基于線陣電荷耦合器件的數(shù)字差分式肌張力傳感器*

張敏，孫雪，邱召運(yùn)，馬晨陽(yáng)，白雪，王小東

(濰坊醫(yī)學(xué)院電子與計(jì)算機(jī)技術(shù)教研室，山東 濰坊 261053)

1 引 言

肌張力傳感器主要有應(yīng)變式、壓阻式和壓電式等，這些傳感器的敏感元件與力學(xué)彈性元件直接接觸，雖具有較高的靈敏度，但其抗瞬變沖擊的能力弱，常因過(guò)載而造成傳感器的損壞。因此，常采用非接觸式測(cè)量方法提高力學(xué)傳感器的使用壽命[1-2]。非接觸測(cè)量技術(shù)中，常用光和磁作為測(cè)量媒介，檢測(cè)元件則用光敏器件和磁敏器件，為了克服環(huán)境中光和磁的影響，常用差動(dòng)測(cè)量技術(shù)來(lái)提高線性度和靈敏度，并提高抗干擾能力[3]。近年來(lái)，電荷耦合器件(CCD) 作為光電轉(zhuǎn)換元件設(shè)計(jì)傳感器的研究頗多，其中線陣CCD具有動(dòng)態(tài)范圍大、空間分辨率高、可輸出數(shù)字化信息等諸多優(yōu)點(diǎn)[4]，常用來(lái)設(shè)計(jì)力學(xué)傳感器，可實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量并提高傳感器的穩(wěn)定性和可靠性[5]。為了提高測(cè)量精度，文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)了雙線陣CCD非接觸測(cè)量系統(tǒng)，文獻(xiàn)[7]提出了以時(shí)間為參考點(diǎn)的差動(dòng)式線陣CCD位移傳感器，均基于線陣CCD實(shí)現(xiàn)了位移和角度的非接觸測(cè)量[8-9]。采用差分對(duì)稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)傳感器，避免單個(gè)線陣CCD測(cè)量受非線性變量的影響。線陣CCD的像元具有離散均勻分布的特點(diǎn)，其輸出具有數(shù)字量的特征，通過(guò)閾值濾波處理，可讀取像元數(shù)量和像元位置，直接實(shí)現(xiàn)數(shù)字量的測(cè)量；若合理設(shè)計(jì)光路，采用雙線陣CCD設(shè)計(jì)差動(dòng)測(cè)量結(jié)構(gòu)[10-11]，可實(shí)現(xiàn)數(shù)字差分式測(cè)量。據(jù)此，以懸臂梁為彈性敏感元件，以線陣CCD為檢測(cè)元件設(shè)計(jì)了數(shù)字差分式肌張力傳感器，為數(shù)字化的張力測(cè)量提供了一種新的技術(shù)方法。

2 傳感器差動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成框圖

圖1是傳感器系統(tǒng)構(gòu)成框圖，傳感器系統(tǒng)主要由半導(dǎo)體激光器、懸臂梁、線陣CCD、單片機(jī)和數(shù)碼顯示等部分構(gòu)成，激光器和CCD敏感面均與水平方向呈45度安裝。圖1中，激光器LASER1和線陣CCD1構(gòu)成一光路測(cè)量系統(tǒng)，激光器LASER2和線陣CCD2構(gòu)成另一光路測(cè)量系統(tǒng)，其對(duì)稱置于懸臂梁AB上下兩側(cè)，懸臂梁上下面設(shè)有激光反射面C，懸臂梁未施加張力時(shí)，激光器向反射面C發(fā)射激光，反射激光束將垂直照射到CCD的敏感面中心。當(dāng)懸臂梁受到張力作用時(shí)，單片機(jī)MCU產(chǎn)生控制時(shí)序，驅(qū)動(dòng)并讀取CCD激光點(diǎn)位移偏移的像元格數(shù)，用LED數(shù)碼管顯示出張力的數(shù)值，系統(tǒng)采用DC 5 V供電。

圖1 傳感器系統(tǒng)構(gòu)成框圖Fig 1 Block diagram of sensor system

2.2 差動(dòng)結(jié)構(gòu)原理

圖2是傳感器差動(dòng)結(jié)構(gòu)原理圖。圖2中，懸臂梁A端固定，B端施加張力。給LASER1和LASER2分別加載20 mA工作電流，二者同時(shí)向懸臂梁的反射面C發(fā)射波長(zhǎng)為650 nm的激光束，激光束與處于水平方向的懸臂梁呈45度夾角。當(dāng)懸臂梁不受力時(shí)，激光束經(jīng)C點(diǎn)(懸臂梁上下面各一個(gè)反射面)反射垂直照射在CCD1或CCD2的感光窗口的中心，設(shè)兩CCD至C點(diǎn)的距離均為h。當(dāng)懸臂梁在張力作用下彎曲形變產(chǎn)生角位移時(shí)，反射面C的法線方向偏轉(zhuǎn)使兩側(cè)CCD接收到激光束產(chǎn)生位移變化，且移動(dòng)方向相反，位移量具有差模信號(hào)的特征，因此，這種結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)差分測(cè)量。

