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        光電式電子水平儀設計與實現(xiàn)

        2018-08-30 06:02:50王鍇磊王春喜高秋娟
        宇航計測技術 2018年4期
        關鍵詞:分劃水平儀水平度

        王鍇磊 劉 莎 王春喜 高秋娟

        (北京航天計量測試技術研究所,北京 100076)

        1 引 言

        現(xiàn)代裝備對一些特定系統(tǒng)所在平臺的水平精度要求較高,精確測量各平臺的水平度也就顯得至關重要[1]。隨著對測量精度要求的進一步提升,目前,水平度測量基本已經(jīng)從傳統(tǒng)的測量模式轉化為電子測量模式。水泡、光學像限儀等傳統(tǒng)儀器由人工讀數(shù)完成,檢測方法繁瑣、讀數(shù)困難、精度難以保證,這對水平度的檢測和實時監(jiān)控是一個致命弱點。由此產(chǎn)生了各式電子水平儀,比如液體擺,就是利用了傾斜時液面發(fā)生移動從而引起靜電容量變化的原理,通過控制系統(tǒng)對電容信號進行采集,實現(xiàn)水平度的測量[2],具有較高靈敏度和可靠性;差分電容式水平傳感器是利用動擺片在重力作用下的移動產(chǎn)生差分電容進行水平度測量的,是目前測量精度最高的水平傳感器;另外還有液面式、電阻式、電感式、應變式、懸掛式等水平傳感器[3]。以這些水平傳感器為核心的水平儀可用于測量水平位置的傾斜度、兩部件相互平行度和垂直度,機床、儀器導軌的直線度,工作臺平面度,以及平板的平面度等參數(shù)。大型設備的安裝調(diào)試,實驗室的測量基準均需要對平面基準的測量和校準,而目前電子水平儀的核心部分均采用國外傳感器,雖然能夠滿足大部分的測量要求,但是傳感器成本較高,價格昂貴,且大部分為一維測量方式,難以實現(xiàn)二自由度的傾角測量。本文提出了一種兩維的光電式電子水平儀的實現(xiàn)原理和設計方法。

        2 光電式電子水平儀測量原理

        光電式電子水平儀測量原理以反射定律為基本理論模型,依據(jù)光學系統(tǒng)的反射定律進行水平度測量,然后通過自準直成像系統(tǒng)將反射角度的變化轉化為成像位置的變化,再由三角函數(shù)計算角度值,實現(xiàn)水平度測量。如圖1所示。

        1-反射面;2-入射光束;3-法線;4-反射光束1-Reflector;2-Incident Light;3-Normal;4-Reflex圖1 光束反射理論模型Fig.1 Theoretical model of beam reflection

        圖1A中,入射光束2投射到反射面1上,根據(jù)反射定律,反射光束4按照入射光束2和法線3所決定的指向反射出來,這就是我們所說的反射定律。在圖1B中,當反射面1旋轉角度α時,法線3向同樣的方向旋轉α,此時,依據(jù)反射定律,反射光束向同樣的方向旋轉2α。

        試想,如果通過光學系統(tǒng)保證入射光束為平行光束,則反射光束同樣是平行光束,若反射面為表征水平度的液體可反光表面,即可形成如圖2所示的水平度測量模型。

        圖2 水平測量原理Fig.2 Horizontal measurement principle

        圖2中,XY平面為液體反射表面,即反射面,分劃板和CCD傳感器分別置于物鏡1和物鏡2的焦面上。LED光源發(fā)出的光經(jīng)過分劃板后形成為光束,經(jīng)物鏡1后以平行光的形式發(fā)出,經(jīng)反射后進入物鏡2,最終匯聚于焦面上,在CCD傳感器上成像。當反射面分別以X軸和Y軸發(fā)生轉動時,分化板在CCD上所成的像位置會發(fā)生相應的變化,根據(jù)需要設計分劃板的形狀,實現(xiàn)一維或兩維的測量。

        圖3 反射測角原理圖Fig.3 Schematic diagram of reflection angle

        以兩維測量為例,當反射面XY繞X軸轉動α角度時,光線變化如圖3所示。像在CCD上移動的距離Δ與夾角α之間的關系可以表示為

        (1)

        式中:f——物鏡的焦距(物鏡1、2是相同的透鏡,焦距f相同);Δx——像在CCD的X方向上移動的距離。

        系統(tǒng)焦距為已知參數(shù),Δx由CCD傳感器進行測量,由此可以計算液體反射表面的偏轉角度,從而實現(xiàn)水平度測量。同樣當反射面繞Y軸發(fā)生轉動時,一樣可以計算其旋轉角度。

