磁懸浮球系統(tǒng)中光電傳感器的研究與設(shè)計(jì)

1、 文章編號(hào) :1671-637 (2005 0420065203磁懸浮球系統(tǒng)中光電傳感器的研究與設(shè)計(jì)楊鋒力 , 李群明 , 黃明輝 , 楊安全(中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 , 湖南 長(zhǎng)沙 410083摘 要 : 主要針對(duì)磁懸浮球系統(tǒng)中非接觸式位移檢測(cè) , 依據(jù)感光器件的光伏效應(yīng)原理 , 闡述 了非接觸式光電傳感器的研究與設(shè)計(jì) , 實(shí)現(xiàn)了光電信號(hào)測(cè)量微位移 。通過(guò)磁懸浮球?qū)嶒?yàn)研究表明 該傳感器的精度 (0. 01mm 和響應(yīng)速度 (<0. 1ms 均達(dá)到預(yù)期要求 , 從而給出了一種方便 、 低成本 的位移檢測(cè)方法 。關(guān) 鍵 詞 : 光電傳感器 ; 硅光電池 ; 非接觸測(cè)量 ; 磁懸浮中圖分類號(hào)

2、: TP212. 13 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 : AOn photoelectricY ANG -H UANG Ming -hui , Y ANG An -quan(, Central South Univer sity , Changsha , 410083, China Abstract :ors describe their research and design of ph otoelectric sens or according to a ph otoemission principle of the ph otocell , with which micro 2distance measu

3、rement is realized in the magnetic levitation ball sys 2 tem. The ex periment results sh ow that the precision (0. 01mm and quick response (<0. 1ms of this kind of sens or can meet the preset requirements. Thus a low -cost and convenient way for measuring displacement with 2 out contact is provid

4、ed.K ey Words : photoelectric sens or ; photocell ; non -contact measurement ; magnetic levitation0 前言傳感器技術(shù)作為控制實(shí)現(xiàn)的必要手段 , 是其他 技術(shù)所難以替代的 。 由于現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)雜和環(huán)境的多樣 性 , 設(shè)計(jì)相應(yīng)的傳感器使之適應(yīng)生產(chǎn)或研究需要 , 實(shí) 現(xiàn)特定環(huán)境下的測(cè)量尤為重要 。 本文主要針對(duì)磁力 懸浮條件下非接觸位移測(cè)量中所應(yīng)用的傳感器設(shè)計(jì) 研究展開(kāi)介紹 。在磁懸浮球系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中 , 傳感器所 需要檢測(cè)的是小球與電磁鐵之間的位移變化信號(hào) , 以反映小球在垂直方向的運(yùn)動(dòng) 。 根據(jù)磁懸浮系統(tǒng)本

5、 身的特點(diǎn) , 位置傳感器應(yīng)該是非接觸式的 , 通常利用收稿日期 :2004209203 修定日期 :2004209213基金項(xiàng)目 :國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃 (973計(jì)劃 (2003C B716206作者簡(jiǎn)介 :楊鋒力 (19792 , 男 , 河北趙縣人 , 碩士研究生 , 主 要從事磁懸浮系統(tǒng)研究 。 渦流 、 電容或者電感傳感器均可以實(shí)現(xiàn)非接觸位移 檢測(cè)的目的 , 但在本實(shí)驗(yàn)中 , 檢測(cè)環(huán)境比較特殊 , 若 采用上述傳感器不但成本高 , 而且測(cè)量不容易實(shí)現(xiàn) , 故而選擇自制光電式傳感器 , 可以不受電磁信號(hào)的 干擾 , 有更高的穩(wěn)定性 , 且成本低 、 調(diào)節(jié)方便 , 更加適 用于本系統(tǒng)

6、實(shí)驗(yàn)研究 。1 工作原理光電位移傳感器主要由電子系統(tǒng)和光學(xué)系統(tǒng)構(gòu) 成 。 電子系統(tǒng)主要由感光器件構(gòu)成 , 常用的感光元 器件主要有光敏電阻 、 光敏晶體管 (包括光敏二極管 和光敏三極管 、 硅光電池等 。 它們都是用半導(dǎo)體材 料制成的 , 利用光電效應(yīng)的原理來(lái)工作 。光敏電阻 的穩(wěn)定性好但靈敏度低 , 線性度較差 。光敏二極管 靈敏度較高 , 光譜范圍寬 , 體積小 , 但穩(wěn)定性和線性 度均差 。 光敏三極管有很高的靈敏度 , 較好的線性 度和極高的頻率響應(yīng) , 但受環(huán)境溫度影響較大 。光 第 12卷第 4期2005年 8月電光與控制E LECTRONICS OPTICS &C ON

