基于LabVIEW平臺的新型二維微位移傳感器設計*

周國全，孫東振，彭獲然

（1.武漢大學物理科學與技術學院，武漢 430072；2.廈門一中海滄附屬學校，福建廈門 361000）

基于LabVIEW平臺的新型二維微位移傳感器設計*

周國全1*，孫東振1，2，彭獲然1

（1.武漢大學物理科學與技術學院，武漢 430072；2.廈門一中海滄附屬學校，福建廈門 361000）

基于矩形諧振腔的光學等傾干涉原理，設計了一種新型的二維微位移傳感器系統，該系統通過電耦合器件（CCD）技術對等傾干涉產生的周期性干涉條紋進行光電轉換，然后將電信號導入信號處理系統進行采集與存儲，最后由串行通信發送至計算機，在LabVIEW平臺進行實時的監測。仿真實驗結果顯示，系統測量精度可以達到1 μm～0.1 μm.該系統采用矩形腔等傾干涉和F-P干涉相結合的方法，結構簡單，成本低廉，且能夠同時對二維微位移進行精確測量，可以應用于水利工程檢測維護，大型建筑安全監測、精密加工中的實時控制等很多方面。

位移傳感；矩形干涉腔；光學干涉；等傾干涉；電耦合器件（CCD）；LabVIEW；二維微位移

科學技術和工業的發展一般都是以測量技術的發展為先導的，高精度的位移測量系統是機械儀表、工具、兵器、宇航等產業獲得對位移的精密檢測與控制的基礎，也是上述產業產品及技術不斷進步的制約因素。近年來，傳感器技術飛速發展，對于微位移或微角位移進行測量的傳感器的研究已成為國內外研究的重要方向和主要課題［1-4］。傳統的基于壓電效應、霍爾效應、光纖原理等物理規律的傳感測量技術已經頗為成熟，但也存在一些不足，此類傳感測量技術一般都是一維的位移測量，且測量精度不是很高。利用光纖干涉儀測量位移，具有測量精度高的特點，也是近年來應用的熱點之一。另一方面傳統的基于光強的F-P傳感器，由于腔長與光強之間是高階非線性的關系而難以處理，且僅能運用于一維光學測量。在二維（角）位移傳感方面，依據光纖技術、應變原理、二維磁效應、差動電感式及各類光電式傳感器研究方面，已有一定的技術基礎與經驗積累，例如文獻［3］給出了一種基于應變方式進行二維微位移（納米級）測量的系統，文獻［4］設計了一種基于線陣CCD的微小角位移傳感器。但測量精度，操作難易度，以及成本方面也是參差不齊。近年來隨著電耦合器件CCD（Charge Coupled Device）的不斷完善和提高，CCD技術已廣泛用于各種非接觸實時測量領域，極大地提高了位移測量精度，如文獻［4］。而等傾干涉原理與技術方面的最新進展，如文獻［5-6］，為二維光學微位移傳感技術的研究提供了新的技術方向和可能性，如文獻［7-8］。

本文基于作者已公開發表的矩形腔等傾干涉原理［3］和LabVIEW平臺，借鑒了作者與其研究生在文獻［6］中運用等腰劈的等傾干涉實現微位移光學傳感設計的得失經驗，設計了一種新型的基于CCD技術的二維微位移傳感器。該系統采用兩組等傾干涉原理產生的干涉條紋作為前信號，經CCD進行光電轉換后，通過單片機進行信號的采集與預處理，并且將信號通過串行通信發送給PC機進行繪圖，進行實時的位移監測。因為等傾干涉為多光束干涉，其干涉條紋細銳，明暗對比強烈，所以精度很高，理論上可以達到10-6m～10-7m，因此本系統在肉眼難以觀察的微位移測距方面有很大的應用前景。與作者在文獻［7］的設計相比，本文對微位移傳感器的設計思路是基于新穎的矩形腔等傾干涉原理，與文獻［5-7］所述等腰劈的等傾干涉原理一樣，具備多光束等傾干涉所特有的諸般優點，例如條紋細銳，明暗對比強，分辨本領高等；同時本文的設計更避免了文獻［7］中傳感設計的種種弊端_對位移傳感的測量僅限于分時分維模式，即對一個維度的干涉板進行位移測量時，必須固定處于另一維度上的干涉板；因為干涉強度的變化對X與Y方向的位移的響應是融合在一起而不加區分的。為區分它們，文獻［7］只能采取忍痛犧牲對任一維度上進行持續測量的要求。這就不可避免地給測量的連續性與精度帶來不利影響。而本文的新設計避免了這一缺憾。在X與Y兩個方向的位移都可被持續、實時而且相互獨立地加以檢測。

