（机械制造及其自动化专业论文）液位高度实时在线检测系统研究.pdf

长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所星交的硕士学位论文，液位高度实时在线检测系统研究是 本人在指导教师的指导下。独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的 内容外- 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 作者签名；塞塑至立! ! ! 一年三月型日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版权使 用规定”- 同意长春理工大学保留井向中国科学信息研宄所、中国优秀博硕士学位论文 全文数据库和c n k ! 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和 电子版t 允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编学位论文。 作者签名：星盔至2 1 生一年生月二盐日 钏签名：糊型t 眨月斗日 摘要 针对传统液位测量方法在测量环境恶劣和非接触式测量技术以及测量精度方面的 缺点，本文通过深入了解液位测量方法和技术以及激光三角法测量原理提出基于先 进激光三角位移传感器技术和数据采集技术的测量系统研宄，测量系统以l a b v i e w 为 人机交互工具，完成了模拟信号采集数字信号处理和系统登陆控制等功能。 本文在液位测量系统设计过程中利用c a t i a 软件实现了液位测量装置及激光三 角位移传感器的建模和分析工作依据传感器输出的模拟信号特性，选择合适的数据 采集卡和工控机，建立数据采集乍和工控机的数据通信，结合使用l a b v l e w 编程语言 实现人机交互控制界面。 测量系统经过实际测试，对系统采集到的数据进行分析和比较，再提出测量系统 调试措施和改进方法使得测试装置具有很好的稳定性和高精度要求。 关键词：液位高度激光三角法l a b v l e w 数据采集卡 a b s t r a c t i nt h ev i e wo fd i s a d v a n t a g eo ft h et r a d i t f o n a ll i q u i dl e v e lm e a s u r e m e n tm e t h o di nt h e t o u g hm e a s u r e m e n te n v i r o n m e n ta n dn o n - c o n t a c tm e a s u r e m e n tt e c h n i q u ea s w e l la s m e a s u r e m e n tp r e c i s i o n t h i sa r t i c l ec o m b i n e st h ep r e s e n tl i q u i dl e v e lm e a s u r e m e n tm e t h o d a n dt e c h n i q u ew i t ht h el a s e rt r i g o n o m e t r yp r i n c i p l e ，a d o p tt h ea d v a n c e dl a s e rd i s p l a c e m e n t s e n s o rb a s e do nt r i a n g u l a t i o na n dd a t aa c q u i s i t i o nc a r dt om a k et h el a b v i e wa sa m a n - m a c h i n ei n t e r a c t i o nt o o lt oc o m p l e t et h ea c q u i s i t i o no fa n a l o gs i g n a l s d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n ga n d t h ec o n t r o lo f l o g g i n g i n t h es y s t e m i nt h ed e s i g n i n go f l i q u i dl e v e lm e a s u r i n gs y s t e m t h ea r t i c l eu t i l i z e sc a t i at od e v e f o p t h el i q u i dl e v e lm e a s u r e