上的数据。本系统采用的是单束光入射测量。 (3)直射型和斜射型

若按入射光线与被测工件表面法线的关系来分,可分为直射式和斜射式。对于直射式,就是光束垂直入射到被测物表面,采用漫反射光进行测量,当物体纵向移动时,所测的始终是同一个被测点;斜射式的入射光束则与被测物表面形成一定的角度。

斜射型:如下图2.2所示,入射光束与被测物面成一夹角,利用反射到探测器件CCD的像点位置变化测量物体的位置厚度,当物体纵向移动时,所测的被测点会随移动发生改变,当测量平滑物体如玻璃、镜面时要比直射型的测量精度高很多。斜射式入射光照射在物体的不同位置,当被测物体移动时,光点的位移不能直接得到,要通过角度计算得出。斜射式分辨率很高,但测量范围较小、体积较大、光斑较大,所以在此不符合本系统体积的要求。

图2.2斜射型示意图

直射型:如下图2.3所示,激光器发出的入射光束垂直于成像透镜光轴O,光敏面与成像物镜O平行,被测点的位移与光电探测器上光斑的位移为线性关系,可用于测量相对或绝对位移,但其光敏面要求很大,而且被测点在成像面的像并不清晰,因此测量精确度不高。光斑较小,光强集中,体积较小,并且不会因被测面不水平而扩大光斑是直射型三角法的最大优点。但由于直射型接收的是散射光,当测量到较为平滑的被测面时,散射性能较差,使光电探测器件CCD接收到的散射光光强小,对测量产生影响,令测量过程受到阻碍,测量精度受到影响。

图2.3直射型示意图

2.3.2激光三角法测量的基本原理

通过上述对激光三角法测量的类型及区别的论述,及我们设计任务需求的分析,综合考虑我们选择了单束光入射,光路检测方式为反射型,光束垂直入射到被测物表面,采用漫反射光进行测量的直射型激光三角法对钢板厚度进行测量。 (1).传统的激光三角法

传统的激光三角法基本原理如图2.4所示,采用直射型,光电探测器采用的是CCD,当散射光通过成像透镜时,如果将CCD以垂直于激光束入射的位置进行安装耦合,则成像到CCD上的光点会由于没有完全聚焦而出现弥散斑,测量并不完全。

图2.4 激光三角法的基本原理图

于是为了光点所成的像在接收器表面上每一点都清晰,则要求透镜光轴与接收面之间必须形成一定的夹角,所以我们选用CCD接收器为倾斜式的方式,即完全聚焦的激光三角法测量,如图2.5所示。

图2.5完全聚焦的激光三角法示意图

图中PO为入射光源,光线经准直透镜后垂直入射到物体表面,反射后经过成像透镜中心点M成像在CCD接收面上,入射光PO与反射光以的夹角为θ,反射光OA与CCD成像平面的夹角为,P点成像于CCD平面上的B点,O点成像于CCD平面上的A点,由图中可知,P点与O点高度不同,所成的像投射到光敏面上的位置也是不同的,设O点所在平面为基准面,A为CCD成像平面上的成像基准点,则光线PO上的点与CCD平面上的投影点是一一对应的。因此,只要知道光线PO上的任何一点在CCD成像面上的位置就可以求出该点的高度信息。由图2.5,可列出以下关系式

(2.1)

由公式(2.1)可推出

(2.2) 式中:

PO一一物点的高度信息; AB一一P点在CCD成像平面的成像点与成像基准点A的偏移量 OM一一O点成像PO物距; MA一一O点成像像距; 激光束垂直投射到被测物面,所形成的漫反射光斑作为传感信号,用透镜成像将收集到的漫反射光会聚到像平面的光接收器上形成像点。当被测物面移动时,入射光斑也会随之移动,像点也会在光接收面上做相应的移动,根据像移大小和系统结构参数可以确定被测物面的位移量,从而还可以获取其它方面信息。本系统中,为使光接收器上的像点不存在盲点,光接收器的光敏面必须与成像光轴成一夹角。这样既可以保证入射光斑与其像斑位移具有的关系精确,还可以使成像点最小,有利于提高测量精度。同时为了提高测量精度,和θ必须满足沙姆

(Seheimpflug)条件,即

,如图2.6所示[5]:

图2.6物一像位移轨迹图

图中d0为基准点的物距,di为基准点的象距,O’为O经成像透镜的像点,A、B分别为a、b经成像透镜的像点,θ为光入射角, 为成像角,l为成像透镜,焦距为F。

当激光光束照射到a点时,由图3.7可知:

由相似三角形△ao1l△l得:

令 则由式(2.3),

同理可推得,当物面由O至b时

(2.3)

(2.4)

(2.5)

(2.6)

可化简为

(2.7)

(2.8)

(2.10) (2.9)

(2.4)

综合上面可得, 式中,符号“+”对应于图2.6由o移至b,符号“─ ”对应物面由o移至a。 式中,符号“+”对应于图2.6由o移至a,符号“─ ”对应物面由o移至b。

(2.12)

(2.11) 由Z-I关系公式可得Z-I关系曲线,图2.7所示。从图中可以看出I该曲线为非线性曲线,只有当物面在O点附近较小范围移动时,上述曲线可近似按线性关系处理。

图2.7 Z-I非线性关系曲线

§2.4 Scheimpflug Condition(沙姆条件) 被测物表面,镜头平面和影像的平面在一个共同点上相交的光学状态称沙姆条件,即在直射型激光扫描测量中,当入射光斑沿激光束方向位移时,其成像点在像平面内沿直线轨迹移动,则激光束轴线!成像透镜主面及CCD像平面三者交于一点,满足高斯条件,这是激光三角测量传感器实现精密测量的前提条件。

§2.5测量模型及方案论证

本课题采用直射式三角法,测量模型的的基本组成有激光器、聚

焦物镜、成像物镜及光敏阵列线阵。CCD其测量原理为激光器发出光的轴线与聚焦物镜的主平面两者同处一个平面上,并与CCD垂直。当激光器发出一束平行光,经由聚焦物镜聚焦在待测物的表面,产生的散射光通过成像透镜成像在CCD光敏面上。CCD将像信号转换为电信号测出其像点的位置。当被测物体沿着法线方向移动时,其表面上光斑会随着聚焦物镜的位置变化而发生改变,相应地,像点在光敏器件CCD上的位置也要发生变化,精确地测量像点在CCD上的位移x,就可以得到被测物体的位移量。由于是绝对测量,所以采用激光上下表面双三角法,准确的测量运动物体的厚度。如下图5.1所示,图中a为散射光接收角,θ是成像角,d0为参考点处的物距,di为像距,d为上下两参考面之间的距离,x是物位移,x’为像位移。

图2.8 激光三角法测厚原理图[2]

(2.13) 由上图可得光学关系式: 式中 β一一成像透镜的放大倍数

上、下物面相对的移动距离为x1和x2,两CCD上的像点移动至x’11和x’21,像点移动距离

,

。根据几何关系,有

因此,

(2.14) 由于上下探头完全对称,同理可得

(2.15)

其中

在后,C1与下探测头测得像点位移量件的位移量x

1、x2,物件厚度为

探头参数确定C2为定值,当上

后,按公式(2.14)、(2.15)式计算便可得到物

第三章 光学系统设计

§3.1总体结构布局

3.1.1系统的组成

系统由以下几大部分组成:激光发射器,光三角位移检测系统,计算机数据处理系统,工作台。

图3.1 测量系统方框图

1.激光测头部分

由激光发射器组成的光源系统、聚焦光源的准直系统、接收光信号的激光成像系统构成,由于本设计测量为绝对厚度,所以我们采用两个激光探测头。 2.光三角位移检测系统

本文采用激光三角法原理设计的测厚系统,用线阵CCD作为光电接收器件,通过物面的位移由此检测出在感光面上成像点的位移,通过计算得出厚度。 3.计算机、实时数据处理与控制系统

计算机数据处理系统是将接收到的光信息转化为数据输入计算机,通过计算机的内部编程结构计算出所求厚度,并显示出测量结果、存贮及打印。 4.工作台

对所测物件进行固定,并使其可按照一定规律、方向、有速度的平稳运动。这种系统主要是由基座、滑台、导向、传动、定位与夹紧结构等组成的。

2.3.2总体结构布局

基于激光三角法原理设计的测厚系统,是通过上述的激光探头系统发出光源,照射在被测物体上,通过光三角位移系统作为信息载体,接收并反馈出所需信息,并经过计算机控制系统进行数据确定,对工件进行测量,则被测工件的绝对厚度可以确定了。根据系统组成,总体结构布局如下图3.1