7、TRO LV ol. 12 . 4 Aug. 2005敏電池的線性度和穩(wěn)定性較好 , 光譜范圍也較寬 , 但靈敏度較低 , 頻率響應(yīng)相對(duì)較慢 , 體積大 。 考慮到具 體應(yīng)用場(chǎng)合信號(hào)頻率低 (<100H z 、 線性度和穩(wěn)定 性要求高 、 接收面積大等特點(diǎn) , 故選用光電池作為傳 感器的感光部件 。光電池是在 N 型硅片上擴(kuò)散硼形成 P 型層 , 然 后分別用電極引線把 P 型和 N 型層引出 , 形成正 、 副電極 , 如圖 1所示 。當(dāng)光照射到 PN 結(jié)時(shí) , 在光子 能量的作用下 ,N 型半導(dǎo)體中的電子就向 P 區(qū)擴(kuò)散 , P 型半導(dǎo)體中的空穴向 N 區(qū)擴(kuò)散 。 這樣就在結(jié)區(qū)的 附

8、近激發(fā)出電子 、 空穴 , 形成電場(chǎng) 。 這個(gè)電場(chǎng)又使 N 區(qū)的光生空穴向 P 區(qū)運(yùn)動(dòng) ,P 區(qū)積聚了正電荷 ,P 區(qū) 的光生電子向 N 區(qū)運(yùn)動(dòng) ,N 區(qū)積聚了負(fù)電荷 。結(jié)果 就在 PN 結(jié)的兩端出現(xiàn)了電動(dòng)勢(shì) , 即光生電動(dòng)勢(shì) 。 ,故而選用硅光電池 。硅光電池的光譜范圍比較寬 , 響應(yīng)頻率也在可見(jiàn)光范圍內(nèi) , 光學(xué)系統(tǒng)采用普通直 流小燈泡即可 。硅光電池在不同光照射條件下輸出不同的光電 流和光生電壓 , 它們之間的關(guān)系用光照特性曲線來(lái) 表示 。由圖 2可知 , 在很大的范圍內(nèi) , 短路電流 (曲 線 2 和照度成線性關(guān)系 , 雖然開(kāi)路電壓 (曲線 1 在 照度很小時(shí)增加很快 , 但很快就達(dá)到

9、了飽和值 , 實(shí)際 使用時(shí)讓其在接近短路狀態(tài)下工作 , 以得到更好的 光照特性 。圖 2 硅光電池照度曲線2 傳感器實(shí)驗(yàn)裝置及外部電路傳感器實(shí)驗(yàn)裝置示意如圖 3所示1。圖 3 系統(tǒng)示意圖 , 狹縫的(照 , 2。, 硅光電池接收光信號(hào) , 雜光、 背光對(duì)其干擾必然存在 , 實(shí)驗(yàn) 裝置的設(shè)計(jì)應(yīng)盡量避免或減少這種干擾 , 特在接收端 采 用光筒封閉硅光電池 (一端封閉另一端開(kāi)透光狹 縫 。 同樣為了使發(fā)射光盡量減少被外界光干擾 , 發(fā)射 端也采用相同裝置封閉 (圖 3中擋光套和透光狹縫所 示 , 整個(gè)裝置外部加檔光板以取得更好的效果。 光源采用 12V 直流電珠用來(lái)避免交流電信號(hào) 造成的干擾 ,

10、為了達(dá)到更好的線性效果 , 采用透鏡裝 置產(chǎn)生光強(qiáng)均勻的平行光照射狹縫 , 具體結(jié)構(gòu)如圖 4所示 , 狹縫裝置沒(méi)有嚴(yán)格要求 , 旨在避免外界光干 擾 , 本實(shí)驗(yàn)中采用 1. 5mm 左右寬度 , 效果理想 。圖 4 光源設(shè)計(jì)硅光電池通過(guò)接收光能轉(zhuǎn)化為電能 , 由于能量 接收少 , 且硅光電池到目前為止轉(zhuǎn)化效率并不高 , 故 其產(chǎn)生的電壓信號(hào)比較微弱 , 尚不能夠直接采樣控 制使用 , 所以外部電路需一級(jí)放大環(huán)節(jié) 3。鑒于實(shí) 驗(yàn)系統(tǒng)所采用的數(shù)字處理芯片 (DSP AD 采樣模塊所承受的最大輸入電壓為 3. 3V , 故選擇放大 10倍 左右 , 在輸出級(jí)適當(dāng)調(diào)節(jié)分壓即可 。 另一方面 , 在普

