（光学工程专业论文）大跨度桥梁连通管式光电挠度测量系统.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 桥梁的挠度是反映桥梁结构安全的重要指标之一，为此桥梁工程技术人员提出 了很多行之有效的挠度测量方法。在现有的大跨度桥梁挠度测量中，采用连通管方 法测量挠度，具有测点多、受环境因素影响小等特点。然而，现有的连通管挠度仪 存在着不能自动测量、精度低、测速慢等不足等缺点；因此，采用先进的光电技术 对传统连通管挠度仪进行改进，设计出桥梁挠度自动测量系统，以满足大跨度桥梁 挠度长期在线、自动测量的需要，具有重要的理论意义和实用价值。 论文首先建立了桥梁在静载作用下的简单力学模型，推导了桥梁挠度方程，进 而对桥梁的挠度分布进行了分析，为挠度测点的布置和测量范围的确定提供了参考。 其次，针对大跨度桥梁挠度测量的特点，设计并制作了挠度测量传感器；采用美国 t i 公司的d s p 芯片t m s 3 2 0 c 3 2 作为测试系统的处理器，通过对存储器的扩展、模 数转换电路的接口，完成了数据的采集和处理：利用r s 4 8 5 标准实现了信号的远 程传输与通信；利用看门狗技术实现了电路的监控，确保了系统的稳定运行。并在 实验室完成了测试系统的硬件和软件开发工作，解决了系统设计中的若干问题，建 立了桥梁挠度测试系统，完成了整个测量系统的调试和实验工作，并对测量结果进 行了理论分析和数据处理。 实验结果表明，本文建立的桥梁挠度测量系统测量数据准确、系统可靠，能够 满足桥梁挠度测量的要求。 关键词：桥梁，挠度，测量，d s p 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t a s o n e o f t h e l e a d i n g p a r a m e t e r s i nr e f l e c t i n g t h e h e a l t h o f a b r i d g e sc o n s t r u c t i o n , t h e d e f l e c t i o no fab r i d g eh a sb e e na l w a y ss t u d y i n gb yt h eb r i d g ep r o f e s s i o n a l s ，a n dh e n c e m a n ym e a s 啪e n t s a r e p u t f o r w a r da n dw o r k i n gp r a c t i c a b l y a m o n go ft h o s e m e a s u r e m e n t so nt h ed e f l e c t i o n ，e s p e c i a l l yu p o nal o n gs p a nb r i d g e , am e a s u r i n g i n s t r u m e n to fc o m m u n i c a t i o n - p i p e se n j o y sag o o dc o m m e n ta sm u c hm e a s u r i n gp o i n t s ， w e a k - i n f l u e n c e db yt h es u r r o u n d i n g s b u ti ts t i l lm e e t saw e a k n e s so fm a n u a lm e a s u r i n g , l o w e ra c c u r a c y , s l o w e rs p e e da n ds oo n t h e r e f o r e , p h o t o e l e c t r i ct e c h n o l o g yw a s i n t r o d u c e di n t ot h ec o m m u n i c a t i o n - p i p e si n s t r u m e n ti no r d e rt oi m p r o v ei t sp e r f o r m a n c e f i n a l l ha na u t o m a t i cm e a s u r i n gs y s t e mo ft h eb r i d g e sd e f l e c t i o nh a db e e nd e v e l o p 缸 w h i c hm e e tt h en e e d so f l o n g - t e r mo n - l i n e d , a u t o - m e a s u r i n gu p o nt h ed e f l e c t i o nm e a s u r i n g o f t h e l o n g - s p a n b r i d g e i t h a s 缸i m p o a z n t t h e o r e t i c a l m e a n i n ga n d p r a c t i c a lv a l u e t h i st h e