图3.1总体结构布局

§3.2 光源

目前,激光作为一种新型能源[6],具有单色性好,光亮度极高,方向性强等优点,它在测量,加工等多种领域都有很广泛的应用。在众多的激光器中,氦氖气体激光器和半导体激光器应用尤为广泛。其中氦氖气体激光器具有连续输出激光的能力、结构简单,但体积较大,而半导体激光器具有体积较小、效率较高、驱动功率小等优点,尤其适用于测距。于是为了本设计要求,本文选取了半导体激光器。半导体激光器发出的激光,由于空间相干性好,投射点也相应的变得很小,辐射能量就越小,分辨率就越高,能量密度也随之增大。文中选用的是波长为688nm半导体激光器。在实验中发现,由于选用的激光器发出的激光光强较大,使投射到光电探测器CCD上像点的光斑也随之增大,影响测量系统的分辨率。解决的方法是在聚焦透镜后面放置一块偏振片,通过调节偏振片,改变其旋转方向,对激光器所发出的线偏振光进行过滤,使光束中心光强较强的光束通过过滤,滤除边缘较弱的光,使光束细化,则CCD上像点的光斑减小,提高仪器的测量精度。

§3.3聚焦系统及成像系统

在光路设计中,聚焦系统和成像系统是本设计中的关键环节。整个系统的可靠性在很大程度上取决于聚焦系统和成像系统的准确性。

3.3.1聚焦透镜

激光器光源发出的光尽管光束较细,发散角较小,但仍存在一定的直径,在CCD的光敏面上形成的是一个小光斑,测量精度会由于覆盖光敏面上的光敏元离散而受到影响。另外,当物体表面随法线方向进行移动,位移发生变化时,像点在CCD的光敏面上也作出相应的位置移动,如果像点过大,而CCD光敏面量程一定会影响测量效果,则应尽量缩小投射在CCD光敏面上的像点直径,减小孔径,使像差较小。在本系统中,聚焦透镜的设计不是本文研究的主要重点,则设计中我们采取了结构相对简单、准直效果较好的单透镜聚焦系统。

3.3.2成像透镜

本系统的成像透镜是根据测量系统的分辨率、测量范围、工作距离等要求光

电转换器件CCD本身特性进行设计的。系统测量范围很大时,要求散射光在CCD面上的成像点不能过大。如果测量范围很大,当被测物体移动到测量范围边缘时,光强会随移动而逐渐衰减,所以要根据实际情况调节放大倍率刀的大小。

第四章 误差与精度分析

§4.1误差分析

基于激光三角法的厚度绝对测量试验系统是一个由机械、光学、电子和计算机组成的一个有机的整体,因此在测量实验中所得到的结果中所包含的误差也是由多种误差因素引起的。在这些误差中,有些通过具体计算就可以得到,而有些则需要通过实验标定的方法来进行估算,并且在某些情况下只能求出误差的变动范围,这就是误差极限值。这里主要介绍光学系统的误差分析[4]。 4.1.1光学系统误差分析

在本测量系统中,光学系统的误差主要是指采用的激光器、光学透镜产生的,从测量原理上看,光源方面我们需要采用一种体积小、驱动功率小、使用方便的光源发生器,同时还需要光源的空间相干性好,这样才可以使投射到测量物体上的光斑小,光斑越小分辨率就越高,但是如果光斑非常小,辐射能量就不会很大,导致接收灵敏度就要降低。所以,为了在通过光学系统聚焦后产生较高的能量密度,系统采用了半导体激光器作为光源,这样才能使探头小型化。但是半导体激光器本身也会产生误差[7]。

(l)激光束输出功率的不稳定及噪声影响。激光的功率不稳定将造成光强分布不稳定及激光线宽;噪声影响有很多因素,直接影响测量精度。

(2)激光投影质量的影响。由于被测物体的表面特性、测量环境等因素的影响,激光投影质量也会产生误差。在光学元件方面,被测物体方向与成像系统光轴存在一定的夹角,虽然在实际装调过程中调节,但并不能达到理想角度,所以会产生各种象差(彗差、像散、畸变等轴外像差)使实际成像点偏离理想成像点而产生误差。 4.1.2随机误差分析

