基于線陣電荷耦合器件的數字差分式肌張力傳感器*

張敏，孫雪，邱召運，馬晨陽，白雪，王小東

(濰坊醫學院電子與計算機技術教研室，山東 濰坊 261053)

1 引 言

肌張力傳感器主要有應變式、壓阻式和壓電式等，這些傳感器的敏感元件與力學彈性元件直接接觸，雖具有較高的靈敏度，但其抗瞬變沖擊的能力弱，常因過載而造成傳感器的損壞。因此，常采用非接觸式測量方法提高力學傳感器的使用壽命[1-2]。非接觸測量技術中，常用光和磁作為測量媒介，檢測元件則用光敏器件和磁敏器件，為了克服環境中光和磁的影響，常用差動測量技術來提高線性度和靈敏度，并提高抗干擾能力[3]。近年來，電荷耦合器件(CCD) 作為光電轉換元件設計傳感器的研究頗多，其中線陣CCD具有動態范圍大、空間分辨率高、可輸出數字化信息等諸多優點[4]，常用來設計力學傳感器，可實現非接觸測量并提高傳感器的穩定性和可靠性[5]。為了提高測量精度，文獻[6]設計了雙線陣CCD非接觸測量系統，文獻[7]提出了以時間為參考點的差動式線陣CCD位移傳感器，均基于線陣CCD實現了位移和角度的非接觸測量[8-9]。采用差分對稱結構設計傳感器，避免單個線陣CCD測量受非線性變量的影響。線陣CCD的像元具有離散均勻分布的特點，其輸出具有數字量的特征，通過閾值濾波處理，可讀取像元數量和像元位置，直接實現數字量的測量；若合理設計光路，采用雙線陣CCD設計差動測量結構[10-11]，可實現數字差分式測量。據此，以懸臂梁為彈性敏感元件，以線陣CCD為檢測元件設計了數字差分式肌張力傳感器，為數字化的張力測量提供了一種新的技術方法。

2 傳感器差動系統構成

2.1 系統構成框圖

圖1是傳感器系統構成框圖，傳感器系統主要由半導體激光器、懸臂梁、線陣CCD、單片機和數碼顯示等部分構成，激光器和CCD敏感面均與水平方向呈45度安裝。圖1中，激光器LASER1和線陣CCD1構成一光路測量系統，激光器LASER2和線陣CCD2構成另一光路測量系統，其對稱置于懸臂梁AB上下兩側，懸臂梁上下面設有激光反射面C，懸臂梁未施加張力時，激光器向反射面C發射激光，反射激光束將垂直照射到CCD的敏感面中心。當懸臂梁受到張力作用時，單片機MCU產生控制時序，驅動并讀取CCD激光點位移偏移的像元格數，用LED數碼管顯示出張力的數值，系統采用DC 5 V供電。

圖1 傳感器系統構成框圖Fig 1 Block diagram of sensor system

2.2 差動結構原理

圖2是傳感器差動結構原理圖。圖2中，懸臂梁A端固定，B端施加張力。給LASER1和LASER2分別加載20 mA工作電流，二者同時向懸臂梁的反射面C發射波長為650 nm的激光束，激光束與處于水平方向的懸臂梁呈45度夾角。當懸臂梁不受力時，激光束經C點(懸臂梁上下面各一個反射面)反射垂直照射在CCD1或CCD2的感光窗口的中心，設兩CCD至C點的距離均為h。當懸臂梁在張力作用下彎曲形變產生角位移時，反射面C的法線方向偏轉使兩側CCD接收到激光束產生位移變化，且移動方向相反，位移量具有差模信號的特征，因此，這種結構能夠實現差分測量。

圖2 傳感器差動結構原理圖Fig 2 Principle diagram of sensor differential structure

2.3 線陣CCD簡介

電荷耦合器件用電荷量來表示光強度的大小，電荷量以移位傳輸的耦合方式輸出光強圖像信號，分為線陣CCD和面陣CCD，其基本功能可實現光強分布和圖形尺寸的數字化非接觸測量。實驗方案中采用了TCD1209D線陣CCD，具有傳輸速度高、暗電流小和驅動時序簡單的優點[12]。TCD1209D內部有2048個光電像元，像元尺寸為14 μm×14 μm，其中心間距為14 μm。若用激光照射像元，讀取并計算激光光斑的中心位置，可以測量出光斑偏離參考點的位移量。線陣CCD讀取像元的個數為離散數字量，這為不經ADC電路進行數模轉換而直接實現數字化測量提供了依據。

3 測量原理

3.1 光路分析

圖3為傳感器光路示意圖。圖3中，設AB距離為L，n1為反射面C的法線。懸臂梁在張力F的作用下彎曲，使法線n1較原來方向偏轉θ，光路變化見圖中實線所示。根據光杠桿原理，反射光線相對于受力前偏轉了2θ，光斑在兩個CCD感光窗口上朝相反的方向移動，設在CCD窗口上的位移分別為d1、d2。另外懸臂梁形變時，反射面C在垂直方向上會產生位移y，當θ很小時，y可忽略不計。因此：

d1=htan(2θ)，d2=-htan(2θ)