s i si sf i r s t l yt os e tu pa s i m p l em e c h a n i c a lm o d e la n dt od e d u c et h ef o r m u l ao f b r i d g e sd e f l e c t i o n ，a n dt h e nt oa n a l y s i st h ed i s t r i b u t i o no f t h eb r i d g e sd e f l e c t i o ni no r d e r t op r o v i d ear e f e r e n c ef o ri d e n t i f y i n gt h ed i s t r i b u t i o no ft h ed e f l e c t i n gp o i n t sa n dt h e m e a s u r i n gr a n g e s e c o n d l y , as p e c i a ls e n s o rw a sd e s i g n e da n dm a d et om e a s u r et h e d e f l e c t i o no ft h el o n g - s p a nb r i d g e t m s 3 2 0 c 3 2 ( a nd s pi co ft 1 3w a sa d o p t e da st h e p r o c e s s o ro ft h i sm e a s u r i n gs y s t e m ，w h i c hc o m p l e t e st h ed a t a sc o l l e c t i n ga n dp r o c e s s i n g s t a n d a r dr s - 4 8 5i n t e r f a c ew a su t i l i z e dt oa c c o m p l i s ht h es i g n a l sr e m o t ec o n v e y i n ga n d c o m m u n i c a t i o n ,a n dw a t c h d o gt e c h n o l o g yw a sa l s oi n t r o d u c e dt oa c c o m p l i s ht h e s u p e r v i s o r yc o n l x o la g a i n s tt h ec i r c u i ta n dt oe n s u r et h es y s t e m ss t a b l er u n n i n g a f t e r s o l v i n gan u m b e ro fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ep r o b l e m s ，ab r i d g ed e f l e c t i o nm e a s u r e m e n t s y s t e mw a sf i n a l l yb u i l tu p l o t so fe x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e dt ot e s t i f yt h ep e r f o r m a n c eo f t h es y s t e m t oo u rs a t i s f a c t i o n , t e s t i n gr e s u l t sd e m o n s t r a t e dt h a tt h i sb r i d g ed e f l e c t i o nm e a s u r i n g s y s t e mi sc o n v i n c i n g ，a n da c c u r a t e o t h e ra d v a n t a g e s ，s u c ha sl a r g em e a s u r i n gr a n g e ， a u t o m a t i ca n dr e m o t ew o r k i n gc a p a b m t ya n ds oo n , w e r ea l s op r o v e d w h i c hm a k e si tc l e a r t h a tt h es y s t e mc a l lm e e tt h ed e m a n d so fm e a s u r i n gu p o nt h el o n g - s p a nb r i d g e 。sd e f l e c t i o n , a n dt h e s y s t e mh a st h ep r a c t i c a lv a l u e k e yw o r d s ：b r i d g e ，d e f l e c t i o n , m e a s u r e m e a t ，d s p 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 大跨度桥梁测量的重要意义 大跨度桥梁是个国家的经济命脉，桥梁的建造和维护是一个国家基础设旌 建设的重要部分。