基于激光三角法厚度绝对测量的实验系统的随机误差可以主要归纳为以下几个方面: (l)测量装置方面的因素:测量装置采用的CCD探测器在采集信号及电信号处理时会造成随机噪声,在重复测量过程中,会产生离散化采样误差、每次测量时量块的装夹位置也不一致。

(2)测量环境方面的因素:测量主机所在的平台会有外界所带来的轻微的低频震动;仪器所在的实验室气流和温度会有波动,以及空气中尘埃的漂浮等。

(3)操作人员方面的因素:尽管仪器自动采集与处理数据,但测量标准样件是由操作人员装夹并调整操作的,会使被采集的图像分辨质量差、造成较大的离散化采样误差;以及工作人员可以被当做热源引起气流的扰动。

随机误差是一种随机变量,它具有随机变量固有的统计分布规律。设被测量值的真值为x0,各次测量值为xi,若xi中不含有系统误差,则根据对随机误差δi的定义有:

δ

i

= xi - x0

对于一组测量数据,往往用标准差来表述这组数据的分散性。如果这组数据是来自于某测量总体的一个样本,则该组数据的标准差是对

总体标准差的一个估计,称其为样本标准差。

其中该公式中的Vi = Xi−X0定义为残余物差即残差。

§4.2精度分析

本系统采用的是精度很高的传感器,但理论上,仪器的内部还会存在测量误差。这里同样主要介绍光学系统方面[3]。 1.测量系统方面

(1)光学系统的像差会使物体上任一点发出的光束通过光学系统后,不能汇聚在同一点,而是形成一个弥散斑并不能表现出原物的形状。相应的改进方法是在接受透镜的设计中要考虑像差的因素。 (2)光信号的输入与电信号的输出之间呈非线性,相应的改进方法是采取较优的标定方法,之后得到具体的物体位移值。 2.被测物体方面

(l)被测表面的粗糙会对测量精度产生影响,相应的改进方法是多选取几块标准量块进行多次测量,对于有时被测表面产生的阴影和死区,采取两个激光探头发出的激光从相对的两个方向同时对被测物进行扫面,使用单光源、双检测器,最后通过计算融合数据。

(2)由于被测物不总是标准量块,表面会有孔或者缝,使得传感器不能很好的接收反射光。相应的改进方法是采取对称性的光学三角传感器。

(3)被测表面会有材料、光学性质的差异,如透明物体,物体对光的反射或吸收程度会不同于半透明的物体,也不同于不透光的物体,反射率与折射率等因素会引起成像光斑有像差。改进的方法是使传感器的入射透镜和接收透镜的光轴所成的平面与待测表面平行,接受足够的光强,这有利于提高测量分辨率。如果是高度镜面反射则需要采用线偏振光作为光源,利用线偏振光的参数随镜面反射改变。 3.环境影响方面

在温度方面,只能人为的保持周围环境温度稳定,在使用仪器时进行预热;在气流运动方面,使用保护罩保护测量头或者使用风扇更强的搅动测量部分与工件之间的空气;同时在灰尘与污物方面,采取小心的清洁。为了减小环境对系统的影响,要在接收物镜和线阵CCD之间安置一滤光片(激光器发出的红光波长为650nm,其透过率可达百分之九十多,而其它波段的光几乎可以全部滤掉)。同时在激光器和聚光镜之间安置孔径光阑,以减小光斑直径。本系统采用上下探头同时测量,可以消除测量过程中盲区的出现。当被测面有一定的倾斜角,也可以通过两个探头对测量进行补偿,这种测量方法就可明显提高传感器的测量精度。

第五章 总结

激光三角法是本系统采用的基础方法,在现代工业发展的今天,激光三角法是非接触测量中最常用的方法,具有很广的应用范围。应用此种方法可对各种类型物体进行诸如物体表面形貌、厚度、三维等微位移的测量。由于激光三角法具有结构简单、测试速度快、实时处理能力强、使用灵活方便等优点,所以在这里我们将激光三角法作为本系统所采用的基础方法对钢板进行非接触式在线测量进行光学系统的设计,同时对光学系统在测量过程中可能产生的误差进行了表述,并对一些可能影响测量精度的问题提出了修改方法和意见。

不足之处,由于时间紧迫并没有搭建试验装置进行模拟测量,并对测量数据进行误差分析,提出改善方案。并没有通过Zemax等软件设计对光学系统的聚焦透镜和成像透镜进行模拟光路的设计。

