王选择, 侯 浩, 翟中生, 杨练根, 刘文超

(1.湖北工业大学 机械工程学院，湖北 武汉 430068；2.湖北省现代制造质量工程重点实验室，湖北 武汉 430068)

基于STM32的微位移检测系统设计*

王选择1,2, 侯 浩1, 翟中生1,2, 杨练根1,2, 刘文超1,2

(1.湖北工业大学 机械工程学院，湖北 武汉 430068；2.湖北省现代制造质量工程重点实验室，湖北 武汉 430068)

研制了一种基于STM32的微位移检测系统设计方案。通过抑制直流漂移的电路处理模块得到直流稳定的两路光电信号。根据两路光电信号的相位特点，采用STM32同步采样两路光电信号，并利用椭圆拟合、最小二乘法、相位解包裹法对采集的数据进行处理运算，计算出微位移。现场测试结果表明：该系统满足微位移测量要求。

干涉； 微位移； 直流漂移； STM32； 椭圆拟合； 最小二乘法； 相位解包裹法

0 引 言

激光干涉法测量精度高，速度快，适合于微振动的测量[1]。其信号处理方式一般为干涉条纹的计数细分辨向处理方法，但前提条件是保证干涉信号具有较小的直流漂移。然而，在实际处理过程中，由于背景光强的影响，直接应用的光电转换干涉信号容易发生直流漂移，对测量结果影响很大。因此，直流漂移的抑制对干涉的测量显得尤为重要。

四象限光电接收与差分处理[2]，是一种目前抑制直流漂移的常规方法。它主要是通过光电信号的两两相减来消除直流漂移的影响。这种方法能够很好地消除背景光强的影响，但无法消除由于激光本身光斑不均匀或光强分布发生改变的条件引起的直流漂移。

为此，本文提出了一种基于STM32的微位移检测系统设计方案。首先，设计出一种微振动干涉测量中抑制直流漂移的简洁的处理电路。它只需要通过二个光电象限完成干涉条纹的接收处理。主要思想是利用积分加一阶滤波形成反馈环，保证最终输出信号的直流偏置停留在设置的电压上，达到抑制直流漂移的目的。为了计算两路光电信号的幅值与相位，需要同步采样两路光电信号，且要求1s内连续采样4 000个数据，需要较大的SRAM，故采用高性能、低功耗微处理器芯片STM32F103VCT6来进行数据采样与运算。

1 激光干涉测微位移原理与系统设计

系统设计示意图如图1所示，利用显微探测思想，激光经过光隔，防止反射光的回馈效应，影响干涉质量。再经过分光镜，产生两路光线,一路光经过远心镜头1到达被测振动物体，然后反射回来到光电管;另一路光透过分光镜，经过远心镜头2到达参考镜，反射回来到达光电管。两路反射回来的光在光电管处产生运动的干涉条纹，光电管接收运动的干涉条纹后，形成有相位差的两路光电流。经过处理电路后，转换为两个电压信号，STM32同步采集这两路电压信号后，经过椭圆拟合与最小二乘法，计算出被测物体振动的微小位移。该方案利用远心镜头，使激光方向不受被测偏转角度变化而变化，产生较理想的干涉条纹。

图1 系统设计示意图Fig 1 Diagram of system design

2 处理电路模块

2.1 电路原理与分析

电路原理如图2所示，D1为一个光电象限；Vo为输出信号;X1为电路反馈中自适应调整的参数。首先干涉条纹

的运动通过光/电流转换，并采用三极管对光电流Ib进行放大。放大的光电流信号Ic分为直流I1与交流I2两部分，其中,直流量由VCC-X通过电阻器R1提供，交流量由Vo-X1通过R2提供。从电路中可以看出，当直流光强变化时，在电路自反馈调整下，保证流过R1的电流就是光/电转换放大后的直流成分，而Vo输出仅为其交流成分，抵消了由于直流光强变化导致直流偏置变化的影响。

