王選擇, 侯 浩, 翟中生, 楊練根, 劉文超

(1.湖北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖北 武漢 430068；2.湖北省現(xiàn)代制造質(zhì)量工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430068)

基于STM32的微位移檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

王選擇1,2, 侯 浩1, 翟中生1,2, 楊練根1,2, 劉文超1,2

(1.湖北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖北 武漢 430068；2.湖北省現(xiàn)代制造質(zhì)量工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430068)

研制了一種基于STM32的微位移檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。通過抑制直流漂移的電路處理模塊得到直流穩(wěn)定的兩路光電信號(hào)。根據(jù)兩路光電信號(hào)的相位特點(diǎn)，采用STM32同步采樣兩路光電信號(hào)，并利用橢圓擬合、最小二乘法、相位解包裹法對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理運(yùn)算，計(jì)算出微位移?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明：該系統(tǒng)滿足微位移測(cè)量要求。

干涉； 微位移； 直流漂移； STM32； 橢圓擬合； 最小二乘法； 相位解包裹法

0 引 言

激光干涉法測(cè)量精度高，速度快，適合于微振動(dòng)的測(cè)量[1]。其信號(hào)處理方式一般為干涉條紋的計(jì)數(shù)細(xì)分辨向處理方法，但前提條件是保證干涉信號(hào)具有較小的直流漂移。然而，在實(shí)際處理過程中，由于背景光強(qiáng)的影響，直接應(yīng)用的光電轉(zhuǎn)換干涉信號(hào)容易發(fā)生直流漂移，對(duì)測(cè)量結(jié)果影響很大。因此，直流漂移的抑制對(duì)干涉的測(cè)量顯得尤為重要。

四象限光電接收與差分處理[2]，是一種目前抑制直流漂移的常規(guī)方法。它主要是通過光電信號(hào)的兩兩相減來消除直流漂移的影響。這種方法能夠很好地消除背景光強(qiáng)的影響，但無法消除由于激光本身光斑不均勻或光強(qiáng)分布發(fā)生改變的條件引起的直流漂移。

為此，本文提出了一種基于STM32的微位移檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。首先，設(shè)計(jì)出一種微振動(dòng)干涉測(cè)量中抑制直流漂移的簡(jiǎn)潔的處理電路。它只需要通過二個(gè)光電象限完成干涉條紋的接收處理。主要思想是利用積分加一階濾波形成反饋環(huán)，保證最終輸出信號(hào)的直流偏置停留在設(shè)置的電壓上，達(dá)到抑制直流漂移的目的。為了計(jì)算兩路光電信號(hào)的幅值與相位，需要同步采樣兩路光電信號(hào)，且要求1s內(nèi)連續(xù)采樣4 000個(gè)數(shù)據(jù)，需要較大的SRAM，故采用高性能、低功耗微處理器芯片STM32F103VCT6來進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣與運(yùn)算。

1 激光干涉測(cè)微位移原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖如圖1所示，利用顯微探測(cè)思想，激光經(jīng)過光隔，防止反射光的回饋效應(yīng)，影響干涉質(zhì)量。再經(jīng)過分光鏡，產(chǎn)生兩路光線,一路光經(jīng)過遠(yuǎn)心鏡頭1到達(dá)被測(cè)振動(dòng)物體，然后反射回來到光電管;另一路光透過分光鏡，經(jīng)過遠(yuǎn)心鏡頭2到達(dá)參考鏡，反射回來到達(dá)光電管。兩路反射回來的光在光電管處產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的干涉條紋，光電管接收運(yùn)動(dòng)的干涉條紋后，形成有相位差的兩路光電流。經(jīng)過處理電路后，轉(zhuǎn)換為兩個(gè)電壓信號(hào)，STM32同步采集這兩路電壓信號(hào)后，經(jīng)過橢圓擬合與最小二乘法，計(jì)算出被測(cè)物體振動(dòng)的微小位移。該方案利用遠(yuǎn)心鏡頭，使激光方向不受被測(cè)偏轉(zhuǎn)角度變化而變化，產(chǎn)生較理想的干涉條紋。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖Fig 1 Diagram of system design

2 處理電路模塊

2.1 電路原理與分析

電路原理如圖2所示，D1為一個(gè)光電象限；Vo為輸出信號(hào);X1為電路反饋中自適應(yīng)調(diào)整的參數(shù)。首先干涉條紋

的運(yùn)動(dòng)通過光/電流轉(zhuǎn)換，并采用三極管對(duì)光電流Ib進(jìn)行放大。放大的光電流信號(hào)Ic分為直流I1與交流I2兩部分，其中,直流量由VCC-X通過電阻器R1提供，交流量由Vo-X1通過R2提供。從電路中可以看出，當(dāng)直流光強(qiáng)變化時(shí)，在電路自反饋調(diào)整下，保證流過R1的電流就是光/電轉(zhuǎn)換放大后的直流成分，而Vo輸出僅為其交流成分，抵消了由于直流光強(qiáng)變化導(dǎo)致直流偏置變化的影響。