体会:光学仪器设计在设计时需要整体的结构考虑,不能只是一味的进行光学系统的设计,在仪器的设计中通过模拟软件或装置模拟搭建来获取数据进行误差分析也是光学系统中非常重要的一部分,通过对测量数据的误差分析我们还需要进一步的对所设计的仪器装置,系统部件参数选择进行优化,以更好的实现设计任务要求。在设计时我们要因地制宜,对要设计加工的对象,作业环境,操作流程特点进行分析,这样才能使我们所设计的系统更具有实用性,高精度和高稳定性等特点。

参考文献

[1] 章小兵.激光三角法测厚研究.中国科学院安徽光学精密机械研究所硕士学位论文,1999 [2] 王晓嘉.高隽.王璐.激光三角法综述.仪器仪表学报,2004 [3] 王军红.江虹.毛久兵.一种提高激光三角法薄板在线厚度测量精度的方法,2011 [4] 黄战华.蔡怀宇.李贺桥.张以谟.三角法激光测量系统的误差分析及消除方法,2002 [5] 迟桂纯.激光三角法微位移测量技术[J].工具技术.1997 [6] 周炳昆,高以致.激光原理[M].北京:国防工业出版社,2000

[7] 黄战华,蔡怀宇,三角法激光测量系统的误差分析及消除方法,光电工程,2002 [8]汤思佳,基于激光三角法厚度绝对测厚技术研究.[硕士学位论文].长春理工大学.2010

第四篇:我国工程测量中常用的坐标系统

我国常用的坐标系统

1、WGS84坐标系

WGS84椭球参用国际大地测量于地球物理联合会第17届大会所给出的推荐值,其中:a=6378137

f=1/298.257223563

坐标原点是地球的质心

Z轴指向BIH1984.0定义的协议地球极方向,X轴指向BIH1984.0的零度子午面和赤道的交点,Y轴于Z、X轴构成右手坐标系

2、BJ54坐标系

该坐标系源自于原苏联采用过的1942年普尔科夫坐标系。

该坐标系采用的参考椭球是克拉索夫斯基椭球,该椭球的参数为:a=6378245 f=1/298.3BJ54坐标系的缺点:

a、克拉索夫斯基椭球参数同现代精确的椭球参数的差异较大。

b、椭球定向不十分明确,椭球的短半轴既不指向国际通用的CIO极,也不指向目前我国使用的JYD极。参考椭球面与我国大地水准面呈西高东低的系统性倾斜。

c、该坐标系统的大地点坐标是经过局部分区平差得到的,因此,全国的天文大地控制点实际上不能形成一个整体。

3.XIAN80坐标系

1980年西安大地坐标系统所采用的地球椭球参数采用了IAG 1975年的推荐值,它们是:a=6378140f =1/298.257

大地原点:我国中部陕西泾阳县永乐镇。

椭球的短轴平行于地球的自转轴(由地球质心指向1968.0 JYD地极原点方向),起始子午面平行于格林尼治平均天文子午面,椭球面同似大地水准面在我国境内符合最好,高程系统以1956年黄海平均海水面为高程起算基准。

因1980年国家大地坐标系天文大地网整体平差,而1954年北京大地坐标系属局部平差,使两系统的坐标值存在偶然差(也包括局部性系统差)。两系统间的差异,使地形图圈廓线位置发生变化,按1980年国家大地坐标系测的图与按1954年北京坐标系测的图,在接边处会产生裂隙,这给实际工作带来不便。经分析,差值主要来自椭球参数和定位改变而产生的系统差部分。

4、新BJ54坐标系

为此,有关部门提出,将全国天文大地网整体平差的结果,通过1980年国家大地坐标系的定位参数dX、dY、dZ(表示克拉索夫斯基椭球中心相对于1975年国际椭球中心的三个坐标分量)和与克拉索夫斯基椭球参数da、dα,整体换算到克拉索夫斯基椭球体上,形成一个新的坐标系。有称为54向80过渡坐标系,有的称1954年北京坐标系(整体平差转换值),但习惯上称新1954年北京坐标系。