图2 光电转换反馈抑制电路Fig 2 Photoelectric converting circuit with feedback restrain

2.2 电路理论输出信号和模型方块图与仿真

Vo(s)=

(1)

式中 Ib(s)为输入，Vo(s)为输出。

电路的系统方块图如图3所示。

图3 系统方块图Fig 3 Block diagram of system

输入信号Ib(s)由三部分组成：10BZ微振动的光电信号直流成分与交流成分、0.1BZ的外界波动光强的光电信号，Vo(s)为输出信号。

选取参数k=140，R1=500Ω，R2=1kΩ，R3=1MΩ，R4=100kΩ，C1=1μF,C2=1μF时,则k2=2,τ1=1,τ2=0.1。输出为

(2)

当模拟外界光强变化时，即输入Ib(s)变化时，系统模型仿真如图4所示，图中所示输入信号Ib(s)被放大了k1=140 000倍。

图4 输入Ib(s)变化时仿真结果Fig 4 Simulation result for Ib(s) decreasing

从图4(a)可以看出:0.5s时刻，外界光强阶跃变大，直接影响输入光电流Ib(s)的变大，间接导致输出Vo(s)变大，在电路自反馈调整下，输出Vo(s)的直流偏置被调整在设定的1.2V。由图3还可以看出:在0.1BZ的外界波动光强的影响下，1.5s时刻输入Ib(s)在减小，在电路自反馈调整下，调整输出Vo(s)的直流偏置。可以看出，在电路自反馈调整下，0.1BZ的外界波动光强对输出Vo(s)的影响很小。实际情况下，外界波动光强的频率更低，对输出Vo(s)的影响几乎不可见。

同理，从图4(b)可以看出:在外界光强阶跃变小和0.1BZ的外界波动光强的影响下，通过电路自反馈调整，输出Vo(s)的直流偏置被调整在设定的1.2V，抵消了由于直流光强的变化导致直流偏置变化的影响。

从仿真结果可知，反馈处理电路在理论上能够抑制输出 的直流漂移。

3 信号采集模块

本系统采用STM32F103F103VCT6单片机来进行数据采集与运算。该单片机片上集成了256kBFlash和48kBSRAM，足以存储设计的程序和同步采集得到的数据。另外，该单片机拥有3个12位逐次逼近型的A/D转换器[3]，共18个通道，包括16个外部和2个内部信号源的测量，可实现本系统中两路信号的同步采集。基于这些特点，可以使本系统设计的更为小巧，集成度高。

系统使用STM32的定时器产生4kBZ的PWM来连续触发ADC1与ADC2的同步规则采样，并使用DMA传输采样的数据，无需CPU直接控制传输，使CPU的效率大为提高，有更多的时间对数据进行运算处理。最后，通过一系列算法计算出被测物体的振动位移。

为了验证推导的理论式(2)与仿真的结果图4，实验条件下采集输出信号数据，通过人为改变背景光强，即一种阶跃背景光强的条件下，呈现了信号的变化过程，采样结果如图5所示。可以看出，背景光强变化时，输出信号也会跟着变化，但在电路的自反馈调整下，输出信号的直流偏置会很快调整在1.2V。实验结果表明，背景光强变化时，该电路都能够实时反馈抑制输出信号的直流漂移，克服了背景光强的影响，提高了测量系统的稳定性。实际情况下，背景光强缓慢变化，不会出现这样调整大幅的电压变化现象，满足测量的要求。

图5 光强阶跃变化时信号调整过程Fig 5 Signal adjustment process while light intensity step change

4 数据处理

处理电路输出电压信号可以写成

(3)

式中 x,y为两路电压信号；A,B分别为两路信号的幅值；s为被测振动物体的位移；λ为激光的波长；φ为两路信号之间的相位差；C1,C2分别为两路信号的直流偏置量。显然，这两路信号构成一个李萨如圆[4]，为了得到干涉条纹尽量小的相移误差，必须对李萨如圆进行椭圆拟合。椭圆坐标方程描述如下

y2+axy+bx2+cy+dx+e=0

(4)

