利用CCD传感器的微位移测量系统.docx

目录摘要21引言31.1课程设计背景31.2课程设计目的31.3基本要求32微位移的系统结构模块42.1 感应模块42.2 转换处理模块：42.3 ED显示模块43.设计原理53.1多次反射原理53.2测量系统原理64.心得体会7参考文献8摘要随着近代工业的迅速发展，微位移测量变得十分重要，且现代工业技术的发展对微位移测量的精度和方式提出了更多更高的要求。因光学测量具有更高的测试灵敏度和准确度，所以得到了广泛的发展。因为其拥有着动态响应快、线性度好、测量范围大、精度高等许多独特的优点，所以得到了更加广泛的应用，有很好的发展前景。为了满足微位移测量的非接触、高精度等要求，本文设计制作了一种基于CCD器件的测微位移系统和传统的微位移测量仪器相比，其精度、误差、灵敏度及稳定度都有较大提高,该系统由硬件和软件两部分组成。硬件电路包括光路部分、光信号检测部分、计数处理及分、信号处理及显示部分。该方法采用多次反射光学放大法对微小位移进行放大，用线阵CCD实现对物体位移前后光板位置的采集，用单片机为核心, 用CCD来检测物体微小位移的变化, 通过 LCD 显示、物体微小位移的变化。首先用CCD一个物体, 将物体的微小位移变化转换成电信号的变化, 再用单片机来处理和控制 LCD 的显示而读出变化的位移量。关键字：CCD 传感器 位移测量1引言1.1课程设计背景微位移测量技术是实现超精加工的前提和基础。到目前为止利用干涉法而制成的干涉仪已经被广泛使用于各种各样的场合，其在进行测量长度时精度就可以判读到波长的 1/20，如果进而利用计算机进行图像处理，还可以达到百分之一波长的精度，但是干涉法测量存在结构复杂、测量范围小、价格昂贵等缺点。如果采用一般精度的线阵 CCD作为光电接收器件的改进方案，理论分析表明其测量精度能够达到纳米量级，具有量程大，灵敏度高，结构简单的优点。1.2课程设计目的利用CCD传感器、A/D转换、单片机、LED设计一个智能微位移测量仪测量系统1.3基本要求测量范围-10MM到10MM2微位移的系统结构模块2.1 感应模块把反射镜2和被测物体相连作为被测镜，物体移动时就带动反射镜一端上下移动。数据采集和处理部分完成光电信号的转换和数据的采集与处理，包括线阵 CCD驱动电路，数据采集卡和单片机。激光光斑经过光学装置后，照射在CCD光敏面阵列上，CCD把入射光强转换成电信号，产生的输出信号就反映了光斑的位置，分别得到光斑移动前后在CCD上对应的位置，就得到了光斑移动距离。对线阵CCD的要求是：灵敏度高，动态范围大，暗电流小，光谱范围满足测量要求。CCD高灵敏度、高速率和宽动态范围的应用需求，需要对噪声进行处理。 CCD信号的噪声处理，就是要尽可能消除这些噪声干扰，而又不损失有用信号，保证在其工作动态范围内，图像信号幅度对目标亮度呈线性变化，以便准确地提取出各像元中的信号成分。为了滤除噪声的影响 ,可以采用高斯滤波器完成对噪声的滤除。高斯滤波器的基本思想是用像素相邻域的加权平均值来代替该点的像素值，而每一邻域像素点的权值是随该点距中心点的距离单调增减的，这就避免了平滑运算造成的图像失真。2.2 转换处理模块：数据采集卡选用与线阵CCD相配套的，他可以将CCD输出的模拟电信号进行A/D转换并且它也包含了线阵CCD的驱动电路，省却了使用者电路设计的麻烦。通过被测物微小位移带动测量镜一端上下移动，可以测量出CCD上光点位置变化量，再由它们之间关系我们可得出被测物体的位移变化量。