光電式電子水平儀設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

王鍇磊 劉 莎 王春喜 高秋娟

(北京航天計量測試技術(shù)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(guān)重要[1]。隨著對測量精度要求的進(jìn)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(zhuǎn)化為電子測量模式。水泡、光學(xué)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(shí)時監(jiān)控是一個致命弱點(diǎn)。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(jìn)行采集，實(shí)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(jìn)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(yīng)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(jī)床、儀器導(dǎo)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(shè)備的安裝調(diào)試，實(shí)驗(yàn)室的測量基準(zhǔn)均需要對平面基準(zhǔn)的測量和校準(zhǔn)，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(shí)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(shí)現(xiàn)原理和設(shè)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(xué)系統(tǒng)的反射定律進(jìn)行水平度測量，然后通過自準(zhǔn)直成像系統(tǒng)將反射角度的變化轉(zhuǎn)化為成像位置的變化，再由三角函數(shù)計算角度值，實(shí)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(dāng)反射面1旋轉(zhuǎn)角度α?xí)r，法線3向同樣的方向旋轉(zhuǎn)α，此時，依據(jù)反射定律，反射光束向同樣的方向旋轉(zhuǎn)2α。

試想，如果通過光學(xué)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(jìn)入物鏡2，最終匯聚于焦面上，在CCD傳感器上成像。當(dāng)反射面分別以X軸和Y軸發(fā)生轉(zhuǎn)動時，分化板在CCD上所成的像位置會發(fā)生相應(yīng)的變化，根據(jù)需要設(shè)計分劃板的形狀，實(shí)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(dāng)反射面XY繞X軸轉(zhuǎn)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(guān)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(jìn)行測量，由此可以計算液體反射表面的偏轉(zhuǎn)角度，從而實(shí)現(xiàn)水平度測量。同樣當(dāng)反射面繞Y軸發(fā)生轉(zhuǎn)動時，一樣可以計算其旋轉(zhuǎn)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(shè)計

3.1 總體設(shè)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(shí)現(xiàn)兩維同步測量，利用500#的甲基硅油面作為基準(zhǔn)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(shè)計要求。由此設(shè)計了如圖4所示的電子水平儀。

1-光源；2-分劃板；3、6-光學(xué)鏡頭；4-平板玻璃；5-硅油表面；7-CCD；8-測量基準(zhǔn)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(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Photoelectric electronic level structure diagram

本系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)采用硬鋁材料加工，加工完成后進(jìn)行溫循處理，充分釋放硬力，確保結(jié)構(gòu)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(xué)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(jìn)入光學(xué)鏡頭4，CCD7放置在光學(xué)鏡頭6的焦面上，此時，分劃板在CCD上成像，當(dāng)電子水平儀的測量基準(zhǔn)面8與被測面接觸后即可對被測面的水平度進(jìn)行測量。

本文的設(shè)計采用線陣CCD進(jìn)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(shí)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(diǎn)和B點(diǎn)，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(diǎn)在CCD上的成像坐標(biāo)；LB——B點(diǎn)在CCD上的成像坐標(biāo)；LA1——A1點(diǎn)在CCD上的成像坐標(biāo)；LB1——B1點(diǎn)在CCD上的成像坐標(biāo)；γ——“V”字型分劃板夾角的一半。

3.2 硬件設(shè)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(qū)動下，將光信號轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)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(zhuǎn)換后結(jié)果，進(jìn)行運(yùn)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(fù)責(zé)產(chǎn)生CCD的驅(qū)動脈沖，以及其他時鐘信號[4]。電源單元為獨(dú)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(shè)計。

3.2.1 電源單元

電源系統(tǒng)采用鋰電池進(jìn)行供電，由標(biāo)準(zhǔn)電源適配器對其進(jìn)行充電。通過電源穩(wěn)壓模塊實(shí)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(qū)動及前端信號處理

