基于线阵电荷耦合器件的数字差分式肌张力传感器*

张敏，孙雪，邱召运，马晨阳，白雪，王小东

(潍坊医学院电子与计算机技术教研室，山东 潍坊 261053)

1 引 言

肌张力传感器主要有应变式、压阻式和压电式等，这些传感器的敏感元件与力学弹性元件直接接触，虽具有较高的灵敏度，但其抗瞬变冲击的能力弱，常因过载而造成传感器的损坏。因此，常采用非接触式测量方法提高力学传感器的使用寿命[1-2]。非接触测量技术中，常用光和磁作为测量媒介，检测元件则用光敏器件和磁敏器件，为了克服环境中光和磁的影响，常用差动测量技术来提高线性度和灵敏度，并提高抗干扰能力[3]。近年来，电荷耦合器件(CCD) 作为光电转换元件设计传感器的研究颇多，其中线阵CCD具有动态范围大、空间分辨率高、可输出数字化信息等诸多优点[4]，常用来设计力学传感器，可实现非接触测量并提高传感器的稳定性和可靠性[5]。为了提高测量精度，文献[6]设计了双线阵CCD非接触测量系统，文献[7]提出了以时间为参考点的差动式线阵CCD位移传感器，均基于线阵CCD实现了位移和角度的非接触测量[8-9]。采用差分对称结构设计传感器，避免单个线阵CCD测量受非线性变量的影响。线阵CCD的像元具有离散均匀分布的特点，其输出具有数字量的特征，通过阈值滤波处理，可读取像元数量和像元位置，直接实现数字量的测量；若合理设计光路，采用双线阵CCD设计差动测量结构[10-11]，可实现数字差分式测量。据此，以悬臂梁为弹性敏感元件，以线阵CCD为检测元件设计了数字差分式肌张力传感器，为数字化的张力测量提供了一种新的技术方法。

2 传感器差动系统构成

2.1 系统构成框图

图1是传感器系统构成框图，传感器系统主要由半导体激光器、悬臂梁、线阵CCD、单片机和数码显示等部分构成，激光器和CCD敏感面均与水平方向呈45度安装。图1中，激光器LASER1和线阵CCD1构成一光路测量系统，激光器LASER2和线阵CCD2构成另一光路测量系统，其对称置于悬臂梁AB上下两侧，悬臂梁上下面设有激光反射面C，悬臂梁未施加张力时，激光器向反射面C发射激光，反射激光束将垂直照射到CCD的敏感面中心。当悬臂梁受到张力作用时，单片机MCU产生控制时序，驱动并读取CCD激光点位移偏移的像元格数，用LED数码管显示出张力的数值，系统采用DC 5 V供电。

图1 传感器系统构成框图Fig 1 Block diagram of sensor system

2.2 差动结构原理

图2是传感器差动结构原理图。图2中，悬臂梁A端固定，B端施加张力。给LASER1和LASER2分别加载20 mA工作电流，二者同时向悬臂梁的反射面C发射波长为650 nm的激光束，激光束与处于水平方向的悬臂梁呈45度夹角。当悬臂梁不受力时，激光束经C点(悬臂梁上下面各一个反射面)反射垂直照射在CCD1或CCD2的感光窗口的中心，设两CCD至C点的距离均为h。当悬臂梁在张力作用下弯曲形变产生角位移时，反射面C的法线方向偏转使两侧CCD接收到激光束产生位移变化，且移动方向相反，位移量具有差模信号的特征，因此，这种结构能够实现差分测量。

图2 传感器差动结构原理图Fig 2 Principle diagram of sensor differential structure

2.3 线阵CCD简介

电荷耦合器件用电荷量来表示光强度的大小，电荷量以移位传输的耦合方式输出光强图像信号，分为线阵CCD和面阵CCD，其基本功能可实现光强分布和图形尺寸的数字化非接触测量。实验方案中采用了TCD1209D线阵CCD，具有传输速度高、暗电流小和驱动时序简单的优点[12]。TCD1209D内部有2048个光电像元，像元尺寸为14 μm×14 μm，其中心间距为14 μm。若用激光照射像元，读取并计算激光光斑的中心位置，可以测量出光斑偏离参考点的位移量。线阵CCD读取像元的个数为离散数字量，这为不经ADC电路进行数模转换而直接实现数字化测量提供了依据。

3 测量原理

3.1 光路分析

图3为传感器光路示意图。图3中，设AB距离为L，n1为反射面C的法线。悬臂梁在张力F的作用下弯曲，使法线n1较原来方向偏转θ，光路变化见图中实线所示。根据光杠杆原理，反射光线相对于受力前偏转了2θ，光斑在两个CCD感光窗口上朝相反的方向移动，设在CCD窗口上的位移分别为d1、d2。另外悬臂梁形变时，反射面C在垂直方向上会产生位移y，当θ很小时，y可忽略不计。因此：

d1=htan(2θ)，d2=-htan(2θ)

二者求差分运算：d1-d2=2htan(2θ)

当θ很小时：

tan(2θ)≈2θ

故：

d1-d2=2htan(2θ)=4hθ

(1)

