（信号与信息处理专业论文）基于psd及zigbee的智能回弹仪系统.pdf

基于p s d 及z i g b e e 的智能回弹仪系统 摘要 回弹仪是用来检测混凝土抗压强度的一种无损检测仪器，是目前国内 首选的混凝土抗压强度检测装置，被广泛应用于房屋建筑、市政工程和路 桥建设等施工过程的质量检测。 目前国内绝大多数回弹仪均为机械式，以模拟指针示读回弹仪为例， 其在测试过程烦琐，分析耗时，精度不高，大大降低了现场测量效率和客 观性。除此之外，目前国内已开发的智能回弹仪系统主要有三种类型，一 种是接触式回弹仪，其使用寿命短，测试精度低，适应性差；另一种更为 普遍的是指针直读式回弹仪，由于计算回弹值的方法实际是推算接结果， 存在较大误差；还有一种是基于线阵c c d 成像的智能回弹仪，它采用非接 触式位移检测方法，提高效率的同时功耗也居高不下，且并未实现回弹仪 和计算机之间的无线连接。 本文的研究成果是合肥市重点科研项目“混凝土抗压强度智能检测系 统的重要组成部分。本设计针对目前市场上存在的回弹仪的弊利，采用 p s d 作为光电传感器获取回弹仪游标位移信息。由于p s d 与c c d 、c m o s 等 光电传感器相比，灵敏度、体积、响应速度和线性度等都有很大的提高， 且输出为电流信号，后续测量电路简单，使用更加方便；同时本系统增加 了z i g b e e 无线通讯模块，由于其具有短距离、低速率、低功耗和低成本 等特点，有效解决了多点作业的问题，检测效率高，数据客观性强，使用 方便，使智能回弹仪的利用范围得到更大的推广。 系统充分利用了p i c 单片机集成的多个功能模块，外围电路简单。数 据由p s d 经由后继测量电路进入r a 0 r a l 口，调用数据处理子程序进行处 理。，数据处理完毕再调用z i g b e e 子程序，经由c c 2 4 2 0 将数据无线发送 至主机的z i g b e e 的收发模块进行接收，并发送至主机进行最后的软件处 理和数据补偿。 上位机数据处理系统主要完成对现场检测数据的接收，并根据国家标 准对现场检测的数据进行处理和分析，最后输出一个评估结果。 实验表明该系统具有硬件结构简单、使用方便，抗干扰性好，采集数 据可靠等特点。 关键词：p s d ) p i c ) z i g b e ec c 2 4 2 0 ) 智能回弹仪 i n t e l l i g e n tr e b o u n dh a m m e rs y s t e mb a s e do np s da n dz i g b e e a b s t r a c t r e b o u n dh a m m e ri sas o r to fn o n d e s t r u c t i v ei n s t r u m e n t ，w h i c hu s e dt o d e t e c tc o n c r e t e s r e s i s t i n gp r e s s u r ei n t e n s i t y i t ，a st h ep r e f e r r e dc o n c r e t e c o m p r e s s i v es t r e n g t ho ft h ed o m e s t i cd e t e c t i o nd e v i c e i sw i d e l yu s e di n d e t e c t i n gt h eq u a l i t yo ft h ec o n s t r u c t i o np r o c e s ss u c ha sh o u s i n gc o n s t r u c t i o n ， p u b l i cw o r k sa n dr o a da n db r i d g ec o n s t r u c t i o na n ds oo n c u r r e n t l yt h e v a s t m a j o r i t y o fr e b o u n dh a m m e ra r e m e c h a n i c a l l y h a m m e r a sa ne x a m p l e ，i nt h et e s t i n gc o u r s eo fs i m u l a t ei n d i c a t o r ss h o w r e a d i n gh a m m e r ，t h ep r o c e s si sc u m b e r s o m e ，t i m e - c o n s u m i n ga n a l y s i s ，l o w a c c u r a c y , w h i c h h a sb e e n g r e a t l y r e d u c e da tt h es c e n em e a s u r e m e n t e f f i c i e