11、通實(shí)驗(yàn)條件下 , 外界光對(duì)感光器件的干擾不可能絕 對(duì)避免 , 另外電路接線 、 電子元器件的穩(wěn)定性等都給 信號(hào)帶來(lái)一定的噪聲 , 因此 , 信號(hào)調(diào)理環(huán)節(jié)也必不可 少 。 外部電路 4的 構(gòu) 成 則 主 要 為 放 大 與 濾 波 環(huán)66 電光與控制 第 12卷節(jié) 5, 電路原理圖如圖 5所示 , 為了減少器件性能帶 來(lái)的干擾 , 系統(tǒng)均采用 OP 型高精密運(yùn)算放大器與 精密電阻 、 電容 、 電位器等 6 。圖 5 外部電路原理圖假設(shè)輸入信號(hào)為 u i , 輸出量為 u o , 則對(duì)應(yīng)的輸入輸出幅值關(guān)系如式 (1 :u 0=-1+sCR 4R 1+Rf R 5+R 6 u i (1其中 :&#

12、215;(R R 3+(R 1+Rf =R 2(2 由于應(yīng)用于低頻信號(hào) , 故 (1 (3 式 :u o =-R 1R 6i (3f 07f 0=2R 4C (4其中 :Rf 為可調(diào)電阻 , R 1、 R 2、 R 3與 AR 2構(gòu)成比例放大環(huán)節(jié) , R 2為平衡電阻 , R 4為限流電阻 , R 5、 R 6為分壓電阻 , 也可起到限流作用 。3 信號(hào)輸入采樣結(jié)果實(shí)驗(yàn)裝置及外部電路按照電路原理圖正確連接 后進(jìn)行測(cè)試 , 調(diào)制處理前的光電感應(yīng)信號(hào)采樣結(jié)果 如圖 6所示 :圖 6 濾波前信號(hào)采樣結(jié)果由圖示曲線可以得出結(jié)論 :波形不平滑反映出干擾信號(hào)的存在 , 尖脈沖干擾信號(hào)周期性出現(xiàn) , 考慮

13、到此類信號(hào)一般都是高頻干擾的作用結(jié)果 , 故采用 一級(jí)有源低通濾波環(huán)節(jié)加以改善 。 采樣顯示結(jié)果如 圖 7所示 , 結(jié)果顯示輸出信號(hào)采樣曲線變得平滑 , 信 號(hào)得以明顯改善 , 高頻噪聲的干擾大部分已經(jīng)消除 。4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果在此實(shí)驗(yàn)中主要檢查感光面積按給定規(guī)律發(fā)生改變時(shí)的電壓信號(hào)輸出規(guī)律 , 亦即檢測(cè)該傳感器裝 置的線性度以及線性范圍 。 通過(guò)改變透光狹縫的面 積來(lái)測(cè)量輸出電壓信號(hào) , 實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖 8所示 。其中 x 表示透光狹縫的減小量 (mm , y 表示 輸出電壓信號(hào) (v , 由曲線可得該光電池輸出電壓信 號(hào)分段線性 , 將工作狀態(tài)取在斜率較大的一段 , 逼近 直線方程如下 :圖 7

14、濾波后信號(hào)采樣結(jié)果圖 8 傳感器工作曲線y =3. 022-0. 288x (5此方程即為傳感器的有用信號(hào) , 亦即控制系統(tǒng)建模的理論公式 , 實(shí)驗(yàn)中將平衡位置取在 1. 5V 2. 3V 之間的任意位置均可 。以上原理 、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果正確無(wú)誤后實(shí)現(xiàn)硬件接線 用于磁懸浮球?qū)嶒?yàn)研究 , 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明 , 該傳感器的 響應(yīng)速度和精度均能滿足系統(tǒng)需要 , 適當(dāng)調(diào)節(jié)控制 器參數(shù)得到了比較好的控制效果 。5 結(jié)論本文主要論述了光電位移傳感器的原理以及設(shè) 計(jì)過(guò)程 , 最后應(yīng)用在磁懸浮球系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中得到了理 想的控制效果 。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明這種非接觸式位移測(cè) 量光電傳感器具有成本低 、 方便 、 迅速的優(yōu)點(diǎn) ,

