基于光学鼠标芯片的两维应变测量方法的研究

摘要

目前我国桥梁高架、深海工程领域飞速发展，但由于各种坍塌事故的频繁发生，工程结构的在线监测显得越来越重要。本课题将在现有的研究基础上，以结构简单和安装方便并达到可观的精度为原则，设计非接触式两维应变测量系统。以解决常用传感器的设计结构复查，安装困难，成本较高及易受环境影响难以实现准确测量等问题。
　　本课题主要研究基于光学鼠标传感器的二维应变测量系统，根据光学鼠标传感器的工作原理，通过对三个光学鼠标传感器结构设计来实现平面上二维应变的非接触式测量。通过对传感器的建模分析，确定了传感器的结构设计，并针对设计传感器的误差来源，研究了传感器误差修正方法。实验表明，设计的传感器能够实现毫米级形变范围内的应变测量要求。
　　本系统的在线监测数据采集电路主要分为两个部分:二维应变传感器的数据采集系统和无线模块的通讯系统。数据采集系统采用了ALTERA公司的cycloneⅡ系列的EP2C5Q208C8N作为主控芯片，实现对二维应变传感器中的三个光学鼠标传感器的同步并行数据采集，并通过串口通讯方式把数据传输到无线模块。无线模块的通讯系统采用了基于CC2530收发芯片和Zigbee协议的无线网络，该无线网络构建的是星型连接网络，由一个协调器节点和若干个终端节点构成。终端节点采集来自于传感器的监测数据并无线发送，协调器节点接收来自于终端节点发送的数据并通过USB端口送给上位机显示，最终实现实时监测。

目录

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致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 选题背景及意义

1．2 应变式传感器发展现状

1．2．1 电阻应变式传感器

1．2．2 振弦式应变传感器

1．2．3 光纤光栅应变传感器

1．2．4 双悬臂梁应变传感器

1．3 本课题主要研究的内容

1．4 本章小结

第二章 传感器原理及结构设计

2．1 结构的应力应变及其测量

2．2 光学鼠标传感器的工作原理

2．2．1 光学感应器

2．2．2 光学透镜组件

2．2．3 发光二极管

2．3 光学鼠标传感器的主要参数

2．3．1 分辨率

2．3．2 刷新频率

2．3．3 像素处理能力

2．4 二维应变传感器的设计

2．4．1 光学鼠标芯片的选择

2．4．2 二维应变测量原理

2．4．3 传感器的结构

2．5 本章小结

第三章 二维应变的计算及误差分析

3．1 二维应变的计算修正

3．2 传感器的标定

3．3 误差分析

3．3．1 安装误差

3．3．2 传感器本身误差

3．4 本章小结

第四章 数据采集系统的设计

4．1 数据采集系统的硬件设计

4．1．1 FPGA芯片的介绍

4．1．2 电源电路

4．1．3 复位电路

4．1．4 时钟电路

4．1．5 接口配置电路

4．1．6 存储器

4．2 数据采集系统的软件设计

4．2．1 PS／2协议

4．2．2 数据读取

4．3 本章小结

第五章 无线模块的通讯系统

5．1 CC2530无线收发芯片

5．2 无线收发模块硬件设计

5．2．1 无线收发芯片外围电路设计

5．2．2 USB数据通讯端口电路设计

5．3 无线收发模块数据采集与收发程序设计

5．3．1 Zigbee协议标准及无线网络

5．3．2 收发模块无线组网及数据传输程序设计

5．4 无线网络组网及数据传输实验

5．4．1 无线网络组网实验

5．4．2 无线网络数据传输实验

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 论文总结

6．2 展望

参考文献

附录1：单个光学鼠标传感器数据采集程序

附录2：终端节点数据采集与发送程序

攻读硕士学位期间学术活动及研究成果