m e n tp l a t f o r m ，a c c o m p l i s ht h em o d e l i n ga n da n a l y s i so fl a s e r d i s p l a c e m e n ts e n s o eb ya n a l y z i n gt h eo u t p u ta n a l o gs i g n a l so f s e n s o r , s e l e c tt h ea p p r o p r i a t e d a t aa c q u i s i t i o nc a r da n di n d u s t r i a lp e r s o n a l c o m p u t e r w h i c hc o m p l e t e t h ed a t a c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nd a t aa c q u i s i t i o nc a r da n di n d u s t r i a lp e r s o n a lc o m p u t e r , a p p l y i n g t h el a b v i e ws o f t w a r et op r o g r a m m e rf o rr e a l i z i n gt h ec o n t r o li n t e r f a c eo fm a n m a c h i n e i n t e r a c t i o n i no r d e rt oe n s u r et h es t a b i l i t ya n dh i g hp r e c i s i o nd e m a n do f t h es y s t e m i ti sn e c e s s a r y t op u tt h el i q u i dl e v e lm e a s u r i n gs y s t e mi nt h er e a lm e a s u r e m e n te n v i r o n m e n tt od e t e c tt h e s y s t e ma n da n a l y z ed a t a , c o m p a r e dt ot h et r i a lr e s u l t st od e b u ga n di m p r o v et h es y s t e m k e yw o r d s ：l e v e ll i q u i d l a s e r t r i g o n o m e t r y l a b 、c l e w d a t a a c q u i s i t i o nc a r d 目录 摘要 a b s t 眺c t 目录 第一章绪论1 1 l 引言1 l2 液位测量方法的分析和确定 1 12 ，1 电容液位计 i 1 22 超声波测量方法，3 1 23 激光三角法 4 124 液位测量方法的确定 5 13 激光三角位移传感器国内外研宄现状5 1 3l 国外激光三角位移传感器发展现状5 1 32 国内激光三角位移传感器发展现状 7 l4 论文研究的目的和意义 8 i5 论文的主要研究内容 9 l6 本章小结 9 第二章激光三角法原理及系统组建1 0 21 激光三角法测量原理1 0 22 基于激光三角法测量系统的组建l l 22l 系统构建的总体方案1 i 2 22 激光三角位移传感器选择 1 2 2 23 工控机选择 1 2 2 24 传感器安装及装置设计 1 3 2 3 本章小结 1 5 第三章激光三角位移传感器技术研究1 6 3 1 激光光源 1 6 32 光源准直技术和光路结构 1 7 32l 光源准直和自准直技术1 7 322 光路结构1 8 33 电荷耦合器件( c c d ) 】9 331c c d 的基本结构 2 0 33 2c c d 的基本工作原理一 2 2 333c o d 光电特性参数 一2 3 3 4 本章小结 2 5 第四章数据信号采集原理2 6 4 1 数据采集卡的控制过程 一2 6 4 1l 数据采集卡参数和功能 一2 6 4 1 2 数据采集卡的安靛 2 9 4 13 数据采集a d 转换 2 9 4 2 数据采集接口通信技术，2 9 4 2lu s 8 接口方式 3 0 4 2 2 并行接口方式3 l 4 2 3p c i 总线介绍 3 l 43 数据存储原理 3 2 4 4 数据采集接口程序” 45 本章小结 3 4 第五章基于l a b v l e w 的软件系统设计3 5 5 1l a b v i e w 设计方法 3 5 5 1il a b v i e w 语言特点 3 5 512l a b v i e w 基本程序环境 3 5 5 , 2 测试装置软件系统组成3 6 5 2 i 管理用户登录3 7 5 2 2 用户数据管理3 9 5 2 3 数据采集系统4 3 5 2 4 数据存储与调用，4 5 5 2 5 测试报表和打印4 6 53 程序打包 4 7 53l 生成e x e 程序文件 4 7 532 打包程序安装 一 4 9 5 4 本章小结4 9 第六章实验结果和误差分析。 