采用可編程邏輯器件CPLD來實(shí)現(xiàn)線陣CCD的驅(qū)動時序，只需要一片集成電路就可以獲得復(fù)雜穩(wěn)定的輸出時序，靈活性好，電路體積小。具體實(shí)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(shí)現(xiàn)TCDl304AP的驅(qū)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(qū)動脈沖。TCD1304需要在這三個時鐘的驅(qū)動下完成光電轉(zhuǎn)換，CPLD邏輯控制單元即產(chǎn)生如圖8所示的驅(qū)動時序。

圖8 TCD1304驅(qū)動時序Fig.8 TCD1304 drive timing

在驅(qū)動電路的驅(qū)動下，TCD1304AP輸出信號負(fù)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(biāo)亮度呈線性變化，選用高輸入阻抗、運(yùn)算放大器AD820實(shí)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(qiáng)信號的驅(qū)動能力。運(yùn)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(yù)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(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，同步存入雙端口 SRAM 存儲器 CY7C024AV-25AXI來實(shí)現(xiàn)高速緩存功能。系統(tǒng)按如下流程進(jìn)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(zhuǎn)換后的數(shù)字信號由右端口寫入存儲器中。當(dāng)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(zhuǎn)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(jìn)行分析、處理。

系統(tǒng)控制采用ATMEL公司生產(chǎn)的ATmega128單片機(jī)，該單片機(jī)采用先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)，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(dá)16MHz。該系列單片機(jī)性能穩(wěn)定，運(yùn)算速度快，完全可以滿足系統(tǒng)控制和運(yùn)算的要求。

3.2.4 顯示模塊

采用16*2的點(diǎn)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(biāo)點(diǎn)符號等可顯示的字符點(diǎn)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(jī)為并行接口方式，依據(jù)MCU并行接口標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行連接，LCD1602數(shù)據(jù)端與ATmega128單片機(jī)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(shè)計原理及實(shí)現(xiàn)

3.3.1 CCD信號二值化算法設(shè)計

根據(jù)對CCD傳感器視頻信號應(yīng)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(xué)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(qiáng)上的變化反映在CCD視頻信號中對應(yīng)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(zhuǎn)換器實(shí)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(yīng)當(dāng)前信號的閾值進(jìn)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(yùn)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(yīng)性具有較高的應(yīng)用價值。

3.3.2 CCD象元中值細(xì)分算法設(shè)計

目前應(yīng)用比較廣泛的線陣CCD像素定位細(xì)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(jié)果影響較大。采用固定閾值比較簡單，但對環(huán)境的適應(yīng)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(jìn)行處理。但此處理方法也存在一定的缺陷，當(dāng)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(yán)重影響測量的準(zhǔn)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(yīng)性和測量穩(wěn)定性。

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

(5)

式中：XC——所求目標(biāo)的重心位置；Vi——CCD像素單元所對應(yīng)輸出的電壓值；i——CCD所對應(yīng)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(diǎn)的邊界。由于“V”型分劃板在CCD上成像包含兩個像點(diǎn)，本文采用雙向掃描的方法，來確定成像點(diǎn)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(dāng)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(yīng)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(diǎn)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(diǎn)B。按照圖5所示的計算方法既可計算水平傾角。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)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(shè)計的光電式電子水平儀進(jìn)行了技術(shù)指標(biāo)的測試，技術(shù)指標(biāo)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(shè)計原理正確，水平度測量誤差達(dá)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(shù)指標(biāo)

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

序號標(biāo)準(zhǔn)角X軸X誤差標(biāo)準(zhǔn)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(jié)束語

光電式電子水平儀融合了光學(xué)系統(tǒng)和成像系統(tǒng)，以甲基硅油表面作為水平基準(zhǔn)，將其置入準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)中，實(shí)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(shí)現(xiàn)了兩維水平度的測量，目前可以達(dá)到水平度2″的測量誤差。該型電子水平儀的設(shè)計完全拋開了國外高精度的水平度傳感器，獨(dú)立完成傳感器的設(shè)計和控制單元的設(shè)計，具有較高的推廣應(yīng)用價值。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，我們將會進(jìn)一步完善系統(tǒng)的設(shè)計方法和設(shè)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。