        (2)

        式中:f——物鏡的焦距(物鏡1、2是相同的透鏡,焦距f相同);Δy——像在CCD的Y方向上移動的距離。

        3 光電式水平儀的設計

        3.1 總體設計

        按照前述的光電式電子水平儀測量原理,我們采用“V”字形分劃板,一片線陣CCD實現(xiàn)兩維同步測量,利用500#的甲基硅油面作為基準液體反射面。這種硅油黏度適中,透光性好,完全滿足光電式電子水平儀的設計要求。由此設計了如圖4所示的電子水平儀。

        1-光源;2-分劃板;3、6-光學鏡頭;4-平板玻璃;5-硅油表面;7-CCD;8-測量基準面1-Lamp;2-Seam;3、6-Photics lens;4-Flat glass;5-Oil surface;7-CCD;8-Measurement datum plane圖4 光電式電子水平儀結構示意圖Fig.4 Photoelectric electronic level structure diagram

        本系統(tǒng)的主體結構采用硬鋁材料加工,加工完成后進行溫循處理,充分釋放硬力,確保結構的穩(wěn)定性。底板采用9Cr18材料精加工而成。

        在圖4中,分劃板2放置在光學鏡頭3的焦面上,光源1發(fā)出光束經(jīng)分劃板后以平行光的形式發(fā)出,經(jīng)過平板玻璃4和硅油后在硅油的上表面5反射進入光學鏡頭4,CCD7放置在光學鏡頭6的焦面上,此時,分劃板在CCD上成像,當電子水平儀的測量基準面8與被測面接觸后即可對被測面的水平度進行測量。

        本文的設計采用線陣CCD進行兩維圖像的采集,因此,在本系統(tǒng)中,分劃板不采用傳統(tǒng)的“一”字型或“十”字型分劃板,而采用“V”字型分劃板,實現(xiàn)線陣CCD的兩維測量,如圖5所示。

        圖5 V字型分劃板成像示意圖Fig.5 V-shaped split plate imaging diagram

        如圖5所示,“V”字型分劃板在線陣CCD上成像時,分別為A點和B點,通過A、B成像位置可以計算其在CCD線陣方向上的變化,其計算公式為

        (3)

        (4)

        式中:Δx——像在CCD的X方向上移動的距離;Δy——像在CCD的y方向上移動的距離;LA——A點在CCD上的成像坐標;LB——B點在CCD上的成像坐標;LA1——A1點在CCD上的成像坐標;LB1——B1點在CCD上的成像坐標;γ——“V”字型分劃板夾角的一半。

        3.2 硬件設計

        本文的線陣CCD圖像傳感器采用TOSHIBA公司的TCD1304AP,在CPLD脈沖信號驅動下,將光信號轉化為電信號,經(jīng)過視頻信號的前端處理與放大后,得到(0~5)V的模擬視頻信號。該模擬視頻信號經(jīng)AD9223轉換,轉換結束后的數(shù)字信號寫入由SRAM組成的高速緩存中,CPU通過總線接口器件讀取轉換后結果,進行運算并控制顯示,完成一次數(shù)據(jù)采集工作。CPLD邏輯控制單元負責產(chǎn)生CCD的驅動脈沖,以及其他時鐘信號[4]。電源單元為獨立的可充電鋰電池,在CPU的管理下為系統(tǒng)供電。原理框圖如圖6所示。

        圖6 硬件控制系統(tǒng)原理框圖Fig.6 Block diagram of hardware control system

        基于圖6所示的硬件控制原理框圖,分別完成了各模塊單元的設計。

        3.2.1 電源單元

        電源系統(tǒng)采用鋰電池進行供電,由標準電源適配器對其進行充電。通過電源穩(wěn)壓模塊實現(xiàn)穩(wěn)定電壓輸出。

        本系統(tǒng)采用2節(jié)+3.7V可充電的鋰電池串聯(lián)供電,經(jīng)MAX1776降壓到5V,為系統(tǒng)供電;鋰離子電池充電采用平衡充電電路,經(jīng)AC適配器輸入。穩(wěn)壓電路連接如圖7所示。

