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1、通信工程 专业综合课程设计基于激光的振动检测系统学 院（系）：信息与通信工程学院 专 业： 通信工程专业 学 生 姓 名： 于奇 学 号： 2011136126 指 导 教 师： 丁纪峰 完 成 日 期： 2014-12-6 大连民族学院基于激光的振动检测系统摘 要在科学和社会信息化进程日益发展的今天，人们对微振动的探索需求越来越大。目前市场上以感应器与振源直接接触的接触式测量仪器为主流产品，然而这种设计在采集信号方式上本身就有影响振源的弊端，为此本文提出了一种不影响振源的以激光为媒介采集振动信号的非接触式检测系统。本设计是将激光发射装置置于测试点，激光照射在PSD传感器感应面上，振源的振动带
2、动激光射线产生位移变化，感应器采集光线的振动信号，通过放大、单片机处理数据等方式将振动频率用液晶显示器显示出来。本文介绍的系统稳定性高、精度高，对微振的测量有很好的效果。适用于多种场合，有广泛的前景。关键词：单片机；PSD位置感应器；液晶显示器；激光发射装置IIAbstractIn this scientific community and the growing process of information day, The demand for the exploration of micro vibration of people is growing. Sensors on the m
3、arket currently is in direct contact with the vibration source contact measurement instruments for the mainstream, However, the disadvantages of this kind of design in the mode of acquisition signal is itself affect the vibration source .This paper proposes a kind of non-contact detection system of
4、which does not affect the vibration source for laser medium collecting vibration signal .This design is to laser emission device under test points, Laser irradiation on the PSD sensor induction, the vibration of Vibration source drives the laser radiation change displacement, The vibration signals o
5、f the sensors collect light, through the amplification, A/D conversion, single-chip microcomputer data processing methods show the vibration frequency with LCD display.This article describes high system stability, high precision, the very good effect on the micro vibration measurement. This applies
6、to a variety of occasions, have broad prospects.Key words: single chip microcomputer; The PSD position sensor; Liquid crystal display; A/D converter; A laser device目 录摘 要IAbstractII1 绪论- 1 -1.1 课题背景与研究意义- 1 -1.2 本课题的发展现状及趋势- 1 -1.3 本课题的主要内容- 2 -2 系统方案设计- 3 -2.1 系统硬件方案- 3 -2.2 系统设计方案论述- 4 -2.2.1 传感器的
7、选择- 4 -2.2.2 PSD维数的选择- 4 -2.2.3 数据算法的选择- 5 -3 系统硬件设计- 6 -3.1 信号采集与放大电路- 6 -3.1.1 信号采集原理- 6 -3.1.2 运算放大电路- 7 -3.1.3 位置取值计算- 8 -3.2 单片机控制电路- 9 -3.2.1 STM32F103的简介- 9 -4 系统软件设计- 10 -4.1 主程序设计- 10 -结 论- 12 -参考文献- 13 -附录A 部分程序设计- 14 -附录B 原理图- 18 -附录C PCB板图- 19 -III 基于激光的振动检测系统1 绪论1.1 课题背景与研究意义 二十一世纪，人类的科
8、技已经进入了新的纪元，而在现在的物理界，人们除了要探索宇宙星体这些庞然大物，微世界里的秘密也时刻牵引着科学家的视线，比如人类的科技到底能观察到多么小的物质、那些微生物的体内又有多少人类所不知道的生命密码、人类的微控制到底能达到什么程度等等，这些都是人们想要解决的问题。 本系统的重点是致力于解决人们在微振动中遇到的一个最直接的问题，就是如何检测到微振动，当物体振动的幅度过小时，人类是很难凭借肉眼或者经验来判断这个物体是否在振动，就算能检测到振动，振动的频率与幅度又是一个难以解决的问题，而这些数据在有些时候，恰恰是科学家们必须倚仗的依据。 本系统是将激光发射器固定于一个底座，激光照射在传感器感应面