每一座大跨度桥梁都是人类文明发展的一个丰碑。自新中国成立 以来，为了迅速发展铁路、公路交通事业，为了改建、扩建和新建城市，在我国的江 河上修建了许多特大、大、中和小型桥梁，它们中有铁路桥、公路桥、公路铁路两 用桥等，这些桥梁成为新中国茁壮成长、发展的强有力支柱。随着改革开放的不断 深入，地区间联系不断加强，更迎来了桥梁建设的新高潮，桥梁建设的规模也不断 扩大，形式也更加多样，跨江大桥、跨海大桥、大型悬拉索和大跨度斜拉索桥大量 涌现，而新工艺、新材料和新结构也不断应用到桥梁建设中，连接公路和铁路，构 成了交错连接的交通运输网络，为人民的生活和工作提供了方便与快捷，并成为交 通运输网络中的关键部分，为国民经济持续稳定发展提供可靠保障，在我国国民经 济建设和国防保障体系中发挥着不可替代的重要作用【l - 3 】。 然而，桥梁在方便交通和生活的同时，也带来了诸多安全隐患。新桥梁竣工时 没有通过验收即投入使用；原本合格的桥梁在使用过程中不可避免的出现磨损、老 化以致损坏，这些都可能造成突发性灾难事故 4 】【5 】。如1 9 9 8 年，重庆綦江彩虹桥突 然垮塌，造成四十多人伤亡，直接经济损失数百万元。1 9 9 4 年1 0 月韩国汉城发生 了横跨汉江的圣水大桥中央断塌5 0 m ，其中1 5 m 掉入江中，造成死亡3 2 人，重伤1 7 人的重大事故。因此，对桥梁进行长期在线监测以及时发现异常征兆，就显得非常 重要。 目前我国许多重要的大型桥梁都没有建立保证安全性和耐久性的维护系统。由 于缺乏大桥结构整体性的安全监测系统，对结构状态的任何异常不能及时发现以做 出相应的防患措施。一旦发生大桥严重的质量事故，必将造成很大的经济损失和不 良的社会影响。 另一方面，在对局部质量严重退化的结构进行维修更新时，由于目前的检测技 术不能对结构各构件的损伤状况做出准确客观的评估，因此，常常不得不过于保守 地对“可能”问题的部件全部更新，如：济南黄河大桥对远未达到其设计寿命的斜 拉索进行全面更新，造成很大的材料浪费和经济损失。可见桥梁监测系统和检测技 术的建立与完善，不仅影响到重要结构的安全和道路交通的正常运营，还与大型结 构的维修费用密切相关【6 】。 目前我国对大跨度桥梁的监测仍以技术人员的现场检测为主。这种监测手段已 难以适应对大型桥梁进行正常运营状态的监控，也无法对其整体安全性做出客观准 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 确评价。因此，对于大型桥梁结构必须尽快发展与其规模和功能相适应的现代监测 技术。目前，国内外不少工程界研究人员都活跃在这一领域中，积极探索桥梁健康 监测的方法。 桥梁的安全监测主要针对桥梁的关键参数进行监测，然后运用各种科学的方法 和手段对参数监测结果进行分析，对桥梁做出科学的结论和评价。桥梁监测主要包括 以下内容：载荷监测，包括风、地震和交通负载；几何监测，指监测桥梁各部位的 静态位置和静态位移；结构的静动力反应，如频率、振型、位移、应变和阻尼模态 等。挠度是桥梁安全状况评价的重要参数之一川。 1 2 国内外挠度测量的研究现状 大跨度桥梁由于跨度大，距离地面的高度比较高，桥面的变形非常复杂，通过 一点的测量并不能反映整个桥梁的挠度变化，因此，大跨度桥梁挠度测量系统应该 具有如下特点： ( 1 ) 、能够进行多点的长期在线、自动预i 量； ( 2 ) 、受桥梁现场的尘埃、雾气和湿度的影响小； ( 3 ) 、具有较大的测量范围和较高的测量精度； ( 4 ) 、有较高的采样频率，以满足动态挠度测量的需要。 国内外的桥梁挠度测量方法有很多，概括起来可以分为以下两大类1 1 1 】： 1 、全人工读数方法 ( 1 ) 、经纬仪法。采用经纬仪来测量挠度是目前国内应用得最普遍的种方法，它具 有精度高、结构简单的优点。测量原理如图1 - 3 所示：图中：1 为经纬仪，2 为标尺， 图1 1 经纬仪挠度测量原理 f i g , 1 3d e f l e c t i o nm e a s u r e m e n t t h e o r yw i t hi n s t r u m e n t 3 为支架。将标尺垂直固定在桥梁的待测部位，然后通过经纬仪来对标尺进行读数， 当桥梁发生形变时，经纬仪的读数也将发生变化，该变化即反映了桥梁的挠度变化 f 1 2 1 。 ( 2 ) 、利用百分表测量挠度。测量原理如图1 4 所示： 2 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 图1 1 百分表测量挠度原理图 f i g 1 4 d e f l e c t i o n m e a s u r e m e n t t h e o r y w i t h m e t e r 将百分表安装在桥梁下面的待测部位，这样桥面的挠度变化将直接反映在百分表的 读数上。百分表的固定方法既可以采用高架法，也可以采用悬丝法。无论采用哪种 方法都必须保证桥下无水，而且桥面距地面的距离不能太大。 