        圖7 電源單元示意圖Fig.7 Schematic diagram of the power supply unit

        3.2.2 CCD 驅動及前端信號處理

        采用可編程邏輯器件CPLD來實現(xiàn)線陣CCD的驅動時序,只需要一片集成電路就可以獲得復雜穩(wěn)定的輸出時序,靈活性好,電路體積小。具體實施上采用Altera公司生產(chǎn)的CPLD芯片EPM7128,用硬件描述語言Verilog HDL來實現(xiàn)TCDl304AP的驅動時序,并使用Altera公司的Quartus II軟件來編譯、仿真和下載。

        圖8中,ICG、M、SH為TCD1304AP的三個驅動脈沖。TCD1304需要在這三個時鐘的驅動下完成光電轉換,CPLD邏輯控制單元即產(chǎn)生如圖8所示的驅動時序。

        圖8 TCD1304驅動時序Fig.8 TCD1304 drive timing

        在驅動電路的驅動下,TCD1304AP輸出信號負極性的模擬視頻信號,為盡可能消除噪聲干擾、改善成像質(zhì)量,保證在CCD動態(tài)范圍內(nèi)圖像信號隨被測目標亮度呈線性變化,選用高輸入阻抗、運算放大器AD820實現(xiàn)輸出模擬視頻信號的前端處理與放大。

        CCD輸出的有效信號OS是經(jīng)過光積分的有效光電信號,輸出接一射級跟隨器,能夠增強信號的驅動能力。運放U2將OS信號極性取反,U3通過調(diào)節(jié)電位計R11將OS信號放大至(0~5)V,以供A/D輸入。電路圖如圖9所示。

        圖9 視頻信號預處理Fig.9 Video signal preprocessing

        3.2.3 SRAM存儲單元及控制

        前端處理完成的模式視頻信號經(jīng)過AD9223進行模數(shù)轉換,同步存入雙端口 SRAM 存儲器 CY7C024AV-25AXI來實現(xiàn)高速緩存功能。系統(tǒng)按如下流程進行工作,由CPLD產(chǎn)生存儲器的地址計數(shù),在片選、讀寫信號的控制下,不斷把AD9223轉換后的數(shù)字信號由右端口寫入存儲器中。當完整的一幀數(shù)據(jù)采集、存儲完后,通過INT0使CPU產(chǎn)生中斷,停止AD轉換及SRAM寫入,然后CPU通過使能SRAM左端口的輸出及片選使能端,就可以依次讀出一楨圖像數(shù)據(jù),并進行分析、處理。

        系統(tǒng)控制采用ATMEL公司生產(chǎn)的ATmega128單片機,該單片機采用先進的RISC結構,內(nèi)部133條指令大部分均能在一個時鐘周期內(nèi)完成,系統(tǒng)時鐘可以高達16MHz。該系列單片機性能穩(wěn)定,運算速度快,完全可以滿足系統(tǒng)控制和運算的要求。

        3.2.4 顯示模塊

        采用16*2的點陣字符式LCD顯示模塊LCD1602,內(nèi)部置有192種字符、數(shù)字、字母、標點符號等可顯示的字符點陣圖形庫,并提供可控制的并行或串行接口及通信協(xié)議。該模塊采用16腳封裝,與單片機為并行接口方式,依據(jù)MCU并行接口標準進行連接,LCD1602數(shù)據(jù)端與ATmega128單片機的PB口相連,RS、RW、EN分別與端口D的PD5、PD6、PD7相連。V0接一10kΩ的電位計用來調(diào)節(jié)液晶顯示屏的對比度。

        3.3 軟件設計原理及實現(xiàn)

        3.3.1 CCD信號二值化算法設計

        根據(jù)對CCD傳感器視頻信號應用的差異,對CCD視頻信號的處理一般均采用二值化的處理方法。二值化處理是把圖像和背景作為分離的(1,0)對待。光學系統(tǒng)把被測對象成像在CCD光敏像元上,由于被測物與背景在光強上的變化反映在CCD視頻信號中對應的圖像尺寸邊界處會有明顯的電平變化,通過二值化處理把CCD視頻信號中圖像尺寸部分與背景部分分離成二值電平(0,1)。

        光電式電子水平儀軟件處理二值化方法主要是通過高速A/D轉換器實現(xiàn)視頻信號的高速采集,然后根據(jù)信號的明暗程度選擇適應當前信號的閾值進行二值化處理,高于閾值的CCD像元信號參與后續(xù)的數(shù)據(jù)運算,而低于閾值的CCD像元信號自動舍棄。其較硬件處理方法更為靈活適用,可以方便有效的根據(jù)采集到的信號灰度值選擇合適的閾值,對于提高光電式電子水平儀的適應性具有較高的應用價值。