n c ya n do b j e c t i v i t y i na d d i t i o n ，t h e r ea r et h r e ek i n d o fi n t e l l i g e n t r e b o u n dh a m m e r o n ei sc o n t a c t i n gh a m m e r ，w h o s es h o r tl i f es p a n ，l o wt e s t a c c u r a c y , a d a p t a b i l i t yp o o r a n o t h e ri s am o r e g e n e r a lg u i d es t r a i g h t r e a d i n g - h a m m e r , a s t h em e t h o do f c a l c u l a t i n g t h ea c t u a lr e b o u n di s p r o je c t e dt or e s u l t ，t h e r ei sab i ge r r o r ；t h e r ea l s oi sai n t e l l i g e n tr e b o u n d h a m m eb a s e do nal i n e a rc c d i tt a k e s an o n c o n t a c t d i s p l a c e m e n t m e a s u r e m e n tm e t h o d st oi m p r o v ee f f i c i e n c y a tt h es a m et i m et h ep o w e ri s h i g h ，a n dd i dn o tr e a l i z et h ew i r e l e s sc o n n e c t i v i t yb e t w e e nh a m m e ra n d c o m p u t e r t h ep a p e ri sai m p o r t a n tp a r to f i n t e l l i g e n tr e b o u n dh a m m e rs y s t e m ，w h i c h i sh e i f e ik e ys c i e n t i f i cp r o je c t t h ed e s i g nv i e w db o t hb e n e f i t sa n dd r a w b a c k s o fh a n m m e ri nc u r r e n tm a r k e ta n du s e dp s da sap h o t o e l e c t r i cs e n s o rt o a c c e s sh a m m e rc u r s o rd i s p l a c e m e n ti n f o r m a t i o n c o m p a r e dt o t h ec c d ， c m o sa n do t h e rp h o t o e l e c t r i cs e n s o r , p s di si nt h ef i e l do f s e n s i t i v i t y , s i z e ， s p e e da n dr e s p o n s el i n e a r i t y , a tt h es a m et i m e ，t h eo u t p u ti sc u r r e n ts i g n a l t h e f o l l o w u pm e a s u r e m e n tc i r c u i ti ss i m p l ea n dt h eu s ei sm o r ec o n v e i e n t i n a d d i t i o n ，t h es y s t e ma d d e dz i g b e ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sm o d u l e d u et o z i g b e eh a sm a n yf e a t u r e ss u c ha s s h o r t - r a n g e ，l o w r a t e ，l o w p o w e ra n d l o w c o s t ，i tp r o v i d e da ne f f e c t i v es o l u t i o nt ot h ep r o b l e mo fm u l t i p o i n t o p e r a t i o n s ，h i g hd e t e c t i o ne f f i c i e n c y , o b j e