6 1 实验结果分析 一 5 0 6 2 误差分析 一5 2 62 1 光源误差 5 2 62 2 传感器的测头误差一5 2 62 3 信号处理电路噪声一5 3 6 24 测试环境产生误差 5 3 6 3 本章小结5 4 总结及展望s s l 全文总结 5 5 2 课题深入和展望 5 5 致谢5 7 参考文献5 8 参与发表论文6 0 第一章绪论 1 1 引言 尽管榆测设备仪器种类繁多用途和差别也干差万别，但是他们都是用于参量检 测，用来获取有关参量的信息。检测设备组成通常以信号的流程来划分，一般为信号 的摄求、信号的转换和调理、信号处理和信号的显示及传输，其中最为重要的是用于 摄取参量信号的传感器技术。下面着重阐述用于液位测量的传感器技术。 在科学信息技术快速发展的今天，人们的社会栝动主要是以获取信息和交换信息 为中心。传感器技术、通信技术和计算机技术三者统称为现代信息技术的三大支柱， 尤其以传感器技术在信息技术系统中充当若“感觉”的功能角色，垫定了传感器技术 在信息社会的尤为重要的基础地位。传感器的种类、质量和技术水平直接决定着一个 社会的信息科学技术系统的功能和效益质量，因此发展传感器技术对于社会的科技 进步相当重要。 目前，在世界各国工业中制造业已经成为各国的重要支柱性产业。制造业的快 速发展以及其在国民经济中日益重要角色作用促使其对各种在线测试装置和技术提 出了更高的测量要求，其中主要有更高的测量精度、更大的测量量程、非接触式测量 方式、非常稳定的测量可靠性保证和数字化测量方式，井且这些新的测量要求和特点 已成为行业公认的在线检测装置的发展趋势。也将成为世界各国竟相优先发展的重点 领域行业。伴随着各项检测技术以及制造业生产应用技术的快速发展生产技术对于 零件的表面轮驿、工件的几何尺寸、液面高度、各种加工模其及非接触式工件表面粗 糙度的测量任务迅速增多，测量精度的要求也是随之增高，尤其是在航天航空、基础 制造工业生产中，生产自动化程度高，高精度、高效率、非接触在线检测己成为检测 行业的发展方向a 这不仅能够提高生产效率、产品质量和降低成本还可以达到解放 劳动力，同时也符合社会生产人性化的生产理念“1 。 1 2 液位测量方法的分析和确定 液位检测系统中的核心部件之一就是传感嚣。在检测技术的发展过程中，液位测 量技术可以分为接触测量和非接触测量两大类。目前在接触测量方面，主要用到的 接触式测量传感器技术有电容式传感器、磁制伸缩式液位计等。在非接触测量方面， 主要用到了超声波测量方法、微波雷达液位测量计和激光三角法测最等”1 。下面分别 介绍电容液位计、超声波测量方法和激光三角法。 1 2 1 电容液位计 电容式传感器主要是指将被测量的液位变化转换成电容量变化的装置。实质上是 一个可以变化参数的电容器黼着电子技术的发展，电容式传感器具有结构简单、动 态响应快和易于实现的特点，广泛应用于液面高度、压力等参数测量。 电容式传感器测量的基本原理就是改变电容的大小，用平板电容器来说明电容c 大小和旦l 耋响参数。图i i 所示为平板电容示意图，忽略边缘效应，电容大小c 计算公 式如公式( i 1 ) 所示。 c ；e op ，s 6 ( 1 1 ) 其中：s 为极扳相对遮盖面积，电介质之介电常数。= 88 5 1 0 “1 f m f ，为相对介电常数占为极板之间的距离。 圈l _ 1 平扳电容器示意图 通过改变电容器的参数一项或者多项来改变电容器的电容大小。电容传感器可 分为改变极板遮盖面积的电容传感器、改变介质介电常数的电容传感器和改变极板间 距离的电容传感器三种传感器，下面主要介绍变介电常数型电容传感器。 变介电常数电容器广泛应用在液位和位移测量方面，蹭i 2 所示为两种常用的变 介电常数电容传感器的原理图。图1 2 ( a ) 所示为液位电容计常用来检测液位的高度变 化，圈l _ 2 ( b ) 所示的厚度电容传感器主要用来检捌片状材料的厚度和介电常数。 ( a ) 液位电容测量计( b ) 厚度电容传感嚣 图1 2 改变卉质电容传礴嚣 在圈12 ( a ) 所示的液位电容测量计示意图中，液位电容测量计由圆简和圆柱构成 电容器两极假定部分长度为x 的电容极板长度浸入在被测量介质中并且介质应该 为可i 导电材料。