圖2 光電轉(zhuǎn)換反饋抑制電路Fig 2 Photoelectric converting circuit with feedback restrain

2.2 電路理論輸出信號(hào)和模型方塊圖與仿真

Vo(s)=

(1)

式中 Ib(s)為輸入，Vo(s)為輸出。

電路的系統(tǒng)方塊圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)方塊圖Fig 3 Block diagram of system

輸入信號(hào)Ib(s)由三部分組成：10BZ微振動(dòng)的光電信號(hào)直流成分與交流成分、0.1BZ的外界波動(dòng)光強(qiáng)的光電信號(hào)，Vo(s)為輸出信號(hào)。

選取參數(shù)k=140，R1=500Ω，R2=1kΩ，R3=1MΩ，R4=100kΩ，C1=1μF,C2=1μF時(shí),則k2=2,τ1=1,τ2=0.1。輸出為

(2)

當(dāng)模擬外界光強(qiáng)變化時(shí)，即輸入Ib(s)變化時(shí)，系統(tǒng)模型仿真如圖4所示，圖中所示輸入信號(hào)Ib(s)被放大了k1=140 000倍。

圖4 輸入Ib(s)變化時(shí)仿真結(jié)果Fig 4 Simulation result for Ib(s) decreasing

從圖4(a)可以看出:0.5s時(shí)刻，外界光強(qiáng)階躍變大，直接影響輸入光電流Ib(s)的變大，間接導(dǎo)致輸出Vo(s)變大，在電路自反饋調(diào)整下，輸出Vo(s)的直流偏置被調(diào)整在設(shè)定的1.2V。由圖3還可以看出:在0.1BZ的外界波動(dòng)光強(qiáng)的影響下，1.5s時(shí)刻輸入Ib(s)在減小，在電路自反饋調(diào)整下，調(diào)整輸出Vo(s)的直流偏置?？梢钥闯?，在電路自反饋調(diào)整下，0.1BZ的外界波動(dòng)光強(qiáng)對(duì)輸出Vo(s)的影響很小。實(shí)際情況下，外界波動(dòng)光強(qiáng)的頻率更低，對(duì)輸出Vo(s)的影響幾乎不可見。

同理，從圖4(b)可以看出:在外界光強(qiáng)階躍變小和0.1BZ的外界波動(dòng)光強(qiáng)的影響下，通過電路自反饋調(diào)整，輸出Vo(s)的直流偏置被調(diào)整在設(shè)定的1.2V，抵消了由于直流光強(qiáng)的變化導(dǎo)致直流偏置變化的影響。

從仿真結(jié)果可知，反饋處理電路在理論上能夠抑制輸出 的直流漂移。

3 信號(hào)采集模塊

本系統(tǒng)采用STM32F103F103VCT6單片機(jī)來進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與運(yùn)算。該單片機(jī)片上集成了256kBFlash和48kBSRAM，足以存儲(chǔ)設(shè)計(jì)的程序和同步采集得到的數(shù)據(jù)。另外，該單片機(jī)擁有3個(gè)12位逐次逼近型的A/D轉(zhuǎn)換器[3]，共18個(gè)通道，包括16個(gè)外部和2個(gè)內(nèi)部信號(hào)源的測(cè)量，可實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)中兩路信號(hào)的同步采集?；谶@些特點(diǎn)，可以使本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的更為小巧，集成度高。

系統(tǒng)使用STM32的定時(shí)器產(chǎn)生4kBZ的PWM來連續(xù)觸發(fā)ADC1與ADC2的同步規(guī)則采樣，并使用DMA傳輸采樣的數(shù)據(jù)，無需CPU直接控制傳輸，使CPU的效率大為提高，有更多的時(shí)間對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理。最后，通過一系列算法計(jì)算出被測(cè)物體的振動(dòng)位移。

為了驗(yàn)證推導(dǎo)的理論式(2)與仿真的結(jié)果圖4，實(shí)驗(yàn)條件下采集輸出信號(hào)數(shù)據(jù)，通過人為改變背景光強(qiáng)，即一種階躍背景光強(qiáng)的條件下，呈現(xiàn)了信號(hào)的變化過程，采樣結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯觯尘肮鈴?qiáng)變化時(shí)，輸出信號(hào)也會(huì)跟著變化，但在電路的自反饋調(diào)整下，輸出信號(hào)的直流偏置會(huì)很快調(diào)整在1.2V。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，背景光強(qiáng)變化時(shí)，該電路都能夠?qū)崟r(shí)反饋抑制輸出信號(hào)的直流漂移，克服了背景光強(qiáng)的影響，提高了測(cè)量系統(tǒng)的穩(wěn)定性。實(shí)際情況下，背景光強(qiáng)緩慢變化，不會(huì)出現(xiàn)這樣調(diào)整大幅的電壓變化現(xiàn)象，滿足測(cè)量的要求。

圖5 光強(qiáng)階躍變化時(shí)信號(hào)調(diào)整過程Fig 5 Signal adjustment process while light intensity step change

4 數(shù)據(jù)處理

處理電路輸出電壓信號(hào)可以寫成

(3)