c t i v i t ys t r o n gd a t a ，a n de a s i e r o p e r a t i o n ，s ot h a tp r o m o t e di n t e l l i g e n th a m m e ri nm o r es c o p e s y s t e mu t i l i z e sp i em i c r o c h i p si n t e g r a t e df u n c t i o n s ，s op e r i p h e r yc i r c u i t i ss i m p l e d a t at r a v e df r o mp s d ，f o l l o w - u pm e a s u r e m e n tc i r c u i ta n de n t e r 5 r a 0 r a l d a t ap r o c e s s i n gs u b r o u t i n ew i l lb ec a l lp r o c e s s i n g w h e nd a t a d i s p o s e d t oz i g b e es u b r o u t i n ec a l l ，w i r e l e s sd a t a w i l lb es e n tt ot h e m a i n f l a m ez i 曲e et r a n s c e i v e rm o d u l er e c e p t i o n b yt h ec c 2 4 2 0 ，a n dt h e nb e s e n tt ot h em a i n f r a m ef o rf i n a lc o m p e n s a t i o ns o f t w a r ea n dd a t ap r o c e s s i n g d a t ap r o c e s ss y s t e mo fc o m p u t e rc a na c c e p td e t e c t i n gd a t aa n dp r o c e s s t h o s ed a t aa c c o r d i n gt on a t i o n a ls t a n d a r d ，t h e ng i v eae v a l u a t i v er e s u l t t h es y s t e mh a st h ee x c e l l e n c eo fs i m p l eh a r d w a r es t r u c t u r e ，u s i n g c o n v e n i e n c e g o o di n t e r f e r e n c er e je c t i o n ，a n dd a t ac o l l e c t i o nr e l i a b l ei n t h e e x p e r i m e n t a t i o n k e y w o r d s ：p s d ；p i c ；z i g b e e ；c c 2 4 2 0 ；r r e b o u n dh a m m e r 6 - 图表目录 图21 回弹仪工作原理5 图22 一维p s d 表面结构图及光照下的等效电路图7 图23 二维p s d 结构及等效电路7 图24 一维p s d 典型后继电路8 图25 $ 6 4 0 7 型单面结构的一维p s d 光敏响应图9 图26 简化后继测量电路1 0 图3 1 基于p i c l 8 f 4 6 2 0 的智能回弹仪系统的工作原理框图一1 1 图3 2p i c18 f 4 6 2 0 接口示意图1 3 图3 3 稳压电路示意图1 4 图3 4 串口电路示意图1 4 图3 5c c 2 4 2 0 与p i c l 8 f 4 6 2 0 接口示意图1 5 图3 7c c 2 4 2 0 典型外围电路设计2 1 图3 8c c2 4 2 0 外围电路设计2 3 图3 9 一个“读写寄存器r x f i f o 的s p i 通信周期2 4 图3 1 0 晶振电路图”2 8 图3 11 射频输入输出匹配电路2 8 图4 1 系统软件流程图”3 0 图4 2 d 程序流程图3 2 图4 3 星型网络结构图一3 3 图4 4n r e q u e s t i n v a l i d 握手信号3 4 图4 5r e a d y s t a r t 握手信号3 5 图4 6s p i 模块的时序操作3 8 1 0 表格目录 表3 1z i g b e e 协议栈结构图1 6 表3 24 种常用无线通信技术的比较1 8 表3 3 一个通信周期所有时间限制一2 4 表3 - 4 命令寄存器列表2 5 表3 - 5f i f o 访问寄存器列表2 5 表3 - 6 单个位控制信号列表1 0 表3 7 数据帧格式2 6 表4 1m a c 协议数据单元一3 6 表4 2 具体收发信号及其描述3 6 表4 3s p i f i f o 模块信号描述3 7 表4 4 信号操作信号描述3 9 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 金胆王些太堂 或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。 