摘 要：介紹了一種非接觸測量物體位移的傳感器；并對(duì)其中圖像變換、A/D轉(zhuǎn)換、后期數(shù)據(jù)處理和現(xiàn)場總線技術(shù)這幾項(xiàng)關(guān)鍵步驟進(jìn)行了闡述；經(jīng)驗(yàn)證，該本方案具有穩(wěn)定、可靠、精度高以及性價(jià)比高的特點(diǎn)。 關(guān)鍵詞： 圖像變換；A/D轉(zhuǎn)換；圖像處理；CAN總線 在一些自動(dòng)控制場合，常常遇到需要實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的測量一些缺口、間隙的寬度，以進(jìn)行閉環(huán)自動(dòng)控制。但是，通用的圖像處理方案存在著方法復(fù)雜、成本高、處理數(shù)據(jù)量大的缺點(diǎn)，現(xiàn)在根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場的特殊需要，找到了一種穩(wěn)定、可靠、精度高、成本低的解決方案。 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理 圖1給出了測試系統(tǒng)的原理框圖。 a.圖像采集 目前，各種成像系統(tǒng)一般采用的是CCD圖像傳感器技術(shù)，它具有讀取噪聲低、動(dòng)態(tài)范圍大、響應(yīng)靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，然而以CCD技術(shù)為基礎(chǔ)的圖像傳感器具有體積大、功耗高等缺點(diǎn)，難以實(shí)現(xiàn)單片一體化。隨著CMOS工藝技術(shù)的發(fā)展，CMOS圖像傳感器的高度集成化減小了系統(tǒng)的復(fù)雜性，降低了制造成本，對(duì)獲得的圖像信息讀出和處理變得簡單而快捷，同時(shí)具有體積小、重量輕、功耗低和成本低等優(yōu)點(diǎn)。 采用CMOS圖像傳感器開發(fā)出來的微型攝像頭可以輸出PAL制黑白圖像全電視信號(hào)，作為計(jì)算機(jī)采集系統(tǒng)的輸入部件。微型攝像頭最突出的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)人眼不可見的紅外光特別敏感，光譜敏感范圍在近紅外光波段比對(duì)可見光的靈敏度高出5～6倍。在要求不間斷監(jiān)測的場合，有必要在攝像頭周圍配以適當(dāng)?shù)募t外照明光源，這樣系統(tǒng)具有非常好的環(huán)境適應(yīng)能力。 一個(gè)完整的圖像采集裝置（見圖2）一般由攝像頭（1）和紅外光源（2）組成，攝像頭（1）裝于支架（3）的殼體（4）內(nèi)，殼體（4）的前端蓋（5）有孔（6）與攝像頭（1）的鏡頭（7）配合，端蓋（5）沿孔（6）周圍裝有若干紅外光源（2），攝像頭（1）有輸出端口，用于連接后續(xù)的計(jì)算機(jī)圖像處理裝置。紅外光源（2）裝于端蓋（5）的孔（8）內(nèi)，鏡頭（7）距端面距離H為6～10mm。安裝支架（3）為探頭提供了方便準(zhǔn)確的現(xiàn)場裝配結(jié)構(gòu)。一般來講，工業(yè)現(xiàn)場的缺口環(huán)境很差，直接測量缺口的狀態(tài)是比較難的，對(duì)于測量范圍只有幾個(gè)毫米的缺口區(qū)域，形成的圖像必然模糊不清，在這種情況下采用的方法是在缺口旁邊的表示桿側(cè)面貼上一塊標(biāo)尺，在標(biāo)尺的前面固定安裝本套采集裝置，就可以得到反映缺口狀態(tài)的圖像信號(hào)。 b. 非接觸位移檢測 在該方案中我們采用的是微型黑白CMOS攝像頭。攝像頭輸出的是標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，每秒30幀圖像，每幀圖像有350行。 若鏡頭的視場寬度有45mm，為了保證0.2mm的測量精度，即每行250個(gè)點(diǎn)（0.4％的分辨率），為了準(zhǔn)確判定間隙的邊界，每行采樣500個(gè)點(diǎn)，則采樣頻率為： ——- f＝30 350 500＝5.25（MHz） 還有很多類似的方案，它們的共同特點(diǎn)都是前端ADC采樣，后端用高速、高性能CPU進(jìn)行處理，對(duì)ADC和CPU的速度要求很高。 對(duì)于非接觸檢測物體位移的項(xiàng)目中，實(shí)際需要測量的是間隙信號(hào)的寬度。將視頻信號(hào)處理，分離出幀同步、行同步信號(hào)和行圖像信號(hào)。讓間隙的行圖像信號(hào)與高頻時(shí)鐘脈沖相與，就得到一個(gè)合成信號(hào)。合成信號(hào)所包含的高頻時(shí)鐘信號(hào)脈沖數(shù)與間隙的寬度成正比，進(jìn)而可以通過計(jì)算高頻信號(hào)周期個(gè)數(shù)來測量間隙的寬度。其原理如圖4所示。將間隙的圖像模擬信號(hào)與高頻周期信號(hào)相與，通過計(jì)算合成信號(hào)中的高頻信號(hào)周期個(gè)數(shù)來測量間隙寬度。后端用MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。 高頻振蕩信號(hào)的溫度漂移問題，按照振蕩時(shí)鐘信號(hào)和溫度之間固有的函數(shù)關(guān)系，來對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償是傳感器發(fā)展的趨勢，CAN總線具有發(fā)送速率高、數(shù)據(jù)效率高、實(shí)時(shí)性高的特點(diǎn)。我們用MCP2510實(shí)現(xiàn)了傳感器通過CAN總線通信。 系統(tǒng)軟件流程圖 見圖5和圖6 在某工程檢測裝置中，用這一傳感器實(shí)現(xiàn)標(biāo)尺的間隙位移的非接觸測量。經(jīng)現(xiàn)場測試，傳感器的非接觸測量范圍為0～45mm，最大誤差小于0.2mm，響應(yīng)時(shí)間小于70ms，而傳感器的成本只需幾百元