圖2 傳感器差動(dòng)結(jié)構(gòu)原理圖Fig 2 Principle diagram of sensor differential structure

2.3 線陣CCD簡(jiǎn)介

電荷耦合器件用電荷量來(lái)表示光強(qiáng)度的大小，電荷量以移位傳輸?shù)鸟詈戏绞捷敵龉鈴?qiáng)圖像信號(hào)，分為線陣CCD和面陣CCD，其基本功能可實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)分布和圖形尺寸的數(shù)字化非接觸測(cè)量。實(shí)驗(yàn)方案中采用了TCD1209D線陣CCD，具有傳輸速度高、暗電流小和驅(qū)動(dòng)時(shí)序簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)[12]。TCD1209D內(nèi)部有2048個(gè)光電像元，像元尺寸為14 μm×14 μm，其中心間距為14 μm。若用激光照射像元，讀取并計(jì)算激光光斑的中心位置，可以測(cè)量出光斑偏離參考點(diǎn)的位移量。線陣CCD讀取像元的個(gè)數(shù)為離散數(shù)字量，這為不經(jīng)ADC電路進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換而直接實(shí)現(xiàn)數(shù)字化測(cè)量提供了依據(jù)。

3 測(cè)量原理

3.1 光路分析

圖3為傳感器光路示意圖。圖3中，設(shè)AB距離為L(zhǎng)，n1為反射面C的法線。懸臂梁在張力F的作用下彎曲，使法線n1較原來(lái)方向偏轉(zhuǎn)θ，光路變化見(jiàn)圖中實(shí)線所示。根據(jù)光杠桿原理，反射光線相對(duì)于受力前偏轉(zhuǎn)了2θ，光斑在兩個(gè)CCD感光窗口上朝相反的方向移動(dòng)，設(shè)在CCD窗口上的位移分別為d1、d2。另外懸臂梁形變時(shí)，反射面C在垂直方向上會(huì)產(chǎn)生位移y，當(dāng)θ很小時(shí)，y可忽略不計(jì)。因此：

d1=htan(2θ)，d2=-htan(2θ)

二者求差分運(yùn)算：d1-d2=2htan(2θ)

當(dāng)θ很小時(shí)：

tan(2θ)≈2θ

故：

d1-d2=2htan(2θ)=4hθ

(1)

因偏角θ與F相關(guān)[2]：θ=KθF

(2)

式1改寫(xiě)為：

d1-d2=4hKθF

因h和Kθ均為常數(shù)，令K=4hKθ。

則：

d1-d2=KF

(3)

式3表示，在給定懸臂梁及h的情況下，位移量d1-d2與作用力F成正比關(guān)系。

3.2 數(shù)字差分實(shí)現(xiàn)

圖3 傳感器光路示意圖Fig 3 Diagram of sensor optical path

式3中位移d1、d2由單片機(jī)MCU從線陣CCD中讀出，其值與激光束照在線陣CCD的敏感面上所形成的光斑照射的像素元位置相對(duì)應(yīng)，在CCD輸出電路中應(yīng)用電壓比較器對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行二值化處理，過(guò)濾因環(huán)境光引起的像元信號(hào)干擾，激光光斑照射范圍以脈沖的形式輸出，取光斑在CCD光敏線元的中心像元作為位移計(jì)算位置，以減少光斑大小所造成的誤差。讀取CCD受力前后激光的照射位置間隔的像元數(shù)n1、n2，可測(cè)得的位移量d1、d2，考慮像元中心間距是14 μm，故

d1-d2=14(n1-n2)

根據(jù)式3得：

(4)

或令k=14/K，則：

F=k(n1-n2)=kn

(5)

式4、5中，因n1、n2為數(shù)字量，張力正比于像元偏移量的差分值n。因此，設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)了數(shù)字差分式的測(cè)量。

3.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與結(jié)果

構(gòu)建如圖3所示的測(cè)量模型，取h=5 cm，L=12 cm，采用單懸臂梁以增加砝碼的方式來(lái)增加張力，每增加5 g測(cè)量并記錄1次，共測(cè)得12組數(shù)據(jù)，見(jiàn)表1。

表1 像元偏移量與作用力關(guān)系實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖4像元偏移量與作用力關(guān)系曲線