以上两种方法均采用人工读数，只能测量桥梁的静态挠度，测量精度低，对测 量人员要求高，无法完成现场自动测量的需要，因此，这些方法不适合应用于大跨 度缆索桥梁挠度测量中。 2 、自动测量方法 ( 1 ) 通过测量桥梁的倾角来计算桥梁的挠度。当桥梁受载产生挠曲变形时，挠 度公式为y = f 口 ) 出，式中x 为支座处的零点到测量点的轴向距离。由此可见， d 当测得各点的倾角后，通过积分可得桥梁梁体结构的挠度曲线。现在国内已研制出 了电容传感器无源伺服式倾角仪，通过与数字积分器相连，可对多个测点的倾角仪 进行数据采集、处理，得出桥梁的挠度曲线。哈尔滨科技大学的杨志文等就采用了 倾角仪、外加单片机、a d 转换器等硬件进行信号的采集和处理，实现了数据记录 自动化【”j 。 ( 2 ) 光电成像和摄像法。该方法采用摄像机对准安设在梁部的靶标，记录靶标 的振动，就可以实现二维动、静挠度检测，与计算机相连可使记录分析实现自动化 【1 4 1 。 ( 3 ) 光电分光成像和高速线阵c c d 法。该方法是利用特殊的光电转换器，接收 设在梁上的发光靶标所发光中的某一特定波长的单色光，使用a d 转换，利用计算 机记录梁体的二维挠度，记录分析自动完成，采用高速线阵c c d 法使采样频率可达 2 0 0 h z 。采用单色光源不受气候的影响，不产生折射，可实现多点挠度同步测量“5 m ”。 ( 4 ) 利用g p s 进行桥梁挠度测量。g p s 能实现动态实时、自动测量，便于与计 算机接口，测量精度一般为5 n c a + t p p m * d ，d 为基线长度。它的测量原理与倾角仪相 似，都是利用测量倾角来得到桥梁的挠度值【1 7 】。 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 ( 5 ) 利用连通管测量挠度。其原理是在桥梁上铺设连通管，管内装上液体，桥 梁变形时，液位发生变化，通过液位的变化求得挠度值。在人工读数的情况下精度 可达l m m 。连通管采用全封闭方式，不受多方位变形以及桥梁现场的高尘、高湿和 浓雾影响，而且能实现多点挠度检测。在上海徐埔大桥，就采用了连通管方法来测 量桥梁挠度。 以上五种挠度测量方法都能完成挠度自动测量。采用倾角仪和g p s 测量挠度存 在着精度低的缺点，测量精度一般只能达到厘米级。而且用倾角仪进行挠度测量时， 对各倾角仪之间的相位差、倾角仪的瞬态反应、倾角仪零漂等的要求较高。利用光 电成像和c c d 摄像法测量挠度精度很高，但在测量时需要复杂的对准调整机构和过 程，操作复杂，且在强光时，需要使用遮光装置。尽管光电分光成像和高速线阵c c d 法通过采用单色光可以在白天工作，但在同时发生多个方向的变形时，会出现采集 不到信号的情况。另外，由于c c d 尺寸的限制，在测量系统不加其他放大环节的情况 下，测量范围非常有限。两者均属于开放式系统，容易受到灰尘、雾气的影响。不 能进行长期在线测量。而连通管式挠度测量系统采用全封闭结构，不怕桥梁现场的 高尘、高湿和浓雾，可以长期在线使用。但目前普遍采用超声波液位检测计进行液 位检测来完成挠度测量，测量精度比较低，仅为厘米级【l ”。 通过比较以上几种桥梁挠度测量方法，可以知道目前现有的挠度测量方法都无 法满足大跨度桥梁挠度测量的要求。因此，进行本课题的研究具有非常重要的现实 意义。 1 3 课题的研究任务 本课题的研究任务是：针对大跨度桥梁的特点，设计出一套桥梁挠度测量系统， 该系统能够对大跨度桥梁实现多点、动态和静态挠度测量；能够实现长期的自动、 在线监测；能够满足一定的测量范围和精度，不受周围环境和多方位变形的影响， 同时，具有较高的性价比。主要包括以下内容： 1 大跨度桥梁挠度简单理论模型探讨； 2 光电液位挠度计的结构设计： 3 光电液位挠度计的硬件设计： 4 光电液位挠度计的软件设计； 本章小结：本章首先阐述了桥梁安全监测的重要意义，之后，进一步讨论了大跨 度桥梁挠度测量在桥梁安全监测中的重要地位，并介绍了国内外常用的挠度测量方 法及仪器，通过分析，提出了本论文的研究任务。 4 重庆大学硕士学位论文2 桥梁挠度的简单理论模型 2 桥梁挠度的简单理论模型 要对大跨度桥梁挠度进行测量，首先应了解其挠度的规律。 在理想情况下，单跨桥梁可以简化为图2 1 所示的简支梁模型。 图2 1 简支粱力学模型 f i g 2 1m e c h a n i c a lm o d e lo f s i m p l e s u p p o s e db e a m 图中，梁体只受到桥梁自重q 和随机载荷p 的作用。在没有外界载荷时，桥梁 的自身重力载荷均匀分布在桥梁的全长范围内，设其集度为q 州触) ，梁的全长为z ， 当加劲梁服从虎克定律、平面假设和微小变形时，根据材料力学的知识可以求得粱 上任一点的挠度曲线方程【1 9 ： y = - 2 4 q 口x ( 、1 3 _ 2 1 x 2 + x 3 ) ( 2 - 1 ) 式中，e 为拉压弹性模量，i 为惯性矩，e i 为常数，表示梁的抗弯刚度。对x 求 导可知：当z = 1 1 2 ，可以得到挠度的最大值： k ：一里 ( 2 2 ) 7 ”1 3 8 4 e i 、 在外力p 和自重共同作用下桥梁的挠度为： y = 一篆( 1 2 - x 2 _ b 2 卜鑫( 1 3 - 2 1 x 2 “) o x 7 2 h z ，能够满足系统动态测量要求。