如粜介质具有导电性能则需要对电极做绝缘处理一殷镀l 厚度为 0i m m 的聚四氟乙烯等绝缘材料。在液位电容计的极板间介质有两种分别是介质l 为空气介质和介质2 测量液体介质，两种不同介质所产生的电容大小就形成了电容式 液位测量传感器电容变化的大小。当被测量液体介质的液面高度发生变化时，进而导 致液位电容计的电容大小也随之发生变化。因此，液位电容计将液位高度变化量转换 为电容大小的变化量转换为电压输出信号此电压信号为后续设备提供模拟信号源， 此种测量方法的精度可阻达到很高并且对周围环境的影响很少。涟位电容计的总电 容c ，的大小由两个部分组成一部分是由测量液体介质产生的电容c 。和另外一部分 由空气介质产生的电容c 。在图1 2 ( b ) 所示的厚度电容传感器示意图中，电容传感器 主要用来进行厚度测量。下面分别计算两个电容的大小。 ( a ) 液位电容测量计 在图1 2 ( a ) 中，电容计算公式如公式( 1 2 ) 所示。 空气介质产生电容 ：c k = 2 n 。( 一j ) i n ( r ，r ) 液位测量介质产生电容：c v = 2 腮；x l n ( r r ) 电容传感器的总的电容：c ：= c ，+ c ， = 2 艇o ( 爿一x ) k ( 月r ) + 2 r m ，x i l n ( r ，r ) = 2 腮o h i n ( r ，) + 2 z ( f i f o ) x l n ( r r ) ( 1 2 ) 在公式( 1 2 ) 中h 为电容器的总高度，x 为电容器浸入液体中的深度，r 为同心圆 电极的外半径，r 为同心圆电极的内半径e 被测液体的介电常数，岛为空气的介电 常数。 当使用电容传感器进行液位进行测量时候，在电容器的外径和内径等尺寸。以及 被铡介质韵介电常数确定后咀l j 公式( 1 2 ) 中的i 、r 、r 、e ：、。均可以是已知量按 照数学方法，新设置a 、b 两个参数。 令a = 2 1 r e o h i i n ( r r ) b = 2 7 r ( c l 一岛) ，i n ( r r ) ，代入公式( 12 ) 中，产生一个电 容c 的计算公式如公式( i 3 ) 所示。 则有c = a + bx( 1 3 ) 由公式( 1 _ 3 ) 可知电容c 的大小与浸入液位电容传感器的液面高度值成一次函数 韵线性比例关系，因此，电容传感器适合于一维测量。 ( b ) 厚度电容传感器 在图1 2 ( b ) 中，电容大小计算公式如公式( 1 4 ) 所示。 c = a b 氏，一以) + t s o j ( i4 ) 在公式( 1 4 ) 中 指固定板板长度b 指固定极板的宽度，瓦技测量物体的厚度， 是被测液体的介电常数，岛为空气的介电常数。 1 2 2 超声渡铡量方法 超声波是指发出的波频率高于2 x 1 0 h z 的机械渡，一般额率在2 x 1 0 l 2 1 0 ”h z 范围之间。超声波具有传播衰减小遇到反射面反射效粜强的特点，遵守发射光学理 论原理。因此超声波液位测量原理通常用来测量恶劣环境下，大的液位变化场合 同时超声波易受到传播介质的影响，使其在液位测量中测量精度不高。下面介绍超声 波液位检测原理。 在使用超声波作为液位检测方法中必须有超声波传感器它主要用于产生超声 波和接受超声波，在实际生产和习惯上，称超声波传感器为超声波换能器，或者为超 声波探头。超声波传感器的测量原理是探头发射超声波脉冲，脉冲在介质中传播，遇 到液面发生发射后，反射回来超声波的脉冲被探头所接受，同时转换成电信号形成输 出，此种测量原理称之为脉冲回波测量法，脉冲回波法原理图如图1 3 所示。 圈i3 超声波测量原理圈 在脉冲回波测量法中，需要通过仪表测量出换能器发射超声波脉冲时间i 到接收 该组超声波脉冲时间t ：t 两时间间隔差t 同时根据超声波在介质中传播速度v 和超 声波换能器的安装高度h ，就可以计算出液位值h ，液位值计算公式如公式( 1 5 ) 所示。 h = h v a t ，2 = h v 0 一，2 ) 2 ( 1 5 ) 在超声波传感器实际应用过程中，发现超声波传感器发出的超声波传播速度随着 介质和实际测量环境下介质的温度、压力等环境条件的变化超声波的测量值也有一 定的改变。因此，在使用超声波传感器进行液位测量时还需要对计算高度公式( 15 ) 加一个环境参数补偿t ，其改进的液位值计算公式如公式( 1 6 ) 所示。 h = h v a t 2 + t = h v c t l f 2 ) 2 + t ( 1 6 ) 同时还有另外一种可行的办法，就是结台使用多个超声波换能器，将多个测量 数据进行均值处理，从而消除超声波在介质中传播速度对测量结果影响，更好的提高 精度和适应使用场合环境需要。 