Fig4Relationcurveofpixeloffsetandforce

對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，得到圖4所示像元偏移量與作用力關(guān)系的擬合曲線，其中n1為線陣CCD1測(cè)量得數(shù)據(jù)的擬合曲線，n2為線陣CCD2測(cè)量得數(shù)據(jù)的擬合曲線，n為差分?jǐn)?shù)據(jù)的擬合曲線。并得到多項(xiàng)式擬合方程分別為

n1=4.78+3.8F+0.01658F2

(6)

n2=-7.35-4.46F+0.01665F2

(7)

n=12.63+8.2F+0.002F2

(8)

n=12.63+8.2F

(9)

對(duì)比式6、7、8中非線性系數(shù)，數(shù)字差分后輸出特性明顯優(yōu)于單一CCD的輸出特性，差分測(cè)量顯著降低了傳感器的非線性度，其靈敏度為8.2像元數(shù)/g，非線性項(xiàng)可忽略不計(jì)，表示傳感器具有較高的線性度，可實(shí)現(xiàn)數(shù)字差分式的張力測(cè)量；式9中存在零點(diǎn)漂移量，可通過(guò)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的對(duì)稱性降低。

4 靜態(tài)指標(biāo)分析

4.1 分辨率和動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍分析

分辨率是當(dāng)輸入量變化量超過(guò)某一數(shù)值時(shí)傳感器輸出產(chǎn)生相應(yīng)的變化量與傳感器滿量程的比值。本研究中傳感器采用線陣CCD，當(dāng)輸入量使光斑移動(dòng)超過(guò)兩個(gè)像元的間距時(shí)，傳感器才會(huì)產(chǎn)生輸出響應(yīng)。在給定實(shí)驗(yàn)條件下，由式2和式3得:

故分辨率R為:

F1為像素元間距n為1時(shí)輸出量，F(xiàn)為滿量程n為1024時(shí)的輸出量，故:

動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍的大小與線陣CCD的像元數(shù)量和傳感器的靈敏度相關(guān)，根據(jù)式9，在給定條件下傳感器的靈敏度為k=8.2像元數(shù)/g，像元數(shù)變化范圍為-1024～1024，因此:

(10)

故動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍為-125～125 g。

4.2 遲滯參數(shù)測(cè)量與分析

根據(jù)圖3的實(shí)驗(yàn)條件，在最大測(cè)量范圍內(nèi)分別用增加砝碼和減小砝碼的方法來(lái)測(cè)量作用力的改變引起的像素元數(shù)的變化，每增加10 g測(cè)量并記錄1次，共測(cè)得11組數(shù)據(jù)，見(jiàn)表2。

表2 傳感器遲滯參數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖5傳感器遲滯參數(shù)實(shí)驗(yàn)曲線

Fig.5Curveofsensorhysteresisexperiment

根據(jù)表2數(shù)據(jù)繪制圖5所示的傳感器遲滯參數(shù)實(shí)驗(yàn)曲線，其中n1、n2分別為線陣CCD1和CCD2正向?qū)嶒?yàn)曲線，n3、n4分別為線陣CCD1和CCD2逆向?qū)嶒?yàn)曲線，N1為n1與n2差分所得曲線，N2為n3與n4差分所得曲線。據(jù)此得出CCD1的遲滯為:

H1=±(30/543)×100%=±5.53%

CCD2的遲滯為:

H2=±(15/403)×100%=±3.72%

差分后所得遲滯為:

H=±(15/946)×100%=±1.59%

由圖5可見(jiàn)，n1與n3和n2與n4構(gòu)成的遲滯環(huán)均為逆時(shí)針?lè)较?，故差分后的遲滯H較H1、H2明顯變小。結(jié)果表明，差分式測(cè)量減小了遲滯，有利于提高傳感器的精度。

5 結(jié)束語(yǔ)

利用懸臂梁作為敏感元件將被測(cè)量張力變化轉(zhuǎn)換為角位移的變化，利用激光反射將角位移轉(zhuǎn)換為線位移，并通過(guò)線陣CCD讀取像元數(shù)字量，實(shí)現(xiàn)了光電感應(yīng)式的非接觸測(cè)量，有利于提高傳感器的可靠性和使用壽命。采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)量能夠提高整個(gè)系統(tǒng)的線性度和靈敏度。應(yīng)當(dāng)指出懸臂梁發(fā)生形變時(shí)在垂直方向上產(chǎn)生位移偏差，致使激光束反射的偏轉(zhuǎn)角比理論值偏大，為減小測(cè)量誤差，應(yīng)使激光束反射面靠近懸臂梁的固定端，但這樣也必然會(huì)造成傳感器靈敏度降低，實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)根據(jù)量程、測(cè)量范圍進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。