二者求差分運算：d1-d2=2htan(2θ)

當θ很小時：

tan(2θ)≈2θ

故：

d1-d2=2htan(2θ)=4hθ

(1)

因偏角θ與F相關[2]：θ=KθF

(2)

式1改寫為：

d1-d2=4hKθF

因h和Kθ均為常數，令K=4hKθ。

則：

d1-d2=KF

(3)

式3表示，在給定懸臂梁及h的情況下，位移量d1-d2與作用力F成正比關系。

3.2 數字差分實現

圖3 傳感器光路示意圖Fig 3 Diagram of sensor optical path

式3中位移d1、d2由單片機MCU從線陣CCD中讀出，其值與激光束照在線陣CCD的敏感面上所形成的光斑照射的像素元位置相對應，在CCD輸出電路中應用電壓比較器對輸出信號進行二值化處理，過濾因環境光引起的像元信號干擾，激光光斑照射范圍以脈沖的形式輸出，取光斑在CCD光敏線元的中心像元作為位移計算位置，以減少光斑大小所造成的誤差。讀取CCD受力前后激光的照射位置間隔的像元數n1、n2，可測得的位移量d1、d2，考慮像元中心間距是14 μm，故

d1-d2=14(n1-n2)

根據式3得：

(4)

或令k=14/K，則：

F=k(n1-n2)=kn

(5)

式4、5中，因n1、n2為數字量，張力正比于像元偏移量的差分值n。因此，設計方法實現了數字差分式的測量。

3.3 實驗數據與結果

構建如圖3所示的測量模型，取h=5 cm，L=12 cm，采用單懸臂梁以增加砝碼的方式來增加張力，每增加5 g測量并記錄1次，共測得12組數據，見表1。

表1 像元偏移量與作用力關系實驗數據

圖4像元偏移量與作用力關系曲線

Fig4Relationcurveofpixeloffsetandforce

對測量數據進行分析和處理，得到圖4所示像元偏移量與作用力關系的擬合曲線，其中n1為線陣CCD1測量得數據的擬合曲線，n2為線陣CCD2測量得數據的擬合曲線，n為差分數據的擬合曲線。并得到多項式擬合方程分別為

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)

對比式6、7、8中非線性系數，數字差分后輸出特性明顯優于單一CCD的輸出特性，差分測量顯著降低了傳感器的非線性度，其靈敏度為8.2像元數/g，非線性項可忽略不計，表示傳感器具有較高的線性度，可實現數字差分式的張力測量；式9中存在零點漂移量，可通過調節系統的對稱性降低。

4 靜態指標分析

4.1 分辨率和動態測量范圍分析

分辨率是當輸入量變化量超過某一數值時傳感器輸出產生相應的變化量與傳感器滿量程的比值。本研究中傳感器采用線陣CCD，當輸入量使光斑移動超過兩個像元的間距時，傳感器才會產生輸出響應。在給定實驗條件下，由式2和式3得:

故分辨率R為:

F1為像素元間距n為1時輸出量，F為滿量程n為1024時的輸出量，故:

動態測量范圍的大小與線陣CCD的像元數量和傳感器的靈敏度相關，根據式9，在給定條件下傳感器的靈敏度為k=8.2像元數/g，像元數變化范圍為-1024～1024，因此:

(10)

故動態測量范圍為-125～125 g。

4.2 遲滯參數測量與分析

根據圖3的實驗條件，在最大測量范圍內分別用增加砝碼和減小砝碼的方法來測量作用力的改變引起的像素元數的變化，每增加10 g測量并記錄1次，共測得11組數據，見表2。

表2 傳感器遲滯參數實驗數據

圖5傳感器遲滯參數實驗曲線

Fig.5Curveofsensorhysteresisexperiment

根據表2數據繪制圖5所示的傳感器遲滯參數實驗曲線，其中n1、n2分別為線陣CCD1和CCD2正向實驗曲線，n3、n4分別為線陣CCD1和CCD2逆向實驗曲線，N1為n1與n2差分所得曲線，N2為n3與n4差分所得曲線。據此得出CCD1的遲滯為:

H1=±(30/543)×100%=±5.53%

CCD2的遲滯為:

H2=±(15/403)×100%=±3.72%

差分后所得遲滯為:

H=±(15/946)×100%=±1.59%

由圖5可見，n1與n3和n2與n4構成的遲滯環均為逆時針方向，故差分后的遲滯H較H1、H2明顯變小。結果表明，差分式測量減小了遲滯，有利于提高傳感器的精度。

5 結束語

利用懸臂梁作為敏感元件將被測量張力變化轉換為角位移的變化，利用激光反射將角位移轉換為線位移，并通過線陣CCD讀取像元數字量，實現了光電感應式的非接觸測量，有利于提高傳感器的可靠性和使用壽命。采用差動式結構進行測量能夠提高整個系統的線性度和靈敏度。應當指出懸臂梁發生形變時在垂直方向上產生位移偏差，致使激光束反射的偏轉角比理論值偏大，為減小測量誤差，應使激光束反射面靠近懸臂梁的固定端，但這樣也必然會造成傳感器靈敏度降低，實際應用時應根據量程、測量范圍進行優化設計。