1 傳感系統的設計與實現

1.1 系統組成

本論文研究的系統可分為4個部分，如圖1所示。

圖1 系統組成

第1部分，等傾干涉裝置，主要由矩形腔內的等傾干涉和F-P兩組干涉組成，是通過被測物體的移動進而產生干涉條紋的移動作為光信號。

第2部分，CCD光電轉化裝置，該部分包括兩個CCD和CCD的驅動電路，兩個CCD分別接收又兩組干涉條紋產生的光信號，然后將它接受到的光信號轉化成電信號。

第3部分，單片機部分，包括信號處理電路和串行通信電路，主要對接收到的電信號進行處理，它控制X，Y方向的信號采集并進行預處理，然后將信號通過串口送到PC機。

第4部分，測量結果的顯示部分，這主要通過LabVIEW平臺來實現，同時顯示X軸和Y軸方向上的位移，顯示結果為位移-時間曲線。

1.2 矩形腔等傾干涉原理

矩形腔等傾干涉不僅對F-P干涉技術具有等效性與補充作用，而且具有新的特點，既可對入射光的偏振性進行“改造”以獲得高偏振度的線偏輸出，又可對干涉強度實行二維余弦調制，從而實現二維微位移的光學傳感。諸如此類的特性表明，對矩形腔的干涉原理進行詳細推導很有必要［5］。

如圖2所示，ABCD是一個矩形腔，ABCD是腔內外媒介的分界面，內外媒介的折射率分別為n2，n1，當平行光束I以任意給定的入射角i0和入射位置P點射入腔內，腔外的反射線I'，腔內部分經各邊順次反射之后形成一系列的反射回路，如PP1P2P3P4…不一定閉合，每一個反射回路在界面DC，AB各向外透射一次，在界面DC得透射線T1，T2，…，在界面AB得透射線T1，T2，…。

圖2 矩形腔等傾干涉

射線集合具有如下特點：

（3）反射線集合｛I'，T1，T2…｝和透射線集合｛T1，T2…｝中，相鄰的兩束光線的幾何（表現）光程差都相等，且僅依賴于入射角i0，而與入射位置P點無關；

由此可知四邊形QP1P2P3形成一個平行四邊形，它的周長為：

而光線在矩形腔內路線PP1P2P3P4的長度為

從P4點做反射光線I'的垂線，垂足為E，由于ΔQPP4為一個等腰三角形，則有

又由于PE=PP4sini0；n1sini0=n2sini，則I'，T1…之間的光程差為

考慮到光線反射過程中的相位突變問題，可以在相位差中加入一個偏移相位φ0，則得到實際相位差為δ=（2π/λ）Δ+φ0=（4π/λ）n2（asini+bcosi）+φ0（6）式中：AB=a，BC=b，λ是入射光的波長。

這里，我們對該系統進行改進，在矩形腔等傾干涉的基礎上結合F-P干涉進行聯合測量，可以同時精確地測量兩個方向的位移。具體裝置如圖3所示。

圖3 光學干涉裝置

圖3中，干涉系統由兩個L型的直角板組成，Y方向上的兩平板內側為反射平面鏡，X方向的兩平板為光學半透膜，涂有能量反射率為R的薄膜，I1和I2為兩束入射光，I1的入射角為i0=i，I2的入射角為i'（零角度附近）。L1和L2構成矩形，L1固定不動，L2可以沿著X軸和Y軸兩個方向移動，但不能轉動。由以上討論，可以得到干涉條紋S1和S2中相干光線的相位差分別為：

當L2L直角板移動時，a、b會產生變化，進而光程差發生變化，出現干涉條紋移動現象。條紋移動過程中相位差的變化量為：

式中：Δa，Δb為LL型板分別在X和Y方向的位移，k1和k2（k1，k2=1，2，3，…）為S1和S2條紋移動的數目。那么就可以根據條紋移動的信息得到位移的信息.聯立解上面兩式可得Δa，Δb的值為