本人授权金世王些盔堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字日期一, b o - 狰m 签字日年 f 厂月，加 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 一3 导师签名： 电话： 邮编： 致谢 本文是在胡社教副教授的严格要求和悉心指导下完成的。在该项目的 研究过程中，导师丰富的知识、严谨的治学态度和认真负责的工作作风给 我做出了表率，这些将激励我在将来的工作、生活和学习中严格要求自己。 在此，对导师表示深切的感激之情，衷心感谢胡老师三年来对我学习生活 的启迪、指导和关怀! 衷心感谢d s p 实验室蒋建国教授、齐美彬副教授、吴从中副教授、涂 桂林、陈航宇、张阳阳、刘岗和同学们三年来所给予的支持和帮助。 感谢所有给予我关心、帮助和支持的同学们。 最后，我要感谢所有在我成长的道路上，关心、支持、帮助过我的人 们，我所取得的每一点成绩都与你们是分不开的，再一次向你们每个人致 以衷心的感谢l 陈业慧 2 0 0 7 年1 0 月 第一章绪论 1 1 回弹仪简介 近些年，随着人们对工程质量的关注，无损检测技术凭借其非破损、 简便、快速、便于大面积测试等优点，已在与民用建筑、水利、电力等工 程建设项目的混凝土质量检测和评价中得到广泛，取得了良好的应用效 果，并在工程实践中不断、完善和提高。 混凝土强度值为在一定的受力状态和工作条件下，混凝土所能承受的 最大应力。要准确测量混凝土的强度，必须把混凝土试块加载至破坏极限， 取得试验值后试件已破坏。而结构混凝土强度的无损检测方法就是要在不 破坏结构和构件的情况下，取得破坏应力值，因此只能寻找一个或几个与 混凝土强度具有相关性，而测试又无损混凝土的受力功能值，实际上是一 个间接推算值，它和混凝土实际强度的吻合程度，取决于该物理量与混凝 土强度之间的相关性。我们常用的混凝土无损检测技术通常有回弹法测强 度。 自从19 4 8 年瑞士e s c h m i d t 发明回弹仪以来，回弹法的应用已有4 0 多年的历史，回弹仪是依据回弹法的基本原理进行工作的。回弹法是用弹 簧驱动的重锤，通过弹击杆( 传力杆) 弹击混凝土表面，并测出重锤被反 弹回来的距离以回弹值( 反弹距离与弹簧初始长度之比) 作为强度相关的 指标，来推定混凝土强度的一种方法。虽然其他无损检测方法不断出现， 但由于回弹法所用仪器构造简单、方法简便、测试值在一定条件下与混凝 土强度有较好的相关性、测试费用低廉等特点，至今它仍未失去现场应用 的优越性，被国际学术界公认为混凝土无损检测的基本方法之一 1 】。 我国自5 0 年代开始采用回弹法测定现场混凝土抗压强度。6 0 年代初， 我国开始自行生产回弹仪，并推广应用。但由于对各种影响因素研究不够， 并无统一的技术标准，因而使用混乱，误差较大。1 9 6 3 年建工部建研院结 构所召开了“回弹仪检验混凝土强度和构件试验方法技术交流会”，并于 1 9 6 6 年3 月出版了混凝土强度的回弹仪检验技术一书，对回弹法的推 广应用起了促进作用。1 9 7 8 年，国家建委将混凝土无损检测技术研究列入 了建筑科学发展计划，并组成了以陕西省建筑科学研究设计院为组长单位 的全国性的协作研究组，从而对回弹法的仪器性能、影响因素、测试技术、 数据处理方法及强度推算方法等进行了系统研究，提出了具有我国特色的 回弹仪标准状态及“回弹值一碳化深度一强度 相关关系，提高了回弹法 的测试精度和适应性。1 9 8 5 年颁布了回弹法评定混凝土抗压强度技术规 程( j g j 2 3 8 5 ) ，1 9 8 9 年该规程又进行修订，修订后的规程为行业标准： 回弹法检测混凝土抗压强度技术规程( j g j t 2 3 9 2 ) 。2 0 0 0 年1 0 月1 日， 仍然由陕西省建筑科学研究设计院为主编单位的编制组在原有规程的基 础上，对泵送混凝土制作的构件强度进行修正，扩大了统一曲线的适用范 围，改变了构件强度推定值的方法，并且明确了混凝土回弹仪的检定方法 应按照国家现行标准混凝土回弹仪( j j g 8 1 7 ) 执行，重新颁布了新的 回弹法检测混凝土抗压强度技术规程( j g j t 2 3 2 0 0 1 ) 。2 0 0 5 年8 月1 0 日又颁布了新的计量检定规范混凝土回弹仪检定技术规程j j g 8 1 7 9 3 。 现在回弹法已成为我国应用最广泛的无损检测方法之一。 