椭球的几何参数与克氏椭球一样,而定位与定向的依据又完全与80坐标系一样。

新54与旧54比较:两系统同一点坐标的不同主要是由于一个是全国统一平差的结果,另一个是局部平差的结果。

新54与80坐标系比较:两系统同一点坐标的不同主要是由于两系统定义不同产生的系统差。

第五篇:基于嵌入式Linux的磁场测量系统

1 引言

随着科技的发展,嵌入式操作系统在越来越多的领域发挥着重要的作用,目前已成为产品技术水平的标志之一。其中Linux因为其拥有开放性、多用户、多任务、良好的用户界面、丰富的网络功能、可靠的系统安全和良好的可移植等特性被广泛的应用到仪器测量设备中。

传统的磁场测量设备(持斯拉计、高斯计)普遍存在精度低(典型测量精度为1.5%)、操作不便等缺点。本文提出一种基于嵌入式Linux的中频磁场测量系统,它不但可以满足当前磁场测量数据采集的需要,还因为其嵌入了操作系统Linux,使具有可靠性好、升级方便的特点,既提高了磁场测量的准确性,又为仪器的功能升级带来便利。可应用于实验室仪器,医疗仪器,姿态控制,安全检测等需磁场检测的领域。

2 磁场测量系统的硬件结构

磁场测量系统在硬件结构上采用ARM9作为控制器,与信号放大、整流滤波、程控放大等硬件构成了整个磁场测量系统。而且,测量系统还搭配了USB、RS2

32、以太网通信接口,系统通讯能力强,可实现网络连网功能。其硬件结构如图1所示。

·ARM9嵌入式处理器采用三星公司的$3C2410。S3C2410是基于ARM920T内核的16/32位RISC嵌入式微处理器,主要面向手持设备以及高性价比,低功耗的应用。它采用5级流水线和全性能的MMU,同时该芯片集成了大量的功能扩展单元,例如LCD控制器、I2C总线、触摸屏接口、USB接口等。强大的芯片功能简化了系统设计,不但缩小了系统体积,而且提高了系统的可靠性。

·USB、RS232和以太网接口可为系统提供不同的通信方式,适合不同测量环境和条件,以太网接口还可实现系统联网功能。

·在磁场测量系统中,可使用触摸屏简便地对系统进行控制,实现不同显示方式切换、参数设置和测量数据保存等功能。

·磁场测量电压信号部分,由磁场传感器得到微弱的电压信号,经放大整流等措施后输入控制系统。

·报警输出可实现用户自设定报警的上下限值,方便用户测量现场的监控。

3 磁场测量系统前端信号处理模块

磁场测量系统前端传感器采用的测量方法为电磁感应法。电磁感应法是将测量线圈置入交变磁场中,根据法拉第电磁感应定律在线圈的引线间会产生感应电动势,并且感应电动势的大小与穿过线圈的磁通量的大小成正比。感应电动势e为:

测量系统前端信号处理模块的结构如图2所示。

(1)为了实现多路磁场传感器的信号输入,设计中采用片选芯片74HCl5进行通道的选择。通过对74HCl53控制端S0,Sl输入不同的数据组合(00,1O,0l,11),输出端lY和2Y就可实现不同输入通道的选择。

(2)在整个系统的电路设计中,前置放大电路的主要作用是将传感器输出的、和磁场强度成正比的微弱电压信号放大。根据其要求,设计的前置放大电路采用了差动放大的方式,电路如图3所示。它具有高共模抑制比、输入阻抗高、输出阻抗低、失调小、温漂小、线性好等优点。

(3)磁场测量系统对不同的测量对象进行测量时,磁场传感器的感应强度都会不同。要实现不同测量对象自适应量程的切换,必须设计一个放大倍数可调的模块,而且放大倍数的范围应较广。现采用BURR-BROWN公司的PGA202/203程控仪表放大器,该芯片无需外围芯片,而且PGA202与PGA203经级联可组成从l~8000倍的16种程控增益。放大范围可满足系统的需要。

(4)因磁场检测时会受到环境中其它外部磁场的干扰而输出偏移电压,所以在电路设计中设有自动调零电路,在每次仪器使用前进行自动校准。实现方法是在输入端增加一个开关,校准时输入直接接地,测量时输入接传感器。主控制器将接地时的输出记录在数据区中,并将此输出作为零点而实现自动调零。

(5)该仪器检测的是交变磁场,所以对磁场的频率检测是必需的。实现方法是将磁场检测信号通过一个过零比较器变成方波,方波经过二极管将正电压部分送至单片机的输入捕捉引脚进行频率检测。