9、上，通过激光的振动来测量底座的振动频率。因为光是沿直线传播，只要间距够长，无论振动的幅度有多小，激光一定会跟随着振动来一起振动，这样就为检测振动提供了一个有效的媒介，剩下的工作，就是对采集到的光信号进行处理。本系统相比于其他的振动测量仪器，优势是通过激光的振动采集光信号。有的仪器通过导线等传输信号的媒介将信号传入系统进行处理，这中间的传递过程中，媒介可能对采集到的初始信号造成干扰，导致最终得到的测量结果误差很大，其次这个用于传递信号的媒介也需占用一定的空间，如贴地的导线，而且长期的使用难免会使媒介老化，进一步干扰信号。同样的这种仪器的感应器直接与振源接触，对振源造成干扰，增加误差。因为空气对于
10、激光射线的干扰基本可以忽略，所以本系统保证了对采集的信号的无损传输。1.2 本课题的发展现状及趋势振动测量仪器分为接触式与非接触式两种。接触式的测量仪器原理是利用振动的物体和测量仪器的接触，使仪器的电陶瓷感应器承受压力，并将压力转换为电信号，测量仪器对该电信号进行处理，进而获得振动体的振动频率、波形、速度等信息。该方法的测量技术现今已经比较成熟，能有效的应用于对大型物体振动的测量中。但是，由于测量时需要将感应器与振源直接接触，这样对于振源的振动会产生一定干扰，若对微小物体进行测量，则可能引起质变的影响，导致无法测出振动情况1。而非接触式测量仪器主要使用激光等媒介作为传输介质，即将激光照射在振源
11、上，通过对振源上的反射光或者经过振源的光进行采集，再使用一定的方法进行处理，得到振源的振动信息。由此可见，非接触式测量仪器要比接触式测量仪器的测量过程难度大些，但是该方式不会干扰振源的振动，且该方式稳定性高、精度高，对微振的测量有很好的效果。对于非接触式测量仪，目前测量方法主要有全息干涉法、散斑法、光三角法、多普勒法等2。现今市面上使用的主要是接触式测量仪，但随着激光技术的不断发展，拥有与生俱来优势的非接触式测量仪取代接触式测量仪将是必然的发展趋势。而在现今国内市场被国外产品所垄断的背景下，只有结合传统振动测量技术并不断创新出新的方法，才能打破外国专利垄断的壁垒3。1.3 本课题的主要内容本课
12、题研究的主要内容是：设计一个振动检测系统。将一束激光射入本系统的传感器上，通过激光发射器底座的振动来带动入射激光的振动，振动的激光使传感器产生很小的感应电压，经过PSD049-SPB放大、STM32单片机的处理后由TFT液晶显示器显示出该激光的振动频率，因为人们在微振动中遇到的一个最直接的问题，就是如何检测到微振动，当物体振动的幅度过小时，人类是很难凭借肉眼或者经验来判断这个物体是否在振动，就算能检测到振动，振动的频率与幅度又是一个难以解决的问题，而这些数据在有些时候，恰恰是科学家们必须倚仗的依据。(1)本设计分别划分为传感器感应模块、信号放大模块、单片机系统模块和显示模块。(2)系统可实现功
13、能。当入射激光器的底座发生振动时，激光器的光线也会发生偏移，使传感器产生光电流，经过本系统的放大、单片机系统等一系列处理，通过显示器显示出激光的振动频率，由频率值的大小判断振动的剧烈程度，从而达到预警效果。(3)本系统传感器采用PSD位置传感器，PSD传感器有一维、二维之分，为提高检测精准度，选用了二维PSD传感器。2 系统方案设计2.1 系统硬件方案本设计以单片机技术核心的激光振动检测系统。系统总体硬件设计框图如图2.1所示，系统总体构成包括二维PSD感应模块、信号放大模块、主控STM32单片机、显示模块等。 单片机Stm32 二维PSD 感应 PSD049-SPB显示器图2.1系统总体硬件
14、设计框图各部分的功能如下：(1)单片机是整个控制电路的核心，本设计采用stm32系列单片机，其特点是通用性强，堆栈丰富和编程容易。在具体的设计中采用stm32f103ZET6单片机。(2)PSD光电位置传感器与CCD等传统传感器相比具有位置分辨率高、反应电流简单、快速等优点。同时其位置信号与落在传感器上的光斑形状无关，只与光点的中心有关。一维PSD可以测定光点的一维位置坐标，二维PSD可测光点的平面位置坐标。(3)信号放大模块可以将传感器产生的模拟信号进行放大，便于后续模块对信号进行处理。(4)显示模块将单片机处理后的数据显示出来，便于直观。2.2 系统设计方案论述为了更好的实现系统各个检测模
15、块的功能和彼此之前的配合衔接，并且考虑到性价比，按照设计的总体要求和电路功能的实际需要，下面对主要的功能模块的选择应用进行对比与论证。 2.2.1 传感器的选择传感器的采样方式、采样速率、光敏区域直接影响系统的检测效果，所以传感器的选择是非常重要的。为此有以下方案。方案一： 选用CCD传感器。它使用由一种高感光度的半导体材料制成，它具有光电转换、信息存储和延时等功能，且集成度高、功耗小，在摄像、信号处理、和存储三大领域中得到了广泛的应用。但其光电灵敏度取决于光敏元面积大小，也就是说CCD传感器感应面积越大，灵敏度越高。在实际应用中不可能选用面积过大的感应器。方案二：选用CMOS传感器，主要用硅和锗做成的半导体，使其在CMOS上共存着带N和P级的半导体，这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片记录和解读成影像。它成本低，低能耗。CMOS传感器的每个像素由四个晶体管与一个二极管构成，使得每个像素的感光