因此，该c i s 的各项指标 都满足系统设计要求。 c i s 工作时由外部提供同步信号s p 和时钟c l k ，s p 提供工作的起始脉冲，传感 器在时钟脉冲的下降沿输出传感信号。c i s 的工作时序如图3 7 ，当光照射在光敏 元时则该光敏元输出电压的幅度较大，当光很弱或是被遮挡则对应的光敏元输出 电压幅度较低甚至趋于0 v 。整个光电接收组件在某一处被遮挡时的输出如图3 8 中v o 所示。 1 4 重庆大学硕士学位论文3 光电挠度传感器的结构设计 图3 8 c i s 工作时序图 f i g3 8s e q u e n c ec h a r to f c i s 3 2 3 光源的改进 光源的拼接与光电探测器的拼接一样存在着类似的问题，即由于本身尺寸较 大使得拼接后的各光源间距较大，使得发出的光均匀性差。那么可以考虑采用细 的荧光灯管，该灯管发出的光均匀性好，但是由于使用该灯管需要外接逆变器， 而且价格不菲，所以也不宜应用。沿着半集成光电接收组件相同的思路，把多个 发光二极管的芯片( 而不是发光二极管成品) ，组合在同一块印制电路板上，成为 一个半集成的发光组件。由于发光二极管芯片的大小仅为0 1 m m 级，故这种半集 成的发光组件发出的光均匀性较好。用这个方法做成的半集成发光组件，不但价 格便宜，而且使用寿命长。市面上根据该方法制得的发光条长度为2 1 7 m m 。其外 形如图3 9 所示。 图3 9 发光二极管线形阵列示意图 f i g3 9 l b dl i n e ra r r a y 为了与c i s 相匹配，同样采用两根发光条就可以满足要求。 重庆大学硕士学位论文 3 光电挠度传感器的结构设计 3 2 4 测量结构 针对传统光透射液位测量方法的局限性选择好光源和光电探测器件后，设计 了如图3 1 0 所示的一种新型光透射法液位测量结构。半集成发光组件s 和半集成 光电接收组件c i s 沿管轴对称置于玻璃管的两侧，s 发出的光通过透明液体照射到 半集 图3 1 0 新型光透射式液位测量原理图 f i g3 1 0n e w - t y p el i g h tt r a n s m i s s i n gl i q u i dl e v e lm e a s u r e m e n t c i s 上，未被浮子挡住的c i s 接收到较大的光强，被浮子挡住的c i s 接收到接近于 零的光强。随着液位的变化，浮子的位置也随之变化，即是图3 1 0 中的凹谷的位 置上下移动。只要对半集成光电接收组件输出数据进行处理，便可以得到浮子的 位置( 液位) 。这样一加电就可以得到液体的实时位置，测量速度快，而且可以长 时间对液位进行监测。 1 6 重庆大学硕士学位论文3 光电挠度传感器的结构设计 3 3 非机械扫描式光反射方案 光透射式方案虽然在量程和精度上都可以达到挠度测量的要求，但是其光源和 圈3 1 1浮子屉射式原坪图 f i g3 11 t h ed i a g r a mo f f l o a t e ra sr e f l e c t o r 随着液面的变化上下浮动时，图3 1 1 中的 1 7 c i s 要置于管的两侧， 而且要严格相对放置， 连通管中该方案在具 体结构上不好实现，所 以考虑采用反射式方 案。 3 3 1 反射壁的设计 反射壁可以采用以 下三种方式的结构： 3 3 1 1 浮子反射 这种方式把浮子和 反射壁合二为一，浮子 的内圈粘上一层反射 物质( 比如反射薄膜) ， 如图3 1 1 所示，发光条 发出的光经浮子内面 的反射物磺反射后射 入c i s 的光敏元上，使 得输出较大的电压，而 在其他位置，发光条发 出的光无法射入c i s 的 光敏元上，所以其输出 接近于零。这样当浮子 条 图3 1 2浮子极限衍詈示煮图 f i g3 1 2 t h eu l t i m a t el o c a t i o no f f l o a t e r 重庆大学硕士学位论文3 光电挠度传感器的结构设计 凸峰将上下移动，只要测得凸峰移动的变化量，即也是液位的变化量。这种方案 的优点在于浮子与反射面合二为一，但是实际制作起来对浮子的要求较高，并且 因为由于浮子应该与放置c i s 和发光条的玻璃管有一定的间隙以使得浮子能够沿 着玻璃管上下自由移动。如图3 1 2 所示：正是有了这个间隙会导致反射面与玻璃 图3 1 3反射条式原理图 f i g3 1 3t h ed i a g r a mo f r e f l e c t i v es l i c e y v o 管壁的距离不定就 可能会出现发光条 发出的光经反射面 后不能入射到c i s 的光敏元上。因而 应该把c i s 和发光 条与反射面 的位置固定下来来 避免发生图3 1 2 所 示的情况。最简单 的方法就是采用固 定的反射条。 3 3 1 2反射条 反射 该方案是在放 置c i s 和发光条的 玻璃管外的确定位 置固定一片不锈钢 的反射条，如图3 1 3 所示，可以看出此 时浮子是用来遮光 的，这样c i s 得到 的信号就跟图3 1 0 所示的信号很相似 了。