由此可得，所測得的二維位移為

2 信號采集與處理

2.1 CCD驅動電路設計

CCD是一種新型的光電轉換半導體器件，能夠把光學影像轉化為模擬電流信號，電流信號經過放大和模數轉換，實現圖像的獲取、存儲、傳輸、處理和復現［9-10］.這里我們采用TCD1703C型號CCD來實現光電信號轉換。

所設計的驅動電路必須滿足TCD1703C脈沖時序要求才能使CCD正常工作；CPLD是可編程的與域門陣列以及宏單元構成；CPLD能夠提供簡單可預測的時序模型信號，且在高頻率工作時保持良好的性能，同時又有靈活可變的輸出引腳，速度快，功耗低，使用方便，保密性好等特點，故選擇CPLD芯片來實現CCD驅動電路［11-12］。設計思路：①將輸入頻率為1 MHz的方波脈沖進行2、4分頻，得到0.5 MHz、0.25 MHz的方波脈沖，其中0.25 MHz的方波脈沖作為時鐘信號Φ1，反向后得到時鐘脈沖Φ2；②將0.5 MHz、0.25 MHz的方波脈沖相與，形成占空比為1∶3，頻率為0.25 MHz的復位脈沖RS；③將復位脈沖RS延遲產生另一個籍位脈沖CP；④對移位脈沖進行計數，每達到預設值時產生一個SH脈沖。

根據以上程序，在Max+plusll上經過設計輸入，然后選擇型號為EPM7128SLC84-15的器件，并進行引腳鎖定，經過器件編譯并進行仿真后，得到如圖4所示的仿真結果。從仿真結果可觀察到CCD所需的復位脈沖、移位脈沖和采樣脈沖，三者間的時序關系完全符合線陣CCD的要求。這表明理論上這個方案的可行性已獲證實。為了對方案進行實際測試，將源程序編譯后通過JTAG接口下載到實際CPLD硬件芯片中，通過示波器檢測，得到與仿真圖完全相同時序的脈沖。這也表明該CCD驅動電路方案完全可行。

圖4 CCD驅動仿真波形

2.2 仿真電路設計與實現

將CCD轉換之后的電信號通過單片機組成的仿真電路進行模數轉換、存儲等預處理［13-14］。仿真電路可在文獻［7］的仿真電路基礎上修改調整。我們選用了型號為AT89C51的單片機，在接收到經CCD電路模數轉化的電信號后，儲存在片外RAM，使用異步串行通信方式，設定傳輸波特率為2 400 bit/s，將數據傳輸給PC機。文獻［8］為本文所作的仿真實驗運行結果顯示，系統工作正常，達到預期設計的效果。

3 LabVIEW平臺設計

LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering）是美國NI（National instrument）公司研發的一種功能強大的圖形化程序開發環境，是一個面向終端用戶的開發工具。VISA（Virtual Instrumentation Software Architecture）名為虛擬儀器軟件結構框架，是應用于儀器編程的標準 I/O應用程序接口（API），其本身沒有編程能力，它是一套通過調用底層的代碼來控制硬件的庫函數，且調用過程中不用考慮器件是什么類型的接口［14］。本系統采用VISA程序庫來實現單片機與PC機的串行通信，所設計LabVIEW平臺程序框如圖5所示。

圖5 LabVIEW平臺程序框圖

數據傳輸過程中，數據處理后的X和Y兩個方向的位移信息采用數組奇偶項自動讀取。讀取的數據按照由移位寄存器放進數組的方式進行，顯示模塊通過捆綁數據數組與時間數組來實現。首先通過對i值進行“i×2”和“i×2-1”的操作，以獲取了奇數和偶數，進而連接索引數組，將數組里面的奇數項和偶數項讀出來，送到后面的處理顯示模塊進行實時顯示。該方法具有傳輸數據準確，采集速度高，而且不用手動切換等特點。

對于不同波長的光，包含的位移信息不同，所以，在系統中加入了波長輸入點。運行前要先設置串口，串口初始化之后根據系統采用的實際光填入波長。

運行之后可以實現對X和Y方向上位移的同時顯示，據圖6可以看出，LabVIEW平臺的前面板可以設計的和實際測量儀器類似的樣子，有很強的直觀性。前面板主要包括兩個表框，一個是X方向上的位移時間圖，一個是Y方向上的位移時間圖像。