15、不僅(下轉(zhuǎn)第 70頁(yè) 76第 4期 楊鋒力等 : 磁懸浮球系統(tǒng)中光電傳感器的研究與設(shè)計(jì)算法檢測(cè)端點(diǎn) , 可有效避免誤切割 , 實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖 4。 3 多字詞端點(diǎn)的檢測(cè)上述算法不僅能有效地檢測(cè)出單字發(fā)音的端點(diǎn) ,也可以對(duì)多字詞語(yǔ)音信號(hào)分別檢測(cè)出相應(yīng)發(fā)音的端點(diǎn)(文獻(xiàn) 2-4沒(méi)有涉及這種多字詞端點(diǎn)檢測(cè) 。多字詞端點(diǎn)檢測(cè)算法簡(jiǎn)介 :在運(yùn)用本文第二節(jié)算 法求出第一對(duì)信號(hào)端點(diǎn)以后 , 繼續(xù)檢測(cè)后續(xù)信號(hào) , 就可 以順次求出第二對(duì)和第三、 第四對(duì)端點(diǎn)等 , 流程圖如圖 5所示。 圖 6是對(duì) “ 聲音處理” 進(jìn)行端點(diǎn)檢測(cè)所得到的 結(jié)果 ; 圖 7是對(duì) “ 湖南長(zhǎng)沙” 進(jìn)行端點(diǎn)檢測(cè)所得到的結(jié) 果。 其中的 “

16、聲” 、 “ 長(zhǎng)” 是長(zhǎng)尾音 , 檢測(cè)時(shí)較易出錯(cuò)。 由 于本文算法能正確判斷長(zhǎng)音是否結(jié)束 , 所以能夠較為 順利地將一個(gè)長(zhǎng)句子分割成獨(dú)立的音節(jié)。圖 5 本文檢測(cè)方法的流程圖本文針對(duì) “ 語(yǔ)音的直流分量不為零” 、 “ 尾音較長(zhǎng) 的發(fā)音” 等特殊情況 , 提出端點(diǎn)檢測(cè)改進(jìn)措施 。 經(jīng)實(shí)際運(yùn)用 , 效果優(yōu)于傳統(tǒng)方法 。 通過(guò)語(yǔ)音端點(diǎn)檢測(cè) , 可 以減少數(shù)據(jù)量 、 提高處理速度 , 為后續(xù)的語(yǔ)音增強(qiáng) 、說(shuō)話人識(shí)別奠定基礎(chǔ) 。圖 6 “ 聲音處理” 的波形圖及檢測(cè)到的端點(diǎn)圖 7 “ 湖南長(zhǎng)沙” 的波形圖及檢測(cè)到的端點(diǎn)參考文獻(xiàn) :1 陳尚勤 , 羅承烈 , 楊雪 . 近代語(yǔ)音識(shí)別 M.成都 :電子科技大

17、學(xué)出版社 ,1991.2 易克初 , 田斌 , 付強(qiáng) . 語(yǔ)音信號(hào)處理 M.北京 :國(guó)防工業(yè)出版社 ,2000.3 姚天任 . 數(shù)字語(yǔ)音處理 M.武漢 :華中理工大學(xué)出版社 ,1992.4 何強(qiáng) , 何英 . Matlab 擴(kuò)展編程 M.北京 :清華大學(xué)出版社 ,2002.5 楊行峻 , 遲惠生 . 語(yǔ)音信號(hào)數(shù)字處理 M.北京 :電子工業(yè)出版社 ,1995.6 劉慶升 , 徐霄鵬 , 黃文浩 . 一種語(yǔ)音端點(diǎn)檢測(cè)方法的探究 J.計(jì)算機(jī)工程 ,2003,29(3 :1202121,138(上接第 67頁(yè) 適合于磁懸浮球系統(tǒng)實(shí)驗(yàn) , 還適用于其他一些特殊場(chǎng) 合的位移或其他量的測(cè)量。 在更高精度的場(chǎng)合 , 則可 采用硅光電池陣列接收 , 發(fā)射光調(diào)制 (采用激光或紅外 線發(fā)射裝置 , 有用光與雜散光分離、 高速計(jì)算機(jī)進(jìn)行 信號(hào)處理等手段加以改進(jìn) , 應(yīng)用前景相當(dāng)廣泛。 參考文獻(xiàn) :1 李亦軍 , 彭彬彬 . 光位移傳感器與應(yīng)用分析 J.傳感器技術(shù) ,1996, (6 :52-53,56.2 STEPHE N C , PASCH A LL II. Design ,Fabrication ,and C ontrolof a S ingle Actuator Magnetic Levitation SystemD .T exas :T exas A&M University