该方案避免了 浮子反射法的不 足，反射条与c i s 和发光条的距离是 一定的，不管浮子 与玻璃管的间隙如 重庆大学硕士学位论文3 光电挠度传感器的结构设计 何，均能够保证发光条发出的光入射到c i s 的光敏元上。但同时因为液位的量程 要求比较大，固定这样薄长的反射条需要设计张紧结构，这在管内是不好实现的。 所以应该考虑其他更优的结构。 图3 1 4不锈钢筒壤反射面原理图 f i g3 1 4 t h ed i a g r a mo ft h ei n n e rf a c eo f s t a i n l e s ss t e e lt u b ea sr e f l e c t o r y v o 3 3 1 3不锈钢 筒内壁反射 因为不锈钢筒 内壁比较光滑，可 以作为反射面，只 要选定好不锈钢 筒，调整好c i s 和 发光条的位置就可 以保证发光条发出 的光入射到c i s 的 光敏元上。其原理 图如3 1 4 所示。该 方案结构简单，主 要就是要处理好 c i s 和发光条的安 装位置的关系。 重庆大学硕士学位论文3 光电挠度传感器的结构设计 3 3 2 浮子的设计 确定好选用不锈钢筒内壁作为反射面后，接下来就是考虑浮予的制作， 利用黑色热缩管制成比玻璃管口内径稍大的环作为浮子。 由图3 1 4 可知，对浮子的要求为：能尽量地挡住光的通过，不易粘附在筒壁上， 不易发生形变。 图3 1 5浮子外形 f i g3 1 5t h eo u t l e to f f l o a t e r a _ j 图3 1 6 辅助垫块1 示意图 f i g3 ，1 6t h ea s s i s t a n tm a t1 1 为了保持支架长度方向在竖直方 向上与玻璃管轴向平行，设计了如图 根据上述要求得出： 利用热缩管热缩的性质制成的环形浮 子是中空的，所受浮力较大，可以很及时地 反映液位的变化，而且由于是选用的是黑色 的热缩管，挡光的效果很好。可以很好的满 足使用要求。制得的浮子的外形如图3 1 5 所示： 3 4 1 减振零件的设计 因为结构中采用的玻璃管属于易碎物， 在它与其他零件相连接的部位就应该考虑 进行减振处理。 b b 闲目肘 3 1 7 辅助垫块2 示意图 f i 9 3 1 7 t h e a s s i s t a n t m a t 2 丑 玉 重庆大学硕士学位论文3 光电挠度传感器的结构设计 3 1 6 所示的辅助垫块1 ，但是不能够让辅助垫块l 与玻璃管内壁直接配合，所以 设计了三个橡胶垫来进行过渡。为了减小振动和温度变化产生的形变对支架的影 响，设计一个压簧来进行缓冲。 2 为了保持玻璃管和不锈钢筒的同轴度，减小振动对玻璃管的影响，设计了如图 3 1 7 所示的辅助垫块2 以及四个橡胶垫。 3 4 2 支架的设计 如图3 1 8 所示，由上节可知，支架是用来固定c 1 s 和发光条的，用它来确定 c i s 和发光条的固定关系。所以支架的设计在整个设计中是很重要的。因为要进行 l y d 3 一、 ， 云泰 | i 丫h n l 1 】【g ” | 8 光路f i 3 1 t h ed i a r a ma b o to p t c a lp a t 具体构设计，那么首先应该确定图3 1 8 一些具体的尺寸。首先先确定了支架 的厚2=8mm，由cis的尺寸可以知道cis横截面长li=18mm，宽l3=1285mm， 光敏cis侧面的距离h=6mm，由图311所示知所采用的玻璃管内径应该大于2 l 重庆大学硕士学位论文3 光电挠度传感器的结构设计 弼的长度，t s = s q r t ( 2 l 3 ) 2 + ( 皿+ l 2 ) 2 ，代入数据算得t sz 3 6 6 m m ，市面上内 径与之最接近的玻璃管内外径分别为d 2 = 3 8 m m , d 3 = 4 2 m m ，选择好玻璃管后，再来选 择不锈钢筒，从现有的规格选择6 3 5 m 1 0 ，即是内径为d i = 6 1 5 m m 。另外所使 用的发光条长为2 2 7 m m ，由于厂家没有提供其散射角的参数，所以要先通过实验估 算散射角口的值。实验的示意图如图3 1 9 所示；将c i s 和发光条如图放置，c i s 后接采集电路。用示波器可以得到c i s 的输出，c i s 有效光敏元的长度是2 1 6 m m ， 在示波器上的反映的是所有光敏元均有光入射时，图3 1 9 中w 的宽度在示波器屏 馥 c i s 广；2 - ，尊 ld。 r 7 o 图3 1 9发光条散射角测量示意图 f i g3 1 9 t h ed i v e r g e n c ea n g l em e a g l r e m e n to f l i g h ts o t l r c e 幕横轴方向所占格数为m = 8 6 格，当按图3 1 9 所示放置时，数出示波器屏幕上c i s 输出信号在横轴方向上的所占格数n ，则可以求得k = n l m ，再量出c i s 与光源的 距离d 。那么可以估算为： f l = 2 t g - 1 ( 笔手 ，b 是发光条发光面的宽度，b = 4 咖，改变c i s 的位置，即改 重庆大学硕士学位论文 3 光电挠度传感器的结构设计 变d ，多测几组数据取平均值，最后得到散射角口。 