式中 x,y為兩路電壓信號(hào)；A,B分別為兩路信號(hào)的幅值；s為被測(cè)振動(dòng)物體的位移；λ為激光的波長(zhǎng)；φ為兩路信號(hào)之間的相位差；C1,C2分別為兩路信號(hào)的直流偏置量。顯然，這兩路信號(hào)構(gòu)成一個(gè)李薩如圓[4]，為了得到干涉條紋盡量小的相移誤差，必須對(duì)李薩如圓進(jìn)行橢圓擬合。橢圓坐標(biāo)方程描述如下

y2+axy+bx2+cy+dx+e=0

(4)

應(yīng)用STM32的兩路A/D轉(zhuǎn)換器同步采樣，得到的4 000個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)(xi,yi)，基于最小二乘思想對(duì)橢圓擬合，求解橢圓擬合系數(shù)。進(jìn)一步求解參數(shù)φ,C1,C2,A1,A2。然后，利用反正切函數(shù)atan2求取相位[5]，即

(5)

當(dāng)被測(cè)振動(dòng)物體振動(dòng)幅度超過λ/Z時(shí)，會(huì)導(dǎo)致反正切計(jì)算出來的相位θ如圖6(a)幅圖所示情況，為了得到真實(shí)的相位分布，需要對(duì)這些包裹相位作進(jìn)一步的處理，將被截?cái)嗟南辔贿B接起來，以得到真實(shí)的相位分布，這一處理過程稱為“相位解包”。相位解包裹結(jié)果如圖6(b)所示。

圖6 相位解包裹前后Fig 6 Before and after phase-unwrapping

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

利用該系統(tǒng)對(duì)某個(gè)微振動(dòng)裝置振動(dòng)幅度進(jìn)行測(cè)量。在實(shí)驗(yàn)裝置驅(qū)動(dòng)幅度與頻率不變的條件下，應(yīng)用上面的方法進(jìn)行位移數(shù)據(jù)的采集，并通過正弦擬合的方式獲取實(shí)驗(yàn)振動(dòng)位移的幅度。16.5h振動(dòng)幅度測(cè)量數(shù)據(jù)10選1結(jié)果如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)16.5 h內(nèi)測(cè)量位移Fig 7 Displacement of system measured in 16.5 h

由長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量數(shù)據(jù)可以看出，被測(cè)物體振動(dòng)幅度在1 460～1 468 nm之間變化，系統(tǒng)測(cè)量穩(wěn)定性高。振動(dòng)幅度大約為2.25個(gè)激光器的波長(zhǎng)，檢測(cè)精度達(dá)到nm級(jí)測(cè)量水平。

6 結(jié) 論

本文提出了一種微位移測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。采用二象

限光電管接收運(yùn)動(dòng)的干涉條紋，消除了由于激光本身光斑不均勻或光強(qiáng)分布發(fā)生改變的條件引起的直流漂移。為了抑制外界光強(qiáng)變化時(shí)引起的直流漂移，設(shè)計(jì)出了一種簡(jiǎn)潔的電路處理方法。采用STM32內(nèi)置的2路A/D轉(zhuǎn)換器同步采樣兩路電壓信號(hào)，避免了外接高速ADC采樣電路。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，低功耗，可采用電池供電，容易設(shè)計(jì)成便攜式測(cè)量?jī)x器。信號(hào)處理采用橢圓擬合，提高了系統(tǒng)測(cè)量精度。該系統(tǒng)適用于大部分微振動(dòng)測(cè)量領(lǐng)域。

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Design of micro displacement detecting system based on STM32*

WANG Xuan-ze1,2, HOU Hao1, ZHAI Zhong-sheng1,2, YANG Lian-gen1,2, LIU Wen-chao1,2

(1.College of Mechanical Engineering,Hubei University of Technology,Wuhan 430068,China;2.Key Laboratory of Modern Manufacture Quality Engineering,Hubei University of Technology，Wuhan 430068,China)

A micro displacement detection system based on STM32 is researched and fabricated.The system uses circuit processing module for restraining DC drift to generate two paths photoelectric signals without DC drift.According to phase characteristics of two paths photoelectric signals,using STM32 synchronous sampling two paths photoelectric signals,using Ellipse fitting algorithm,the leastsquare fitting and phase-unwrapping algorithm to process the acquired datas and workout micro displacement.Field test results indicate that the system satisfies requirements of micro displacement measurement.

interference; micro displacement; DC drift; STM32; Ellipse fitting; least-square fitting; phase-unwrapping

10.13873/J.1000—9787(2016)07—0083—04

2015—10—19

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51175154,51275157)；湖北省杰出青年人才基金資助項(xiàng)目(2010CDA088)；湖北省教育廳中青年基金資助項(xiàng)目(Q20101405，Q20101407)；湖北省科技廳基金資助項(xiàng)目(2010CDB03104)

TP 216

A

1000—9787(2016)07—0083—04

王選擇(1971-)，男，湖北天門人，教授,博士生導(dǎo)師，主要從事精密測(cè)量、光電檢測(cè)方面的研究。