基于激光位移傳感器可控節(jié)約型水龍頭的研究

馮璐夢(mèng) 雷巖巖 石珂珂

【摘要】提出了一種基于激光位移傳感技術(shù)的可控節(jié)約型水龍頭。介紹了激光位移傳感器三角位移測(cè)量法的原理，分別從水位高度信息的采集、光信號(hào)的轉(zhuǎn)換、電信號(hào)的處理三個(gè)方面分析，最后搭建了基于位移傳感器的可控型水龍頭體系結(jié)構(gòu)。

【關(guān)鍵詞】激光三角法 可控型水龍頭 光電轉(zhuǎn)換

微電子技術(shù)和傳感器已經(jīng)成為二十一世紀(jì)信息社會(huì)的重要標(biāo)志。隨著激光傳感器的廣泛應(yīng)用及新型光電掃描與光電探測(cè)技術(shù)的不斷提高，工業(yè)、農(nóng)業(yè)、家庭、軍事、醫(yī)學(xué)等應(yīng)用領(lǐng)域的傳統(tǒng)方法得到了改善。激光傳感可控型水龍頭將激光位移傳感器與電子信號(hào)處理技術(shù)結(jié)合，應(yīng)用在了水資源節(jié)約領(lǐng)域。市場(chǎng)上的傳統(tǒng)插卡式熱水龍頭在使用時(shí)難以估定水瓶?jī)?nèi)的水位，存在著極大的安全隱患和水資源浪費(fèi)問題。該項(xiàng)日利用激光位移傳感技術(shù)檢測(cè)并定位水的高度，經(jīng)過數(shù)字信號(hào)處理器將信號(hào)反饋到電子電路，自動(dòng)切斷電源。和傳統(tǒng)插卡式熱水龍頭相比，基于激光位移傳感器的可控節(jié)約型水龍頭具有測(cè)量精度高、可靠性好、非接觸、自動(dòng)化、安全等突出優(yōu)點(diǎn)，有極重要的現(xiàn)實(shí)和環(huán)保意義。在前期的推廣中，這項(xiàng)技術(shù)先應(yīng)用于學(xué)校水房保溫瓶水位的測(cè)試。隨著后期技術(shù)的成熟和市場(chǎng)的開發(fā)，可推廣向工廠水箱水位測(cè)定等更廣的領(lǐng)域，發(fā)揮更大的經(jīng)濟(jì)和應(yīng)用價(jià)值。

一、激光位移傳感器的研究現(xiàn)狀

現(xiàn)今光電技術(shù)的發(fā)展、微機(jī)的控制、數(shù)據(jù)的處理及PSD、CCD、四象限位移探測(cè)器的改善，使傳統(tǒng)的三角測(cè)量法有了廣泛的應(yīng)用。具體包括質(zhì)量的檢測(cè)、設(shè)備的維護(hù)、機(jī)械和生產(chǎn)自動(dòng)化、流程和設(shè)備的監(jiān)控等各個(gè)領(lǐng)域。

目前在國(guó)內(nèi)，激光位移傳感的主要應(yīng)用包括：對(duì)靈敏度和精確度的分析，如何提高其使用范圍以及位移、角度、同軸度的非接觸測(cè)量和校準(zhǔn)領(lǐng)域。不過，我國(guó)對(duì)激光位移傳感器的研究仍處于實(shí)驗(yàn)階段。國(guó)外很多專家對(duì)其做了大量的研究并取得成果。西班牙的研究者在三角激光位移傳感器的系統(tǒng)中，發(fā)現(xiàn)周圍的雜光對(duì)測(cè)量的精度有影響，并給出了相應(yīng)的消除方法。目前，國(guó)內(nèi)外有很多這樣的產(chǎn)品，廣泛地應(yīng)用在軍事技術(shù)、航空航天、檢測(cè)技術(shù)等諸多領(lǐng)域。美國(guó)研制出紅外測(cè)溫傳感器，使其在惡劣的環(huán)境下仍能測(cè)量出飛行器各部分的溫度；城市的交通管理也運(yùn)用紅外光電傳感器進(jìn)行路段事故檢測(cè)和故障排除的指揮?？傮w來說，國(guó)外傳感器的測(cè)量范圍大，線性度好，分辨率高，穩(wěn)定性好。國(guó)內(nèi)對(duì)激光位移傳感器的研究雖不及一些歐美國(guó)家，但是卻在研究的種類上屢創(chuàng)新奇。

二、激光三角測(cè)量技術(shù)的原理

激光三角測(cè)量法是指從光源發(fā)射一束光線到被測(cè)物體表面，在另一方向通過成像觀察反射光點(diǎn)的位置，成像位移和實(shí)際位移存在一定的換算關(guān)系，通過這個(gè)關(guān)系式可以計(jì)算出被測(cè)物體表面的實(shí)際位移。由于入射光和反射光構(gòu)成一個(gè)三角形光路，因此被稱為三角測(cè)量法。按照入射光線與被測(cè)物表面法線的關(guān)系，可分為直射式和斜射式。本項(xiàng)研究采用的是直射式激光三角測(cè)量法。

如圖l所示，激光發(fā)射器發(fā)射出一束光線到熱水瓶水面形成光斑，光線在表面發(fā)生反射后，從另一個(gè)方向通過成像透鏡，光斑成像在CCD位置傳感器上。隨著熱水瓶水面高度的變化，反射光的角度在發(fā)生變化，光斑成像也隨之發(fā)生位移。設(shè)光斑在CCD成像面上相對(duì)位移為X，被測(cè)表面（即水面高度）的實(shí)際位移為X，則兩者關(guān)系如下式：