实验结果如下表所示： d ( r a m )m ( 格)n ( 格)k ( m m ) 卢( 。) 1 4 0 68 60 41 0 5 5 8 i2 6 2 6 1 9 0 6 8 60 51 3 1 9 7 72 7 1 3 2 4 0 68 6 o 71 8 4 7 6 73 3 4 9 2 9 0 68 6o 82 1 1 1 6 33 2 8 2 3 9 0 68 61 02 6 3 9 5 33 1 5 8 万= ；届，得到万= 3 0 2 6 。不妨取声= 3 0 。 ) 酉 现在关键是确定放置条形光源的平面的倾角0 ，只要选择合适的o ，使从光 源a 点、a 点发出的光经过多次反射和折射到达c i s 接收平面的g 点、g 点的横坐 标所形成的区间将x p 包含起来，即只要使得x g x p x g ，那么光源发出的的光就可 以被c i s 所接收到，从而在理论上满足设计要求。 以玻璃管的圆心为坐标原点建立直角坐标系，并且将i ( n 的中点与原点重合， 则可以得到上图各点的坐标。 在此取玻璃的折射率为1 5 5 。利用光的反射和折射定律，通过一系列简单的 平面几何计算，我们可以得到下表： 0 ( 4 ) x g x g oo 2 0 6 45 6 2 0 0 5 1 0 4 5 06 7 3 9 2 1 02 2 7 1 4 7 8 0 3 7 1 6 3 7 0 1 29 0 0 6 7 2 04 6 2 3 5 9 7 6 4 3 2 5 5 7 3 5 51 0 6 6 5 7 3 0 6 7 9 5 31 1 5 2 4 9 3 57 7 9 6 21 2 3 5 6 0 由表可以知道： 当0 = 1 0 。3 0 。时，均可以满足x g x p ( x g 的条件，在此不妨取0 = 2 0 。这 样便设计出了如图3 2 0 所示的支架。 重庆大学硕士学位论文3 光电挠度传感器的结构设计 1 由h 1 日一b j t f r 丁卜j _ 工 一 ，一 雪 f p ( 蔓 玉 弦 毛- - i 。： l ： y - 爿 l 爹窿 h 引 _ _ j 1 c 1 i 口r b i - 鬻 ： d 羹 摇 l 一咖。豆 r 一 图3 2 0 支架三视图 f i g3 2 0t h em a c h i n e r yd i a g r a mo f n o g 2 4 重庆大学硕士学位论文3 光电挠度传感器的结构设计 3 4 3 机箱的设计 00 夺 杏 00 o0 。o 0 l o0 | 图3 2 1 机箱示意图 f i g3 2 1l o w e rm a c h i n eb o x 机箱是固定信号处理电路、电源和继电器。如图3 2 1a 所示信号处理电路固定 在机箱内壁左面，而电源和继电器固定在右面：进出线端则采用防水的航空插头， 机箱与数据采集部分如图3 2 1 所示由六颗螺钉固定如图3 2 1b 所示，数据线通 过中心的孔与信号电路板相连接。 图3 2 2 数据采集结构简图 f i 9 3 2 2t h em a c h i n e r yd i a g r a mo fc o l l e c t e dd a t a 3 4 4 下接头的设计 图3 2 3 下接头示意图 f i g 3 2 3l o w e rt i e i n 下接头是与内径为0 1 8 的塑胶管相连 接的，为了防止水的泄露，设计了如图3 2 3 所示的下接头。下接头的与塑胶管的连接 部分采用的是多个凸弧面的设计，并且成 一定的锥度，现场安装时塑胶管套进接头 后，再用金属抱箍紧。 重庆大学硕士学位论文3 光电挠度传感器的结构设计 3 4 5 其他考虑 c i s 和发光条都是放置在玻璃管内，因为二者都需要外接电源，c i s 还要外接 信号传输线，所以必须防止水的进入。采用的是硅橡胶将玻璃管上沿与上接头相 接触的位置封起来，防止水的上冲。 同时注意要在不锈钢筒的上端开一个通气小孔，这样才能保证液体上方的气压 与外界大气压相同，才能保证连通管的正常工作。但是该小孔也带来了个问题， 外界的灰尘颗粒和微生物很容易藉由此小孔进入不锈钢筒内，久而久之，会使筒 内的水变浑浊以及污染不锈钢筒壁。所以要设计一个过滤丝网来过滤这些物质。 如图3 2 4 所示为光电挠度传感器总的结构简图。 图3 2 4 光电挠度传感器结构简图 f i 9 3 2 4 t h em a c h i n e r yd i a g r a mo f o p t o e l e c t r o n i cd e f l e c t i o ns 自f l s o l 本章小结：本章针对机械扫描式光电液位测量方案的不足提出了改进的方案，在 此基础上提出了测量的结构，并简要介绍了主要零件的设计。 重庆大学硕士学位论文 4 硬件系统设计 4 硬件系统设计 要保证c i s 正常工作，d s p 系统必须给它提供时钟和同步信号，同时要采集c i s 的输出信号，判断出其液面位置，计算出挠度的变化，并将信号传送至现场集中采 集系统。因此，必须合理地设计d s p 的外围电路、时序逻辑、信号处理、控制与传 输的相关硬件和软件。挠度测量系统的硬件设计部分包括c i s 的驱动、数据的采集 和传输、存储器的扩展以及监控电路的设计等几个部分。 