因偏角θ与F相关[2]：θ=KθF

(2)

式1改写为：

d1-d2=4hKθF

因h和Kθ均为常数，令K=4hKθ。

则：

d1-d2=KF

(3)

式3表示，在给定悬臂梁及h的情况下，位移量d1-d2与作用力F成正比关系。

3.2 数字差分实现

图3 传感器光路示意图Fig 3 Diagram of sensor optical path

式3中位移d1、d2由单片机MCU从线阵CCD中读出，其值与激光束照在线阵CCD的敏感面上所形成的光斑照射的像素元位置相对应，在CCD输出电路中应用电压比较器对输出信号进行二值化处理，过滤因环境光引起的像元信号干扰，激光光斑照射范围以脉冲的形式输出，取光斑在CCD光敏线元的中心像元作为位移计算位置，以减少光斑大小所造成的误差。读取CCD受力前后激光的照射位置间隔的像元数n1、n2，可测得的位移量d1、d2，考虑像元中心间距是14 μm，故

d1-d2=14(n1-n2)

根据式3得：

(4)

或令k=14/K，则：

F=k(n1-n2)=kn

(5)

式4、5中，因n1、n2为数字量，张力正比于像元偏移量的差分值n。因此，设计方法实现了数字差分式的测量。

3.3 实验数据与结果

构建如图3所示的测量模型，取h=5 cm，L=12 cm，采用单悬臂梁以增加砝码的方式来增加张力，每增加5 g测量并记录1次，共测得12组数据，见表1。

表1 像元偏移量与作用力关系实验数据

图4像元偏移量与作用力关系曲线

Fig4Relationcurveofpixeloffsetandforce

对测量数据进行分析和处理，得到图4所示像元偏移量与作用力关系的拟合曲线，其中n1为线阵CCD1测量得数据的拟合曲线，n2为线阵CCD2测量得数据的拟合曲线，n为差分数据的拟合曲线。并得到多项式拟合方程分别为

n1=4.78+3.8F+0.01658F2

(6)

n2=-7.35-4.46F+0.01665F2

(7)

n=12.63+8.2F+0.002F2

(8)

n=12.63+8.2F

(9)

对比式6、7、8中非线性系数，数字差分后输出特性明显优于单一CCD的输出特性，差分测量显著降低了传感器的非线性度，其灵敏度为8.2像元数/g，非线性项可忽略不计，表示传感器具有较高的线性度，可实现数字差分式的张力测量；式9中存在零点漂移量，可通过调节系统的对称性降低。

4 静态指标分析

4.1 分辨率和动态测量范围分析

分辨率是当输入量变化量超过某一数值时传感器输出产生相应的变化量与传感器满量程的比值。本研究中传感器采用线阵CCD，当输入量使光斑移动超过两个像元的间距时，传感器才会产生输出响应。在给定实验条件下，由式2和式3得:

故分辨率R为:

F1为像素元间距n为1时输出量，F为满量程n为1024时的输出量，故:

动态测量范围的大小与线阵CCD的像元数量和传感器的灵敏度相关，根据式9，在给定条件下传感器的灵敏度为k=8.2像元数/g，像元数变化范围为-1024～1024，因此:

(10)

故动态测量范围为-125～125 g。

4.2 迟滞参数测量与分析

根据图3的实验条件，在最大测量范围内分别用增加砝码和减小砝码的方法来测量作用力的改变引起的像素元数的变化，每增加10 g测量并记录1次，共测得11组数据，见表2。

表2 传感器迟滞参数实验数据

图5传感器迟滞参数实验曲线

Fig.5Curveofsensorhysteresisexperiment

根据表2数据绘制图5所示的传感器迟滞参数实验曲线，其中n1、n2分别为线阵CCD1和CCD2正向实验曲线，n3、n4分别为线阵CCD1和CCD2逆向实验曲线，N1为n1与n2差分所得曲线，N2为n3与n4差分所得曲线。据此得出CCD1的迟滞为:

H1=±(30/543)×100%=±5.53%

CCD2的迟滞为:

H2=±(15/403)×100%=±3.72%

差分后所得迟滞为:

H=±(15/946)×100%=±1.59%

由图5可见，n1与n3和n2与n4构成的迟滞环均为逆时针方向，故差分后的迟滞H较H1、H2明显变小。结果表明，差分式测量减小了迟滞，有利于提高传感器的精度。

5 结束语

利用悬臂梁作为敏感元件将被测量张力变化转换为角位移的变化，利用激光反射将角位移转换为线位移，并通过线阵CCD读取像元数字量，实现了光电感应式的非接触测量，有利于提高传感器的可靠性和使用寿命。采用差动式结构进行测量能够提高整个系统的线性度和灵敏度。应当指出悬臂梁发生形变时在垂直方向上产生位移偏差，致使激光束反射的偏转角比理论值偏大，为减小测量误差，应使激光束反射面靠近悬臂梁的固定端，但这样也必然会造成传感器灵敏度降低，实际应用时应根据量程、测量范围进行优化设计。