1 2 回弹仪现状 混凝土抗压强度是影响建筑工程质量的重要因素，无损检测混凝土抗 压强度是检测建筑工程质量的重要方面。回弹仪是利用弹簧驱动弹击锤， 通过弹击杆弹击混凝土表面产生瞬时弹性变形的恢复力，由弹击锤带动指 针回弹并指示出回弹的距离回弹值来推算其抗压强度，是目前国内首 选的混凝土抗压强度检测装置，被广泛应用于房屋建筑、市政工程和路桥 建设等施工过程的质量检测。 目前国内绝大多数回弹仪均为机械式，以模拟指针示读回弹仪为例， 其在测试过程中需要多人配合，检测的数据需要进行大量的人工记录、处 理，过程烦琐，分析耗时，精度不高，大大降低了现场测量效率和客观性。 除此之外，目前国内已开发的智能回弹仪系统主要有三种类型，一种 是接触式回弹仪。它使用接触式电阻作为位移传感器，在回弹仪的游标导 轨处加上接触式电阻，根据游标位置对应的电阻值推算出回弹值。其使用 寿命短，测试精度低，适应性差，对当今高强度高密度的混凝土抗压强度 检测系统来说，采用接触式的电阻位移传感器的回弹仪，并不是最佳选择。 另一种更为普遍的是指针直读式回弹仪，我们以北京盛世伟业科技有限公 司开发的h t 2 2 5 混凝土回弹仪为例，它通过测量机械回弹仪标尺滑块的速 度与机械回弹仪指针直读式仪器对应方法来实现。由于传感器实际测量标 尺滑块的速度即动能，并不是滑块所指向的刻度，最终只是通过推算获得 回弹值。还有一种是基于线阵c c d 成像的智能回弹仪，它是采用非接触 式位移检测方法，利用单片机实现线阵c c d 的驱动和图像处理，无需人 工记录，外围电路相对简化，测试精度有所提高，但功耗居高不下，且c d d 易受入射光斑和焦点偏移影响，回弹仪和计算机之间仍然采用有线连接。 而且目前智能回弹仪还存在价格昂贵等缺点，没有在国内得到广泛推广。 1 3 本系统的特点和目标 系统特点：与前节分析的三种回弹仪者相比，本系统采用p s d 作为光 电传感器获取回弹仪游标位移信息。由于p s d 与c c d 、c m o s 等光电传 感器相比，灵敏度、体积、响应速度和线性度等都有很大的提高，且输出 为电流信号，后续测量电路简单，使用更加方便；同时本系统增加了z i g b e e 无线通讯模块，由于其具有短距离、低速率、低功耗和低成本等特点，有 效解决了多点作业的问题，检测效率高，数据客观性强，使用方便，使智 能回弹仪的利用范围得到更大的推广。本仪器符合j g j t 2 3 2 0 0 1 技术规 程、国家计量检定规程混凝土回弹仪( j j g 8 1 7 - 9 3 ) 及行业标准回弹法 检测混凝土抗压强度技术规程。 系统实现目标： 1 检测精度达到并超过行业标准。研制出用于混凝土结构或构件抗压 强度无损检测的智能仪器，可广泛应用于建筑施工、市政工程和路桥建设 等施工过程的混凝土抗压强度检测。行业标准的回弹仪值检测精度为1 ， 本系统的回弹值检测读数精度为0 1 。 2 计算精度高于行业标准。回弹值不仅需要在现场进行显示，同时为 了获得更加详细的数据信息，还要求对数据进行分析，通过上位机软件可 以对现场数据进行修正和分析。行业标准的回弹值计算标准精度为0 1 ， 本系统的计算精度为0 0 1 。 3 工艺设计上实现小型化、标准化，适应以后批量化生产要求。同 时还要考虑到系统的工作环境，因为要适应高强度和频繁的测试，所以设 计时，必须考虑到产品的耐用性。 系统在现场可以对回弹值进行显示、计算和存储，并可以通过无线将 数据传输到上位机，通过上位机软件对数据进行分析。 针对上述目标，需要完成以下主要工作： 1 设计光电传感器p s d 的后继测量电路。后继测量电路的目的是将 传感器的输出信号进一步转换成容易处理的电压信号，必须考虑系统小型 化和精度的要求。 2 单片机系统对p s d 经后继处理后电压信号的处理，包括数据的计 算、显示、存储以及与c c 2 4 2 0 之间的通信。 3 利用z i g b e e 协议，实现与主机的无线连结。 4 上位机分析软件编写，提供多种方式的补偿运算程序，使用者可 以轻松的对数据进行分析。 1 4 章节安排 第一章首先介绍了回弹仪的产生、发展及应用范围，并对国内当前回 弹仪的现状和各种主要类型回弹仪进行分析，明确本系统的设计特点和实 现目标。 第二章先介绍基于回弹法原理工作的机械式回弹仪，对影响回弹值的 因素进行了分析。其次介绍了p s d 的产生、发展，及应用范围，并对典型 后继电路进行分析和选择，最后选用日本宾松公司出产的一维p s d s 6 4 0 7 ， 并采用a d 6 2 7 精简了后继测量电路。 第三章介绍了系统具体实现部分。首先分析了介绍p i c l 8 f 4 6 2 0 的特 性，对其自带13 位a d 进行分析，并对p i c l8 f 4 6 2 0 的外围电路设计进行 展开说明。其次详述了数据无线传输的实现：通过对z i g b e e 协议分析和与 当前3 种主要无线传感技术比较得出利用z i g b e e 协议实现无线传输的优 劣，2 4 2 0 的选用和外围电路设计。 