4 1c i s 的驱动电路 c i s 的驱动电路主要包括对c i s i 作时钟c l k 和起始脉冲s p 的提供。线性固体图像 传感器s v 2 0 0 a 4 一1 0 的推荐工作时钟频率为2 5 0 k h z ，占空比为2 5 5 0 。时钟频率如 果太高或者占空比太大都会减少光敏元积分电路的积分时间，从而造成c i s 的输出信 号幅度偏小。在起始脉冲的激励下，c i s 开始一帧的扫描，起始脉冲的宽度必须至少 不小于一个工作时钟。 c i s 的时钟信号c l k 和起始脉冲信号s p 既可以由d s p 的定时器通过对内部时钟分 频产生，也可以由外部可编程逻辑器件或其它电路来提供。在系统中，为了降低电 路的复杂性，c i s 的驱动信号由d s p 的多功能串口提供。 4 1 1 t m s 3 2 0 c 3 2 串口 t m s 3 2 0 c 3 2 配备了一个串口，通过对寄存器的设置，该串口可以双向发送和接 收8 位、1 6 位、2 4 位和3 2 位数据。在连续工作模式下，能够连续发送和接受任意 个字而不需要新的同步脉冲。t m s 3 2 0 c 3 2 提供了八个内存映射控制寄存器，用来控 制串口操作，它们包括一个总体控制寄存器；两个端口控制寄存器；三个发送接收 定时器寄存器；一个数据接收缓冲寄存器和一个发送缓冲寄存器。其中，总体控制 寄存器用来控制串口的总体功能以及决定串口的操作模式；两个端口控制寄存器用 来控制六个串口引脚的功能；发送缓冲器用来缓存下一个将要发送的字；而接收缓 存器用来缓存上一个接收的字。 t m s 3 2 0 c 3 2 串口包括以下6 个串口引脚： 1 、c l k x ( 发送时钟输入或输出端) 芯片内部发送移位寄存器( x s r ) 通过该时钟信号将数据发送到d x 引脚。发送 时钟可以由内部定时器产生也可以来自外部。由内部产生时，该信号可以输出。 2 、f s x ( 发送帧同步输入或输出端) f s x 是发送开始的标志，该同步信号既可以来自内部也可以由外部输入。通 过对串口总体控制寄存器的设置，该同步信号可以输出。 重庆大学硕士学位论文 4 硬件系统设计 3 、d x ( 串行数据发送端) 串口的数据发送通过该口进行。 4 、c l k r ( 接收时钟输入端) c l k r 用来接收外部时钟信号，该时钟信号将d r 引脚数据移入接收移位寄存器 ( r s r ) 。 5 、f s r ( 接收帧同步输入端) f s r 主要用来接收外部帧同步脉冲信号，启动数据接收。 6 、d r ( 串行数据输入端) 串口的数据接收通过该口进行。 通过编程，t m s 3 2 0 c 3 2 串口的工作模式可以设置成连续模式和触发模式。这两 种模式都是通过帧同步脉冲信号标示数据传输的开始。在连续模式下，连续传输多 个数据时，相邻的两个字符之间没有间隔，每个字的第一位总是紧接着上一个字的 最后一位。这种方式一直持续到整个传输过程结束。在整个传输过程中，只是在第 一个数据开始传输时，帧同步引脚上出现一个同步脉冲。图4 1 为串口连续模式下 的时序图： 髓一 几厂1 几几一几n 广1n n 广 s r ，f s ) ( ( 鳓e 广 圈蕊鞫圜圜躅啦呻躅圈圜衄 5 s x 刚8 ”9 r _* d 舳x 一_ 0 口蚌= x 巫曩3 d 哮= ) c 重) 口耋口仁 图4 1 串口连续模式时序 f i g 4 1t i m i n go f s e r i a lp o r tc o n t i n u o u sm o d e 而在触发模式下，相邻的两个字符之间存在间隔，每一个数据传输时都会出现 一个相应的同步脉冲。图4 2 为串口触发模式下的时序图： c t k rn 几nn 几门n 几nn f s r f s x ( e x e r t a 吼广圆圆霉陋 f s x ( n t e m = ) 广 b x 肋r 一一一c 至 礞= ) 巴堕) 一 图4 , 2 串e l 触发模式时序 f i g 4 2t i m i n go f s e r i a lp o r tb u r s tm o d e t m s 3 2 0 c 3 2 串口包含两个定时器：一个发送定时器和一个接收定时器。两个定 时器的功能和t m s 3 2 0 c 3 2 提供的通用定时器功能完全相同。串口发送定时器有两种工 重庆大学硕士学位论文 4 硬件系统设计 作模式：脉冲模式和时钟模式。时钟频率由串口发送定时器的输入时钟频耆g ( t i m e r c 如如) 和周期寄存器的值( p e r i o dr e g i s t e r ) 来确定。计算公式为： 脚，幽孵m o d e ) = f ( t j m 封a o c * ) ，p 亭蒯螂f e r r ( a o 咄m o d e ) = f ( t l m e r c l o c k ) ( 2 x p o 哟d 蛳刎 图4 3 为脉冲模式下的输出波形，占空比为5 0 。 k 斗t 舛f c t k s r c l k * + z 破h ) | 卜杠p e r i o dr e g i s m d ( ( c l k s r c ) ： + 一2xp d i o dm g i