应用STM32的两路A/D转换器同步采样，得到的4 000个点坐标(xi,yi)，基于最小二乘思想对椭圆拟合，求解椭圆拟合系数。进一步求解参数φ,C1,C2,A1,A2。然后，利用反正切函数atan2求取相位[5]，即

(5)

当被测振动物体振动幅度超过λ/Z时，会导致反正切计算出来的相位θ如图6(a)幅图所示情况，为了得到真实的相位分布，需要对这些包裹相位作进一步的处理，将被截断的相位连接起来，以得到真实的相位分布，这一处理过程称为“相位解包”。相位解包裹结果如图6(b)所示。

图6 相位解包裹前后Fig 6 Before and after phase-unwrapping

5 实验结果与分析

利用该系统对某个微振动装置振动幅度进行测量。在实验装置驱动幅度与频率不变的条件下，应用上面的方法进行位移数据的采集，并通过正弦拟合的方式获取实验振动位移的幅度。16.5h振动幅度测量数据10选1结果如图7所示。

图7 系统16.5 h内测量位移Fig 7 Displacement of system measured in 16.5 h

由长时间测量数据可以看出，被测物体振动幅度在1 460～1 468 nm之间变化，系统测量稳定性高。振动幅度大约为2.25个激光器的波长，检测精度达到nm级测量水平。

6 结 论

本文提出了一种微位移测量系统设计方案。采用二象

限光电管接收运动的干涉条纹，消除了由于激光本身光斑不均匀或光强分布发生改变的条件引起的直流漂移。为了抑制外界光强变化时引起的直流漂移，设计出了一种简洁的电路处理方法。采用STM32内置的2路A/D转换器同步采样两路电压信号，避免了外接高速ADC采样电路。该系统结构简单，体积小，低功耗，可采用电池供电，容易设计成便携式测量仪器。信号处理采用椭圆拟合，提高了系统测量精度。该系统适用于大部分微振动测量领域。

[1] 傅继武,谈振兴,徐旭明,等.一种利用激光干涉条纹位相进行微位移测量方法[J].南昌大学学报:理科版,2003,27(3):299-301.

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[5] Monroy-Ramirez F,Garcia-Sucerquia J.Monitoring micro-mechanical changes in electronic circuit boards with digital holographic interfe rometry[J].Optik,2014,125(9):2113-2116.

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Design of micro displacement detecting system based on STM32*

WANG Xuan-ze1,2, HOU Hao1, ZHAI Zhong-sheng1,2, YANG Lian-gen1,2, LIU Wen-chao1,2

(1.College of Mechanical Engineering,Hubei University of Technology,Wuhan 430068,China;2.Key Laboratory of Modern Manufacture Quality Engineering,Hubei University of Technology，Wuhan 430068,China)

A micro displacement detection system based on STM32 is researched and fabricated.The system uses circuit processing module for restraining DC drift to generate two paths photoelectric signals without DC drift.According to phase characteristics of two paths photoelectric signals,using STM32 synchronous sampling two paths photoelectric signals,using Ellipse fitting algorithm,the leastsquare fitting and phase-unwrapping algorithm to process the acquired datas and workout micro displacement.Field test results indicate that the system satisfies requirements of micro displacement measurement.

interference; micro displacement; DC drift; STM32; Ellipse fitting; least-square fitting; phase-unwrapping

10.13873/J.1000—9787(2016)07—0083—04

2015—10—19

国家自然科学基金资助项目(51175154,51275157)；湖北省杰出青年人才基金资助项目(2010CDA088)；湖北省教育厅中青年基金资助项目(Q20101405，Q20101407)；湖北省科技厅基金资助项目(2010CDB03104)

TP 216

A

1000—9787(2016)07—0083—04

王选择(1971-)，男，湖北天门人，教授,博士生导师，主要从事精密测量、光电检测方面的研究。