1 2 3 激光三角法 随着对测量要求的不断提高和测量技术的改进，出现了非接触式测量传感器其 中以激光三角位移传癌 器为代表，主要由于其测量稳定性好和测量精度高的特点。激 光三角位移传感器的结构组成中其中主要由光学系统、电荷耦合器件( c c d ) 和信号处 理控制器等器件组成。在生产测量环节中，激光位移传感器技术具有测量检测速度快， 检测精度高、测量误差小、测试系统的抗干扰能力强、测试装置操作简单、测量稳定 性强以及应用检测领域广泛等优点。 1 2 4 液位测量方法的确定 在上述液位测量方法中，由于采用的传感器的原理不相同，各自测量的要求和环 境也是不同的。根据本测试装置对液面测量的精度和量程要求，结合上述几种液位测 量方法并进行比较分析液位测量方法比较分析表如表卜1 所示。 表l i 液位测量方法比较表 比较类型超声波测量法电容液位计法激光三角法 测量量程6o o o 姗1 50 【舳最大7 5 0 m 精度最高l m m0 1 衄0 0 1 m n 分辨力最高小于l m m“唧0l ；u n 介质机械振动波 电容电磁波 主要是固体、 浈0 量对象 液体固体和液体 液体和气体 测量介质的温测量介质的温 测量液体挥发 影响测量因素度密度、湿度和度、密度，湿度和 雾气环境 测量环境测量环境 根据液位测量装置妁测试要求，液位精度需要达到01 岬和测量量程小于7 5 0 拥， 尤其是液位检测装置在精度方面要求和稳定性要求。为此液位测试装置使用激光三 角位移传感器，即采用激光三角法进行液位测量。下面介绍激光三角位移传感器的国 内外发展现状。 13 激光三角位移传感器国内外研究现状 自从1 9 7 0 年美国贝尔实验室成功研制第一只电荷耦台器件( c c d ) 以来，依靠业已 成熟的m o s 集成电路工艺c c d 技术得以迅速发展。c c d 图像传感器作为一种新型光电 转换器现己被广泛应用于摄像、图像采集、扫描仪以及工业测量等领域。同删，美国、 日本和德国等国家对于c c i 激光位移传感嚣进行了深入的研究。随着这项技术的应用， 国内也进行了自主仓新研发，也取得了一定的成果。 1 3 1 国外激光三角位移传感器笈展现状 目前，美国j 盯i 公司生产的m i c r ot r a c ki i 系列的激光位移传感器如图1 4 所示。 m i c r ot r a c ki l 系列的快速高辅度c c d 位移激光传感器的规格有9 种量测范围主要 有l o m m 到l o o m 之间不等光斑直径3 0 p m 、l o o t u n ，测盘表面为漫反射型，其中有 一款量程是l o m m 的激光位移传感器的分辨牢高达：l o 1 2 p m 。另外还有由一家美国 b 扑n p r 公司生产的l g 一( ； 1 e ，l g i o a f s n i 系列馓光位社传瞎器也n 订很高的测量精 度，其中l - ( i , a ( ；e 系列传感器属于自古式 ! ； 计标准无襦额外的助率般大器只需使用 简单的按键操作模式就可以实现编程，快速地设簧近界面程序和远界面程序，井可 以给其他设备提供模拟量输出和玎关量信号输出并且可保证在低速响庸的情况下t 瓤壁分辩率为1 0 岬。 翻j4m 1 c r ot l a c k1 i 系钏的激光 移传感器 在征洲的众多激光位移传感器技术研究中开本的激光位移传感器技术是最为先 进有很多高精度的午i j 关传感器产品。其中基恩士k e y e n c e 企业主要生产基干激光三 角法的激光位移传堪器出于其产品性能稳定和测量精度高的特点被广泛应用。通过 市场调直和查阅相关资辑，h 奉基恩士k e y e n c e 公司生产的激光= _ f f j 位移传感器的型 号种类大致有l k _ g 、l k 、l c 和l b 四个系列，其中l k6 系列激光三角位移传感器具 有测量响应速度快、测量精度高的、测最量程大以及超长的工作测量距离的特点，被 r 泛应用于位穆测量l k 一6 系列激光三角位移传感器示意闰如图1 5 所示。基恩士公 司q i 产的l k 弋系列传感器的光源接收器件为基恩士k e y e n c e 白行丌发的l i c c d 电荷 鹕合；| ! 件以及冠备有商精度e r n o s t a r 的成像物镜这样可以进一步提高测量精度和采 样频率。 霹嗨 擞杰裂穗。 倒j 5l k _ g 系列c c d 搬光位移传搏器 通过蠢阅激光三角位移传感器资料以及查询相关厂家对国外较为先进的激光位 移f 感器挫术水平进行对比分析国外激光位移传搏器技术对比分析表如表卜2 所示。 