第四章介绍了系统的软件部分设计。系统软件部分分为回弹仪嵌入式 系统软件设计和上位机数据处理程序。嵌入式系统软件设计介绍了系统工 作的流程，以及系统的操作界面。上位机程序介绍了对数据的修正和分析 处理的流程。 总结部分简要说明了本系统的特点，以及未来对系统设计改进的建 议。 第二章光路设计 2 1 回弹仪简介 混凝土回弹仪的检测原理是基于瑞士学者e s c h m i d t1 9 4 8 年提出的回 弹法，该方法已有4 0 多年的应用历史，被国际学术界和工程界公认为混 凝土无损检测的基本方法之一。回弹仪在测量混凝土结构和构件抗压强度 时，是利用弹簧驱动弹击锤，并通过弹击杆弹击混凝土表面，由此产生的 瞬时弹性变形恢复力驱使弹击锤回弹，带动指针( 滑块) 回弹并指示出弹 回的距离。以回弹值作为混凝土抗压强度相关的指标之一，来推定混凝土 的抗压强度。其内部原理 2 如图2 1 所示。 弹击头弹击锤指针块弹击杆 弹簧+ 图2 - 1n _ j 弹仪i f t ：腺理 当弹击锤被水平拉到冲击前的起始状态，弹击锤所具有的冲击能量仅 t es 0 为弹簧的弹力势能”2 ；( 2 1 ) e 。弹击拉簧的刚度系数； 三弹击拉簧的起始拉伸长度，即冲击长度； t 1 一e s x j “ 2 为弹击锤反弹回来后，弹簧所吸收的动能； 卜弹击拉簧的收缩长度； r = 瓦一乙 ：竽一竽斗2 陋2 ， 肛x = f i , , t 一层0 v r 称为回弹值； ( 2 3 ) 令回弹仪的冲击能量为乃，则由功能原理得i r o = e f = e l + e 2 + e 3 + e 4 + e 5 + e 6 ( 2 4 ) e l 混凝土受冲击后产生塑性变形所吸收的能量。 历混凝土弹击杆及弹性锤产生弹性变形所需的能量。 肠弹性锤在冲击过程中和指针在移动过程中因摩擦损耗的能量。 函冲击锤克服空气阻力所消耗的能量。 历混凝土产生塑性变形时增加自由表面所损耗的能量。 风弹击锤在冲击过程中由于混凝土构件的颤动和弹击杆与混凝土 表面所损耗的能量。 历、毋、历一般很小，当混凝土构件具有足够的刚度且在冲击过程中 回弹仪始终紧贴混凝土表面时e 6 也很小，均可忽略不计。在一定的冲击能 量作用下，历的弹性变形接近常数，即：弹性变形不消耗能量。因此弹回 距离主要取决于混凝土的塑性变形。混凝土的强度低，塑性变形越大，消 耗于产生塑性变形的功也越大，弹性锤所获得的回弹能就越小。回弹距离 相应也越小，从而回弹值就越小。反之亦然。回弹值通过弹击锤在弹击混 凝土前后的能量变化，即反映了混凝土的弹性性能，也反映了混凝土的塑 性性能。 目前国内有很多智能型回弹仪，均采用的是传统滑块电阻式传感器， 受使用次数和环境温度等影响较大，无法长期使用。且通过功能原理公式 我们知道，要使用传统滑块电阻式传感器必然会对功能公式产生影响，增 加了不可确定外力影响，即滑块电阻式传感器摩擦力做功问题，从而影响 了回弹仪整体的准确性，产生失效破坏。所以被认为不是成功的设计。 2 2p s d 简介 p s d ( p o s o t i o ns e n s i t i v ed e t e c t o r ) ，即位置敏感元件，是一种新型横 向光电效应器件，它可以将入射光点位置直接转换为电流信号输出。对p s d 的研究源于1 9 5 7 年，w a l l m a r k 利用载流子传输理论解释了半导体材料上 产生的横向光电效应现象，并提出可用于检测光点位置的观点。随着半导 体材料、制造工艺的发展，p s d 在灵敏度、体积、响应速度及线性度等方 面有了很大的提高。除了具有光电二极管阵列和c c d 的定位性能外，还 具有灵敏度高、响应快、体积小、后续电路简单、使用方便等特点，逐渐 在精密尺寸、三维空间位置及坐标定位等非接触式精密测量领域中得到推 广o p s d 按照位置坐标维数可分为两类：一维p s d 和二维p s d ，以一维 p s d 为例，结构如图l 所示，它分三层，从上到下依次为p 层、耗尽层( i 层) 和n 层，形成p i n 结构。由于i 层宽，结电容小，光生载流子几乎 全部都在i 层耗尽区产生，没有扩散分量的光电流，因而大大提升了响应 速度。当光照射到p s d 表面时，p 层的1 2 电极上将输出光电流i 和2 ， 由于p 层可看作均匀电阻，光电流i 和2 与光电到各级的位置x 成反比， 关系可表示为： 厶= 五+ 厶 ( 2 5 ) = 厶等；厶= 厶等( 2 - 6 ) 所以有： 工= l 1 2 - i i 厶+ ( 2 7 ) 其中l 为p s d 的半感光长度。 因此只要测出t z 的大小，经过适当处理，可得坐标位置x 的值。 9 一x 迅善 c i 乞吒吒乞吒c ( 一吒( c ( c 心0 心3 、i ) 3 ) 3 0 、x ! 一l 皇毫一j 2i 嘿 r 层 堤 图2 2 一维p s d 表面结构图及光照下的等效电路图 2 图2 - 3 二维p s d 结构及等效电路 1 1 二维p s d 与一维p s d 类似，只是感光区为一方形或枕形模块，通常 有x y 方向两对电极，每对电极输出一个方向的信号电流 3 。 