圖6 LabVIEW平臺前面板

運行結果顯示，該系統可以很好的實現兩個方向上的微位移的測量與顯示，證明了設計方案能夠很好地實現對被測物體的二維微位移的精密測量與顯示功能，

同時也展示了PC機和單片機串行通信的一般方法，以及LabVIEW對數據的處理和顯示，使得單片機和PC機的應用能夠更加協調地結合在一起。本系統操作簡單，可視性強，系統運行良好，符合預期目的。

4 結論

本文基于矩形腔等傾干涉原理，利用干涉條紋光強隨空間位移周期性變化的特點，設計了一種使用CCD光電轉換技術的二維微位移傳感系統。本文對整個二維位移傳感系統的控制電路的硬件與軟件進行了比較完備的設計，初步建立了一套分辨率為微米級（10-6m～10-7m），并能進行遠程通信的小型、自動化監測系統。該系統的優點，也是其特色之處在于能夠同時檢測兩個方向上的位移，而不需要在檢測一個方向的位移的同時還要鎖定另外一個方位不動。其所具有的精度高、成本低、性能可靠、體積與功耗小、攜帶與安裝使用方便等特點，使其可在水利工程檢測維護、大型建筑安全維修、精密加工中的實時控制等方面發揮很大的作用，擁有廣闊的應用前景。但是，在系統的設計過程中，簡化了部分問題，也存在需要進一步改進的一些地方，比如時間信息的獲取和光電電信號的轉換不是同時進行的，存在一定的時間差；在光學干涉裝置設計環節，兩個L型的平面板之中有一個是固定的，另外一個是隨被測物體移動的，隨物體移動的平面板在移動的過程中只能夠平動，而不能發生轉動，已保持其矩形腔構型；在LabVIEW平臺的設計過程中，前面板的功能顯示過于簡單，在后續的設計過程中可以作更細致的優化調整，使位移的顯示更加詳細和生動；還可以加進對瞬時移動速度的顯示功能，這樣就能同時實現二維微位移的速度的實時監測。另一方面，還可以考慮在本二維微位移傳感系統的基礎上，經過改進，進一步實現三維位移傳感測量。這也是我們未來的一個重要的研究方向。

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周國全（1965-），男，博士，副教授。1986年畢業于北京大學物理系，獲理學學士學位，1993年獲武漢水利電力大學（現為武漢大學工學部）工學碩士學位（電磁場與光電子技術方向），2008年獲武漢大學理學博士學位（場論與粒子物理方向）。長期從事《電磁場與電磁波》、《電磁學》、《數學物理方法》和《相對論》的教學。主要學術成就是發現了矩形腔與等腰劈的等傾干涉現象與原理。相關成果發表于國際光學工程協會（SPIE）主辦的《Optical Engineering》，進入EI索引。先后發表科研和教學論文40余篇，其中進入SCI索引的論文5篇，進入EI索引的論文5篇。2008年出版教材《電動力學》（副主編），業余醉心于古典文學與詩歌藝術，曾出版詩集《行吟者》。研究方向為電磁場與光電子技術、場論與非線性可積方程，zgq@whu.edu.cn。

A Novel Two-Dimensional Micro-Displacement Sensor Based on LabVIEW Platform*

ZHOU Guoquan1*，SUN Dongzhen1，2，PENG Huoran1
（1.School of Physics and Technology，Wuhan University，Wuhan 430072，China；2.Haicang Branch of Xiamen No.1 High School，Xiamen Fujian 361000，China）

Based on the principle of equal inclination interference in a rectangular cavity，a novel two-dimensional micro-displacement sensor is designed.By use of Charge Coupled Device（CCD）technology and microcontroller，the signal collection，optoelectronic transform，information storage and data communication are completed.The visual display is realized by PC system and LabVIEW platform.The experimental results of fidelity simulation demonstrate that high sensitivity，up to level of 1 μm～0.1 μm，can be achieved.Due to its simplicity，inexpensiveness，and convenience of operation，it is worthy of studying and spreading further in many application fields，such as monitoring the safety maintenance of key water conservancy projects and large buildings，and the real-time control of displacement in precision machining.

displacement sensor；rectangular cavity；optical interference；equal inclination interference；CCD；Lab-VIEW；two-dimensional micro-displacement EEACC：7230

TP212.1；O436.1

A

1004-1699（2015）04-0607-06

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.04.026

項目來源：國家自然科學基金項目（10775105）

2014-07-01 修改日期：2015-01-26