袭卜2 圊讣激光位辖传感器技术对比分析表 国家美国日本德国瑞士 企业m t i k c y e n c em i c r o e p s i l o n b a u m e r 最大量程2 0 0 m m7 5 0 r 肌 2 0 0 m m 2 5 0 m m 非线性误差 0 0 5 0 0 隅0 0 8 0 1 最高分辨率 0 1 p m 0 0 l t u l l0 1 u m 2 p m 采样速度4 0 k h z5 0 k h z1 0 0 k h z3 0 k h z 激光光源 6 7 0n n l6 5 0 n m6 7 0n r l6 5 0 n m 最小光斑3 0 p m1 2 t u n2 0 p m3 0 p m 温漂0 0 5 0 0 1 0 0 5 0 1 接收器 c c dc c dc c d p s dc c d 防护等级 i p 6 7i p 6 7i p 6 5i p 6 7 1 3 2 国内激光三角位移传感器发展现状 在近些年来的国内关于激光三角位移传感器技术的发展所程中相比国外的此方 面的成熟技术国内的相关技术研究还处于较早的技术起步阶段。在将产学研相结合 过程中也只有少数技术顿先企业推出了相关激光测距产品。在这些企业推出的激光 测距产品中，深圳光学电子科技有限公司通过与高校的产学研合作项目，成功的开发 了l t 系列的激光位移传感器产品。通过对该款传感器产品的调查，l t 系列的激光位移 传感器一麸有6 种不同的规格，其测量工作距离的范围大小在l m m - 3 0 0 m m 之问不等， 光斑直径尺寸5 0 1 l m 。 图1 6f 删一1 0 0 a 系列传感器 除此之外还有北京飞拓激光技术公司生产的f t m 系列激光位移传感器如图1 6 所示。这款型号的激光位移传感器的参数如表1 3 所示。 表卜3f t m 系列激光位移传感器 淤 f t m - 5 0f t m - 1 0 0 af r m 1 0 0 b盯m - 2 0 0 量程 0 0 5 m - 7 0 m0 0 5 一i o o m0 0 5 1 0 0 m00 52 0 0 m 精度 1 5 肌1 唧1 肿l 唧 分辨率 o 1 唧0 1 m m0l 0 1 爪m 采样频率 2 h z 一1 5 h z2 h z - 1 0 h z2 h z 一1 5 h z2 h z 1 5 h z 光斑直径 l o r r l r ni o 栅1 0 嘲1 0 m m 1 4 论文研究的目的和意义 有关于位移物理量的测量技术，广泛的被应用于航天技术、建筑行业、工业的现 场检查环节以及自动化技术中，主要是因为准确测量到的位移等距离参数，能够为这 些行业的生产环节和控制过程提供重要的参考依据非常利于一个行业的自动化管理 水平和控制过程精确性的提高，有助于提高企业的生产效率、降低企业成本和提高产 品的品质。同时对于本国技术提升和行业的快速发展都有着非常重要的实际意义。在 目前各国的自动化制造行业中出现的各种在线检测装置和测量仪器。主要可以分为 接触式和4 量和非接触测量两大方向，在接触式测量位移的传感器主要是电感传感器技 术由于其具有测量精度较高、较好的测量稳定性的特点在较早时期被广泛应用， 但是这种测量传感器技术的测量量程不大、线性度不好，频率响应速度慢的缺点。在 对于相关测量技术的研窥中，非接触式测量传感器技术得到了很好的发展，其中激光 三角位移传感嚣技术得到了广泛的应用，此项测量技术主要结合了激光光源的直线性 好的特点和激光三角测距技术的成熟化，以此作为技术基础激光传感器技术的得到 了长足的发展。 虽然激光位移传感器技术得到了快速的发展，但是传感器测量的量程较小，关于 测量对象表面反射类型也有严格要求，并且传感嚣的成本价格很高当将传感器应用 于较远的测量距离时候，其测量精度会急剧下降这些都是目前相关测量传感器需要 解决的问题和缺陷。针对目前有关于激光测距技术研究发展还处于较早的起步研览时 期并且与国外此项技术的研宄差距很大。为此，非常值得我们去对激光三角传感器 相关的测试装置进行相应的研究和分析促进国内相关技术的发展。 本文有关于检测蒹统的设计研究主要针对国内激光三角位移传感器应用领域落 后现状对激光位移传撼器存在的缺陷展开研究目的是学习和掌握辙光位移传感器 的先进技术为工业生产设计一种性能较高的在线检测测量装置。同时也希望通过 对激光三角位移传感器的研究，有助于检测技术水平提升。另外，通过撰写论文的形 式，可以使我们综合运用在校期间所学专业基础知识，对测量装置进行设计和研宄， 充分发挥主观创新能力。 1 5 论文的主要研究内容 本文主要以液位检测系统的研究为中心，探究采集信号的传感器选择和应用原理 等，以及系统硬件组成和软件支持，主要研究内容包括以下几点。 1 激光三角液位测量方法研究和测量平台设计 深入研究激光三角液位测量方法原理以及激光三角位移传感器的结构和原理对 激光传感器进行三维建模。依据测量装置的构建要求，建立测量平台的三维模型。 2 传感器的光学系统和输出信号原理分析 分析研究激光三角位移传感器光学系统，其中包括激光器、c c d 和成像系统原理等。 