        3.3.2 CCD象元中值細分算法設計

        目前應用比較廣泛的線陣CCD像素定位細分算法有:二值化法、重心法以及階梯法。二值化法分辨率和精度較低,受CCD像元尺寸大小的限制,且CCD信號閾值的取值對測量結果影響較大。采用固定閾值比較簡單,但對環(huán)境的適應能力比較差

        重心法在整體穩(wěn)定性上高于二值化處理方法[5],且對于波形的不對稱性可有效的進行處理。但此處理方法也存在一定的缺陷,當CCD個別像元有一定缺陷時,很容易出現(xiàn)雙波峰現(xiàn)象,此時將會嚴重影響測量的準確度。

        在本文中,提出了一種浮動閾值的CCD信號處理方法,CPU根據(jù)采集到信號的灰度大小確定閾值,提高了測量的環(huán)境適應性和測量穩(wěn)定性。

        本文選用重心法來進行CCD象元的位置提取,它是在二值化的基礎上,對高于閾值的部分進行高頻采樣,然后基于平面幾何中積分求重心的原理進行計算的,其公式為

        (5)

        式中:XC——所求目標的重心位置;Vi——CCD像素單元所對應輸出的電壓值;i——CCD所對應的象元序列數(shù)。

        “V”型分劃板在CCD上成像輸出信號大致如圖10所示,電壓值高于U1為有效象元,電壓值低于U1表征像點的邊界。由于“V”型分劃板在CCD上成像包含兩個像點,本文采用雙向掃描的方法,來確定成像點的位置信息。

        圖10 CCD輸出信號示意圖Fig.10 CCD output signal

        基本處理思路如下:已知TCD1304含有3648個象元序號,自左向右i=0遞增,檢測電壓值高于U1的象元個數(shù),當大于3個及以上時,記錄最后一個電壓值高于U1的象元序號A1,i繼續(xù)自增,直到檢測到有至少3個象元對應的電壓值小于U1為止,即A2處,停止掃描。然后根據(jù)重心算法,計算第一個成像點的中心位置A。同理,自右向左j=3648遞減,檢測并計算第二個成像點B。按照圖5所示的計算方法既可計算水平傾角。

        4 實驗驗證結果

        按照《JJG103-2005電子水平儀和合像水平儀檢定規(guī)程》對本文設計的光電式電子水平儀進行了技術指標的測試,技術指標如表1所示,測試示值誤差如表2所示。從數(shù)據(jù)可以看出,光電式電子水平儀設計原理正確,水平度測量誤差達到2″,可以滿足大部分水平度測試的場合。圖11給出了測量的線性擬合圖。

        表1 光電式電子水平儀技術指標

        圖11 數(shù)據(jù)線性擬合圖Fig.11 Data line fit chart

        序號標準角X軸X誤差標準角Y軸Y誤差1000025050.20.25050.10.1310099.8-0.2100100.20.24200200.10.1200200.30.35300299.20.2300300.20.26400399.9-0.1400400.50.57500501.21.2500500.60.68600601.01.0600599.8-0.29700699.8-0.2700701.11.110800801.21.2800801.21.211900900.20.2900900.6-0.4121000999.8-0.21000999.5-0.513-50-50.30.3-50-50.30.314-100-99.7-0.3-100-100.50.515-200-200.30.3-200-200.10.116-300-299.40.4-300-300.60.617-400-399.7-0.3-400-400.70.718-500-500.40.4-500-500.30.319-600-600.90.9-600-599.5-0.520-700-699.5-0.5-700-701.31.321-800-801.41.4-800-801.01.022-900-900.60.6-900-900.4-0.623-1000-999.9-0.1-1000-999.7-0.324000000

        5 結束語

        光電式電子水平儀融合了光學系統(tǒng)和成像系統(tǒng),以甲基硅油表面作為水平基準,將其置入準直光學系統(tǒng)中,實現(xiàn)水平度的快速測量和監(jiān)控,通過線陣CCD和“V”字型分劃板實現(xiàn)了兩維水平度的測量,目前可以達到水平度2″的測量誤差。該型電子水平儀的設計完全拋開了國外高精度的水平度傳感器,獨立完成傳感器的設計和控制單元的設計,具有較高的推廣應用價值。隨著半導體技術的發(fā)展,我們將會進一步完善系統(tǒng)的設計方法和設計思路,提升光電式電子水平儀的測量精度,滿足計量檢定和工業(yè)測量的需要。

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