激光器选半导体激光器，通过聚焦准直，以适应CCD光电器件的要求，CCD系统原理图的电信号输出至信号处理电路，先经过数据采集卡将此电信号传送到A/D转换卡进行模数转换，再经过单片机进行计算并显示出位移值。 2.3LED显示模块单片机采集数据处理将计数值还原为位移量之后须将位移值通过LCD显示。单片机操作LCD时须根据一定的时序，在显示数据之前，须初始化设置LCD的工作模式，显示光标，数据指针以及清屏等。在显示数据时，因为系统设定精确度为10um ，须保留小数点后5位，暂定系统的测量范围小于100m，则显示时须根据不同数据范围控制小数点的显示位置。即当数据小于10时，小数点在第二位显示；当数据大于10小于100时小数点在第三位显示。LED程序设计难点在于（1）判断测量是否启动时由于数据选择器切换时参考信号和测量信号存在频率差且程序控制动作存在一定的时间差导致在判断时不会出现准确的判断标准，根据程序差值不同这个模糊判断标准也不一样。（2）在设计数据显示时，小数点的显示位置会随数据的大小范围发生变化，程序设计时须考虑不同的数值范围设定相应的显示程序。此外显示数据是显示的ASCII码，而实际数字和ASCII码之间相差48，在对LED输出的时候必须注意。3.设计原理3.1多次反射原理多次反射法测量原理如图3.1所示，所谓多次反射光学放大法是指利用光束的多次反射将微小位移放大后进行测量的原理。图3.1 多次反射法测量原理 测量装置由一对平面反光镜B1、B2，半导体激光器和线阵CCD构成。 B1和B2的初始平面反光镜一端固定，另一端与被测物体相连随之移动。激光器发出的光束经两平面镜多次反射后照到CCD光敏面，当被测物体有一微小位移时，光敏面上的光斑移动较大的距离。图3.1中， 是移动距离；h是光线出射点到CCD传感器固定反光镜的距离；D是接触点到固定端的距离，n是光在两个反光镜之间的反射次数，确定了平面镜的长度、两平面镜的间距以及入射光角度时， 通过将数据输入到单片机进行数据的处理，从而得到位移的小。3.2测量系统原理实现微位移测量系统的原理图以及流程图分别如图3-1和3-2所示，通过CCD器件对光信号的测量采集，将结果通过驱动电路传入如单片机相连的数据采集卡，是的单片机采集到数据后通过程序进行数据的处理，最后导出位移结果。利用CCD 传感器、A/D 转换、单片机、LED 设计一个智能微位移测量系统，基于光学放大原理的微测量系统由光学放大装置、线阵 CCD以及信号采集处理系统组成 ,如图2所示。把反射镜2和被测物体相连作为被测镜，物体移动时就带动反射镜一端上下移动。数据采集和处理部分完成光电信号的转换和数据的采集与处理，包括线阵CCD驱动电路，数据采集卡和计算机。激光光斑经过光学装置后，照射在CCD光敏面阵。图3-1图3-24.心得体会本系统设计从原理分析、硬件软件设计、仿真到最终实物调试，结果达到了激光干涉测量微位移的要求，自动测量精度达到了10um。作者在整个系统设计中，包括前期系统设计的原理分析，硬件电路设计，软件程序流程设计，且查阅资料，网络视频学习等多种途径进行学习思考。 通过完整的设计一个系统，看到再简单的理论也要和实际运用相结合且要考虑到实际制作中遇到的一些问题加以改进，多动手，勤思考，多向老师同学交流才能促进进一步提高。整个课程设计的过程中需要综合运用CCD传感器、单片机的电路数据采集、A/D的数据模式的转换进行微量位移的测量，是各种知识的综合运用，对整个的设计有一个很大的整体素质的提高。在整个过程中，注重知识的综合结合，提升自我，锻炼自己的思考问题的方式，在设计过程中会遇到一些设计上的问题