在完成后续检测系统的组建后，将对检羽4 装置进行测试实验，深入分析测量系统中影 响测量精度的参数。 3 传感器、数据采集忙和工控机通信 深入了解传感器、数据采集卡和计算机的接口通信技术，并将各自的接口通信技 术用于实际项目应用，同时也要对数据采集卡的原理和技术参数进行细致的分析研究。 4 研究信号采集技术和信号处理 信号采集技术是保证测量精度关键技术之一通过分析传感器输出信号和数据采 集卡参数，完成好传感器输出信号的采集工作。在完成传感器的信号采集后，使用虚 拟仪器l a b v i e w 技术对采集数据进行分析和处理。 1 6 本章小结 主要介绍课题的研究内容、目的和意义，简单的介绍了研究工作过程中所涉及到 的基本理论，比较分析各种液位测试方法确定采用基于激光三角法的激光三角位移 传感器进行测量系统设计。并介绍了激光三角位移传感器的发展现状。 第二章激光三角法原理及系统组建 随着自动化技术的广泛应用，物理参数的检测也越来越多，侧如加速度、位移和 力矩等传感器技术也因此得到了快速发展随之出现了加速度传感器和位移传感器 等。基于激光三角法测量原理的激光三角位移传感器广泛应用于一维线性测量，以传 感器技术为基础，借助工控机和相关控制软件，完成液位测量系统的研究和硬件组建。 2 1 激光三角法测量原理 测量系统采用激光三角测量法进行液位检测，其主要是对激光三角位移传感器原 理的使用。关于激光三角测量法的种类分类，通常按照激光源的入射方向分类可将 激光三角测量法分为直射式和斜射式9 “。 1 直射式测量原理 根据三角法测量的直射式测量的等效光路，等效光路图如图2i 所示激光器发 出激光光束经由会聚透镜，避一步调整激光束的平行效果后垂直入射到被测液面表 面上，通过激光的敞射和漫反射类型，将激光光斑光经过接收物镜成像在c c d 器件上。 当被测量的液面表面高度的发生变化时，激光束的入射光斑沿入射光轴垂直方向变化 移动，激光束入射光斑处的散射光被接收透镜接收并成像在c c d 器件上。再根据激光 束光路形成的三角形比例关系，被测液面高度变化位移值h 与光斑在c c d 成像器件上 移动的位移值h 计算公式如公式( 2i ) 所示。 位移值；h = 瓦五百= a h 矿 s 五i n 百o , 百。丽 ( 21 ) 在公式( 2 1 ) 中，a 为激光器发出激光束光轴与熳反射光轴的交点到接收透镜的透 镜前主面的距离，b 为接收透镜的透镜后主面到c c d 器件成像面的距离，鼠为激光器发 出激光束光轴与经过接收透镜的光轴的夹角。只为c c d 器件与经过接收透镜光轴之间 的夹角。 图2 i 直射式测量原理光路图 2 斜射式测量原理 分析激光三角法斜射式测量原理的等效光路图，其等效光路图如图2 2 所示。在 激光器发出测量激光柬后，通过会聚透镜进一步加强光束平行性，激光束与被测液面 的法线方向形成一定角度大小入射到被测液面上，经过光学散射和反射原理，反射后 的激光束通过接收物镜将激光光斑成像在c c d 接收器件上，测量液面高度的变化直 接被转换为激光光斑在c c d 接收器上的移动距离。利用相似三角形比倒关系，测量液体 表面高度沿着法线方向的移动数值h 与c c d 接收器件上移动数值h 计算公式如公式 ( 2 2 ) 所示。 位移值：h 2 瓦寂百i a 西h f s i i n 6 i 3 c i o s i 0 2 了瓦_ 两 ( 2 2 ) 在公式( 2 2 ) 中a 为激光束的光束轴线与反射光光轴的相交点到接收透镜的透镜 前主面距离，b 为接收透镜的透镜后主面与c c d 的成像面中心点的距离，鼠为激光束的 光束轴线与被测面法线的夹角，岛为经过成像透镜的激光束光束轴线与被测面法线的 夹角- b 为激光器反射激光光束经过成像透镜的光束轴线与c c d 成像面的夹角。 敢竞暴 鞋矗 圈22 斜射式测量原理光路图 2 2 基于激光三角法测量系统的组建 在采用激光三角位移传感器的基础上，将液面高度位置变化转换为电压信号，再 结合使用数据采集系统和工控机进行信号采集和处理。将整个物理参量转换、信号 采集和计算机信号处理结台起来，就是液位非接触测量装置的基本结构组成。 2 2 i 系统构建的总体方案 整个液位测量装置系统的硬件结构，主要有系统安装测量平台，激光三角位移传 感器、数据采集卡和工控机。整个测量系统的硬件搭建示意图如图2 3 所示通过激 光三角位移传感器采集液面高度的变化信息将其转换为模拟电压信号信号通过电 缆输入敷据采集卡中进行相应的信号转换处理，并实现数据采集卡和计算机的接口连 接t 保证信号的正确传辅和处理。最终将处理好的淘试数据形成测试结果报告，再通 过与打印机的连接接口打印机打印测试装置的测试实验结果报告。在测量装置的组 成硬件中- 直接彤响整个测量装置精度重要核心部件是提取液面高度信息的激光三角 位移传感器。