在傳感器的選擇上，本項(xiàng)研究選用的是CCD激光位移傳感器。目前應(yīng)用于激光三角法測(cè)距的光接收元件包括：CCD（Charge-c.oupled Device，光電耦合器件）和PSD（Position Sensitive Detector，位置敏感元件）。PSD是基于橫向光電效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)光能、位置的轉(zhuǎn)換，CCD是一種新型光電轉(zhuǎn)化元件，主要由光敏單元、信號(hào)輸入單元和信號(hào)輸出單元組成。CCD以電荷作為信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電荷的存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)移和檢測(cè)。與PSD相比，CCD具有輕便、體積小、耗能小、精度高、穩(wěn)定性好、時(shí)效性高等特點(diǎn)?；谏鲜隹紤]，最終選定了CCD激光位移傳感器。

三、基于激光位移傳感器的可控型水龍頭系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本項(xiàng)目研究的激光位移傳感器硬件系統(tǒng)包括：激光電源、半導(dǎo)體激光器、線陣CCD驅(qū)動(dòng)電路、輸出信號(hào)的處理系統(tǒng)、單片機(jī)測(cè)量系統(tǒng)和水龍頭閥門控制系統(tǒng)。如圖2所示為激光位移傳感器的可控型水龍頭系統(tǒng)的總框圖。

3.1 光源的選擇

激光器有很多種：氣體激光器、固體激光器、半導(dǎo)體激光器等，氣體激光器單色性和方向性好，但體積和重量大，需要外部高壓電源，不易安裝在小型光學(xué)測(cè)頭上。半導(dǎo)體激光器具有超小型、高效率、電壓低、電能轉(zhuǎn)換率高、便于安裝等優(yōu)點(diǎn)。激光光束在傳播中存在散射，當(dāng)測(cè)量目標(biāo)越遠(yuǎn)，光能量分布不均勻，從而導(dǎo)致誤差出現(xiàn)，半導(dǎo)體激光位移傳感器可以進(jìn)行體積小的短距離測(cè)量。

3.2 線陣CCD驅(qū)動(dòng)電路

目前，應(yīng)用于激光三角測(cè)距系統(tǒng)的光接受元件主要有兩種：CCD——光電耦合器件和PSD——位置敏感元件。本測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用精度高、穩(wěn)定性好的光電耦合器件CCD作為光電探測(cè)器，根據(jù)被測(cè)物體的移動(dòng)距離，間接進(jìn)行測(cè)量。

3.3 輸出信號(hào)的處理系統(tǒng)

圖像采集后，CCD輸出的信號(hào)疊加了較大的干擾噪聲，所以要先經(jīng)過預(yù)處理電路后在進(jìn)行二值化處理。預(yù)處理即是將CCD輸出進(jìn)行前置放大后進(jìn)行濾波處理，放大電路將微弱的信號(hào)放大同時(shí)干擾的噪聲信號(hào)也得到了放大。

所以經(jīng)過低通濾波器將放大電路處理后信號(hào)中的高頻成分濾除，常用低通濾波器包括：三角濾波法、高斯低通濾波器、中值濾波器等不。最后將輸出的信號(hào)送入電壓比較器進(jìn)行二值化處理得到穩(wěn)定的數(shù)字信號(hào)。最后將數(shù)字信號(hào)送到單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)就能得到像點(diǎn)位置信息。系統(tǒng)將計(jì)算后的結(jié)果顯示在顯示器界面上。

3.4 水龍頭閥門控制系統(tǒng)

在理想條件下，熱水瓶的高度為H，由上述系統(tǒng)測(cè)出水面高度為X，當(dāng)x的值接近L時(shí)，系統(tǒng)通過反饋電路來控制水龍頭的閥門。

四、結(jié)束語

激光三角法采用非接觸測(cè)量，以其實(shí)時(shí)性強(qiáng)、精度高、對(duì)被測(cè)物體表面沒有特殊要求等優(yōu)點(diǎn)得以廣泛應(yīng)用，本論文利用直射式激光三角法，對(duì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和所選器件做出了合理的設(shè)計(jì)和選擇。論文的主要工作包括以下幾個(gè)方面：

（1）通過對(duì)激光測(cè)距系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀研究，并結(jié)合本系統(tǒng)情況，確定了本系統(tǒng)的測(cè)量原理。

（2）數(shù)據(jù)采集：令熱水瓶的高度是定值H，從光源發(fā)射一束激光到被測(cè)物體（上升水面）表面，在另一方向通過成像觀察反射光點(diǎn)的位置。通過線陣CCD對(duì)光電信號(hào)進(jìn)行采集，從而計(jì)算出水面到瓶口的距離X。

（3）信號(hào)處理將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過濾波放大電路處理，然后將輸出的結(jié)果由模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，最后將信號(hào)送人單片機(jī)系統(tǒng)。

（4）數(shù)據(jù)結(jié)果輸出：通過單片機(jī)的計(jì)算被測(cè)物體的位移量，當(dāng)X-H趨近于零時(shí)，將其距離顯示在顯示器界面上，通過電路控制水龍頭閥門的關(guān)閉。

后期工作展望：

（1）完善三角法測(cè)量原理的理論分析，減少由于測(cè)量產(chǎn)生的誤差。

（2）改進(jìn)數(shù)據(jù)采集和信號(hào)處理的電路，推廣此技術(shù)的應(yīng)用范圍，使其可以應(yīng)用于未知高度的熱水瓶。