本系统采用一维p s d 设计，与采用c c d 、c m o s 等其他回弹仪方案 相比，基于p s d 的智能回弹仪系统具有如下优点： 1 ) 测量精度高； 2 ) 无测量死区，感光面连续； 3 ) 输出只对入射光斑重心敏感，检测不受入射光斑及焦点偏离的影 响； 4 ) 无须扫描，外围电路简单，可以小型化回弹仪； 5 ) 响应速度快：c c d 、c m o s 输出光斑图像数据，需要采用位置提 取算法，才能得到光斑位置，计算量非常大；而p s d 的输出信号直接反映 位置信息，通过简单的运算就可得到光斑位置。 目前，较为著名的p s d 产家有美国o n t r a k 、u d t 和日本浜松 ( h a m a m a t s u ) 等。本设计采用滨松出产的一维p s d ( $ 6 4 0 7 ) 2 3 典型后继电路 信号调理电路的目的是将传感器的输出信号进一步转换成容易处理 的电压信号，同时并加以放大到a d 转换所需的电压。图2 4 给出一维p s d 典型后继测量电路。 图2 4 一维p s d 典型后继电路 a 1 、a 2 、a 3 、a 4 均为低噪声运放。其中a 1 、a 3 用于电流电压转换， 将p s d 的输出电流转换成电压。a 2 、a 4 构成反相比例放大电路，放大 到a d 转换所需的电压。c f 、c 2 用于减小信号的高频干扰。v r 为外加 偏置电压。x 方向的两路信号电流i l 、1 2 分别经运放a 1 、a 3 转换为电 压，再经过a 2 、a 4 的放大，电路中上下两部分各阻容元件值对应相等， 即最终有： u = 一页r ，4 + r 坞l l i = 弛 ( 2 8 ) u 2 - - 一是厶= k ： ( 2 - 9 ) x = 等尝三( 2 - 1 0 ) + u 4 】 由于信号调理电路性能好坏直接影响系统的误差，该电路中的运算放 大器选用低噪声运放o p 0 7 。电阻元件选用精度较高的五色环电阻，并经 桃诜配对。 2 4 选用p s d 及后继测量电路的设计 本款回弹仪采用日本滨松公司出产的一维p s d ( $ 6 4 0 7 ) ，运算放大器 采用偏置电流小失调电压小的低噪声运放a d 6 2 7 2 4 1p s d ( s 6 4 0 7 ) 特性介绍 萋 芦 岁 e 望 2 呈 氐 ， ， ， ， ， q e _= 1 ， 八 、 l 一 、 l ， ， ， lf ， ， j ， f f ， - ， ，j ， | 1， - t ， - t ， 一 图2 5 $ 6 4 0 7 型单面结构的一维p s d 光敏响应图 本设计传感器采用滨松公司的$ 6 4 0 7 型单面结构的一维p s d ，该p s d 有效光敏区1 幸1 r a m 2 ，电阻长度1 m m ，偏置最大电压为2 0 v ，工作温度范围 是2 5 + 8 0 摄氏度。2 5 度时，响应波长是7 6 0 1 l o o n m ，如图所示。直流偏 置v r = i v ，测量范围在7 5 的有效光敏区以内时，最大误差为1 5 u m ，典型 值为5 u r n ，其精度小于等于5 ，输出电流为2 5 u a 。 2 4 2 后继测量电路设计 后继测量电路的目的是将传感器的输出信号进一步转换成容易处理 的电压信号，同时并加以放大到a d 转换所需的电压。 5 】【6 】由于p s d s 6 4 0 7 输出精度高，电流稳定，故勿需2 级运放，一级即可满足要求。 后继测量电路的性能好坏直接影响系统的误差，因而电路中的运算放 大器选用偏置电流小、失调电压小的低噪声运放a d 6 2 7 ，阻元件选用精度 较高的五色环电阻，并经挑选配对。 a d 6 2 7 的失调电压、失调漂移、增益误差和增益漂移均较低，有较好 的高频共模抑制比，a d 6 2 7 的最大特点是允许用户使用一个外部电阻器 r g 来设定增益。增益g 的设定可按下式确定：g = 5 + ( 2 0 0 k q r g ) 可以看出： a d 6 2 7 的最小增益为5 ( r g - - 时) ，在其增益精确度为0 0 5 0 7 时，应 使用0 1 的外部增益设置电阻以避免全增益误差的较大衰减。另外，增益 设置电阻r g 的选择可以从标准设置电阻表中选取最接近的值。可以采用 单双电源供电的轨轨仪用放大器a d 6 2 7 比分立元器设计的放大器具有较 好的直流交流性能，并且可以方便地用外部电阻设定增益，因而是传感器 信号检测的较好选择。 图2 - 6 简化后继测量电路 2 5 本章小结 本章先介绍基于回弹法原理工作的机械式回弹仪，对影响回弹值的因 素进行了分析。其次介绍了p s d 的产生、发展，及应用范围，并对典型后 继电路进行分析和选择，最后选用日本宾松公司出产的一维p s d s 6 4 0 7 ， 并采用a d 6 2 7 精简了后继测量电路。 