在系统硬件组成中下面着重的介绍传感器以及工控机的造型，数据采 集卡的型号选择在第四章介绍。 圈23 系统硬件措建示意图 2 2 2 激光三角位移传感器选择 根据测试装置精度要求和稳定性等要求，选择l k g , 3 0 0 0 激光三角位移传感器，图 24 所示为l k g 3 0 0 0 激光三角位移传感器，此型号的传感器的工作距离为3 0 0 t r 口能 够达到的测量精度为0 1 i 【l 。图2 5 所示为激光三角位移传感器的内部结构图激光三 角位移传感嚣主要由激光源、聚焦透镜、成像透镜、探测器( 主要是c c d ) 和信号处理 控制器等组成，具有测量速度快，精度高、抗干扰能力强、测量点小、操作简单和适 用范围广等优点。 图24l k _ g 3 0 0 0 激光三角位穆传感器 图25 激光位移传瘪器内部结构 22 3 工控机选择 本文的工控机选择主要是基于普通计算机的各种硬件特性限制的考虑比如普 通计算机硬件资源不够- 抗电磁干扰、抗冲击及震动能力不好而工控机就在这些方 面则具有很好的特性。工控机是一种在结构上加固和硬件上增强型的计算机，并可以 作为一个工业控制器保证测量装置在工业环境中连续不问断的可靠运行。通过分析 比较市场较多的工控机类型，本文选用研华公司生产的工控机型号i p c 一6 】o m b l 如 厦 一氮。习。垦 图2 6 所示。其高度为l g 寸，并具有 扳上共有9 个i s a 总线插槽和4 个p c 自带2 5 9 瓦电源和前置风扇。 4 个槽背板上架式工业计算机，另外在主板底 总线插槽用于各种p c i 外部设备连接，同时 圈26 研毕i p c 一6 1 0 b b - l 工控机 2 2 4 传感器安装及装置设计 激光三角位移传感器主要通过两个通孔和一面进行安装定位，并且要求测量装置 安装平台可以实现激光三角位移传感器的安装高度调整以及传感器的激光光斑在被测 量液面水平位置调整。为了更好的完成安装平台的设计r 采用c a t i a 对安装平台进行 三维建模。根据激光三角位移传感器的实际尺寸和安装高度，采用梯形螺纹丝杠实现 传感器的高度调整，并在安装平台的底座上添加导向楷，从而实现传感嚣与被测对象 的水平面内的相对位置的调整。下面主要介绍梯形螺纹丝杠选择和安装平台建模。 1 梯形螺纹丝杠参数选择和建模 激光三角位移传感器的重量在3 0 0 9 左右，同时连接传感器的安装块材料采用锅台 金，重约为l k g ，整个梯形螺纹丝杠的受力为i o n 。通过查询机械设计手册，选择梯形 螺纹丝杠的参数：梯形螺纹丝杠的公称直径d 为3 2 m m ，螺距为3 哪r 螺纹长度为7 5 0 m 。 同时螺母选用与之配套的具有内梯形螺纹的螺母。梯形螺纹丝杠和螺母配套使用a 图 2 7 所示为梯形螺纹丝杠和螺母的建模图。 图2 7 梯彤螺纹丝杠和螺母 在安装平台设计中梯形螺纹丝杠用于调整激光三角位移传感器的安装高度。梯 形螺纹丝枉和澈光三角位移传感器的安装圈如图2 8 所示此图中标号1 为激光三角 位移传感器。2 为安装平台底座3 为传感器安装块梯形螺纹丝杠在两侧开槽，用于 传感器安装块的导向，同时也可以使梯形螺纹丝杠和底座起到连接作用井用螺母和 螺纹连接梯形螺纹丝杠和安装平台底板，为r 实现激光三角位移传感器的安装商度的 调整时只需耍旋转梯形丝杠上的螺母。 ( o ) 等辅测桃腰 匿2 9 装置央具安装倒 h ) 等轴测削桃圈 3 安装平台建模 按照测试装置要求以及激光三角位移传感器的安装要求，将激光三角位移传感嚣、 梯形螺纹丝杠和安装夹具装配成一体，其安装平台的装配圈如图2 1 0 所示。安装平台 通过梯形螺纹丝扛的螺母的旋转调节激光三角位移传感器工作高度，依据导向槽内的 平键调整被测对象与激光三角位移传感器的水平相对位置，底板的导向槽可以调整水 平面x 方向的相对位置，v 形块底板下的导向槽用于调整水平面y 方向的相对位置。 图2l o 测试装置的安装平台 23 本章小结 在本章节中，主要介绍了激光三角方法的测量原理以及提出本文的主体实施方案， 并完成了激光三角位移传感器和工控机选型，同时也对测量装置安装试验台进行三维 建模。 第三章激光三角位移传感器技术研究 在采用激光三角法的测量原理实现液位检测过程中，激光三角位移传感器是核心 器件之一，其主要任务就是将液位变化的物理量转变为电压信号。激光三角位移传感 器的内部结构主要由激光光源、光学透镜和c c d 器件等组成。 3 1 激光光源 激光作为一种新型光源，与其它光源相比具有单色性好方向性强和光亮度高的 优点r 因而在国防、科研、工农业生产和医疗等方面得到广泛的应用。在诸多种类的 激光器中，氮氖气体激光器和半导体激光器在精密检测、光信息处理、全息摄影、准 直导向和大地测量等