第三章系统实现及硬件电路设计 回弹仪在测量混凝土结构或构件强度时，使用频率特别高，传统基于 滑块移动时与检测元件的接触而获取位移信号的方法检测精度低，使用寿 命短，而指针直读式回弹仪的测量精度和客观性又不能满足需求，至于基 于线阵c c d 的非接触式回弹值检测方法，由于c c d 本身易受入射光斑影 响精度受限，且需要脉冲驱动，测量电路复杂。为解决这些问题，本文提 出了基于p s d 的非接触式回弹值检测方法，大大减少了入射光斑及焦点偏 移的影响，简化了外围电路，有效提高了测量精度和响应速度。在该系统 中，采用了m i c r o c h i p 公司推出的1 6 位微处理器p i c l 8 f 4 6 2 0 ，由于 p i c l 8 f 4 6 2 0 驱动能力强、本身自带1 0 位a d 等特点，只要将p s d 产生的 电流信号后继处理为a d 合适的电压信号，然后经由射频芯片c c 2 4 2 0 发 送至计算机的接收端进行最终的处理打印即可。基于p i c l 8 f 4 6 2 0 的智能 回弹仪系统的工作原理框图如图3 1 所示。7 1 c c 2 4 2 0 p l c i 踞后继潍 6 - - p s d 电路 计算机 4 6 9 0 图3 i 基于p i c l 8 f 4 6 2 0 的智能回弹仪系统的工作原理框图 3 1p i c l 8 f 4 6 2 0 特性介绍及外围电路设计 3 1 1p i c l 8 f 4 6 2 特性介绍 系统单片机采用美国m i c r o c h i p 技术公司的p i c l 8 f 4 6 2 0 。它采用精 简指令集计算机r i sc ( r e d u e e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ) 、哈佛( h a r v a r d ) 双总线、两极指令流水线结构 3 】。除了具备所有p i c 单片机固有特点外， p i c l 8 f 4 6 2 0 还增强了器件设计，使得该单片机成为高性能、功率控制应用 的明智选择。 8 】 新内核功能：纳瓦技术和多个振荡器选项和特性。 ( 1 ) 纳瓦技术：p i c l 8 f 4 6 2 0 具有一系列能在工作时显著降低功耗的 功能：主要包含以下几项： 备用运行模式：通过将t i m e r l 或内部振荡器模块作为单片机时钟 源，可使代码执行时的功耗降低大约9 0 。 多种空闲模式：单片机还可工作在其c p u 内核禁止而外设仍然工 作的情况下。处于这些状态时，功耗能降得更低，只有正常工作时的4 。 动态模式切换：在器件工作期间可由用户代码调用该功耗管理模 式，允许用户将节能的理念融入到他们的应用软件设计中。 较低的关键模块功耗：t i m e r l 和看门狗定时器模块的功耗需求可 降至最小。 ( 2 ) 多个振荡器选项和特性 p i c l 8 f 4 6 2 0 可提供1 0 个不同的振荡器选项，使用户在开发应用硬件 时有很大的选择范围。这些选项包括： 4 种晶振模式，使用晶振或陶瓷谐振器 两种外部时钟模式，提供使用两个引脚( 振荡器输入引脚和四分频 时钟输出引脚) 或一个引脚( 振荡器输入引脚，四分频时钟输出引脚重新 分配为通用i o 引脚) 的选项 两种外部r c 振荡器模式，具有与外部时钟模式相同的引脚选项 一个内部振荡器模块，它提供一个8m h z 的时钟源和一个i n t r c 时钟源( 近似值为3 1k h z ) ，并有6 个时钟频率可供用户选择( 从1 2 5k h z 到4m h z ) ，总共8 种时钟频率。此选项可以空出两个振荡器引脚作为额 外的通用i o 引脚。 一个锁相环倍频器，可在高速晶振和内部振荡器模式下使用，使时 钟速度最高达到4 0m h z 。p l l 和内部振荡器配合使用，可以向用户提供 频率范围从3 lk h z 到3 2m h z 的时钟速度以供选择，而且不需要使用外 部晶振或时钟电路。 除了可被用作时钟源外，内部振荡器模块还提供了一个稳定的参考 源，增加了以下功能以使器件更安全地工作： 故障保护时钟监视器：该部件持续监视主时钟源，将其与内部振 荡器提供的参考信号作比较。如果时钟发生了故障，单片机会将 时钟源切换到内部振荡器模块，使器件可继续低速工作或安全地 关闭应用。 双速启动：该功能允许在上电复位或从休眠模式唤醒时将内部振 荡器用作时钟源，直到主时钟源可用为止。 存储器耐久性：程序存储器和数据e e p r o m 的增强型闪存单元经 评测，可以耐受数万次擦写，程序存储器高达1 0 0 ，0 0 0 次， e e p r o m 高达1 ，0 0 0 ，0 0 0 次。在不刷新的情况下，数据保存时间 保守地估计在4 0 年以上。 自编程能力：这些器件能在内部软件控制下写入各自的程序存储 器空间。通过使用受保护的引导块( 位于程序存储器的顶端) 中 的引导加载程序，可创建能