CN115717930A - 一种机械振动振幅的测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机械振动振幅的测量方法及装置，涉及机械振动测量技术领域，方法包括将测量对象置于光源和成像物镜之间；将透过成像物镜的光同时进行反射和透射；采集透射光并处理获得测量对象的实时图像，采集反射光并处理获得测量对象的振动曲线图；从获得的振动曲线图中提取至少包括测量对象的振幅、频率的参数。装置包括光源、成像物镜、线性CCD、半反半透镜、面阵图像传感器以及外部通信连接的虚拟示波器、数据处理器和显示器。本发明设置了面阵图像传感器和线性CCD组合结构，可方便同时对准和聚焦所需测量对象，提高了分辨率，且实现了高效率产品检测。

Description

一种机械振动振幅的测量方法及装置

技术领域

本发明涉及机械振动测量技术领域，尤其是涉及一种机械振动振幅的测量方法及装置。

背景技术

机械振动是指物体或质点在其平衡位置附近所作有规律的往复运动。振动的强弱用振动量来衡量，振动量可以是振动体的位移、速度或加速度。振动量如果超过允许范围，机械设备将产生较大的动载荷和噪声，从而影响其工作性能和使用寿命，严重时会导致零部件的早期失效。现有的机械振动振幅的测量大都采用超声辅助，或者使用激光束投影到高分辨率线性CCD，或高速摄像机方法，两种方法均较昂贵，且目前振动测量装置大都还存在精准度不高的问题，不利于振动测量装置或方法的推广。

中国专利CN102928065A公开了一种非接触式机械振动频率测量方法，它包括频率脉冲转换器VF、红外线发射管K、红外线接收管F和频率测量电路C。本发明用于发电行业机械振动频率的非接触式在线测量，能够在非接触情况下完成对机械振动频率的测量和记录。但是该专利采用红外线进行接收和发射相应的信号，无法同时有效的对准和聚焦所需测量对象，测量精准度不高。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种机械振动振幅的测量方法及装置。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种机械振动振幅的测量方法，包括以下步骤：

步骤S1：将测量对象置于光源和成像物镜之间；

步骤S2：将透过成像物镜的光同时进行反射和透射；

步骤S3：采集透射光并处理获得测量对象的实时图像，采集反射光并处理获得测量对象的振动曲线图；

步骤S4：从获得的振动曲线图中提取至少包括测量对象的振幅、频率的参数。

基于上述技术方案，更进一步地，所述步骤S1中光源的光照区域至少覆盖测量对象的振动边缘区域，所述振动边缘区域为所述测量对象的部分边缘区域及所述测量对象的部分边缘区域振动所至区域。

基于上述技术方案，更进一步地，所述成像物镜的成像范围至少包括振动边缘区域。

基于上述技术方案，更进一步地，所述步骤S2中，采用半反半透镜将透过成像物镜的光同时进行反射和透射。

基于上述技术方案，更进一步地，所述半反半透镜与光轴相交，相交的夹角为45°。

基于上述技术方案，更进一步地，所述步骤S3中采集透射光并处理获得测量对象的实时图像的方法包括：采用面阵图像传感器采集透射光，并将采集的透射光在显示装置上实时显示为视频图像。

基于上述技术方案，更进一步地，所述步骤S3中采集反射光并处理获得测量对象的振动曲线图的方法包括：采用线性CCD采集反射光，由虚拟示波器处理线性CCD采集的反射光，并得到对应的光强信号数据；从中提取测量对象振动边缘区域对应的光强信号数据，从而获取测量对象振动边缘区域不同时刻的位置信息参数；根据测量对象振动边缘区域不同时刻的位置信息参数建立测量对象振动边缘区域的振动曲线，即测量对象的振动曲线。

基于上述技术方案，更进一步地，所述线性CCD采集反射光的扫描频率不小于测量对象振动频率的4倍。

基于上述技术方案，更进一步地，步骤S4中，根据由振动曲线图中提取的参数与真实参数的误差，对提取的至少包括测量对象振幅、频率的参数进行误差修正。

一种机械振动振幅的测量装置，包括光源、成像物镜、线性CCD、半反半透镜和面阵图像传感器；

从光源出射的光束沿光轴方向依次入射至透镜、成像物镜和半反半透镜；

部分光束透过半反半透镜，由面阵图像传感器采集入射的光束信号；

部分光束经过半反半透镜反射，由线性CCD采集入射的光束信号；

还包括外部通信连接的虚拟示波器、数据处理器和显示器，显示器和虚拟示波器分别与线性CCD通信连接，数据处理器与虚拟示波器通信连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果具体体现在：

本发明设置了面阵图像传感器和线性CCD组合结构，可方便同时对准和聚焦所需测量对象；且采用细化算法对低分辨率CCD所采集的数据进行处理，将分辨率提高了4倍以上；同时还可灵活地集成到生产线上的测试治具中，实现高效率产品检测。

附图说明

图1为本发明其中一种测量方法的流程图；

图2为本发明其中一种测量方法的操作轨迹图；

图3为本发明测量的振幅曲线图；

图4为本发明测量装置的结构图；

附图标记：1.光源；2.透镜；3.测量对象；4.成像物镜；5.半反半透镜；6.面阵图像传感器；7.线性CCD。

具体实施方式

为使本发明的目的和技术方案更加清楚，下面将结合实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。

需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“水平”、“左”、“右”、“前”、“后”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例1

如图1所示，实施一种机械振动振幅的测量方法，包括以下步骤：

步骤S1：将测量对象3置于光源1和成像物镜4之间；具体的，光源1的光照区域至少覆盖测量对象3的振动边缘区域，所述振动边缘区域为所述测量对象3的部分边缘区域及所述测量对象3的部分边缘区域振动所至区域。所述成像物镜4的成像范围至少包括振动边缘区域。

步骤S2：将透过成像物镜4的光同时进行反射和透射；具体的，可以采用半反半透镜5将透过成像物镜4的光同时进行反射和透射。且所述半反半透镜5与光轴相交，相交的夹角为45°。

步骤S3：采集透射光并处理获得测量对象3的实时图像，采集反射光并处理获得测量对象3的振动曲线图；具体的，采集透射光并处理获得测量对象3的实时图像的方法包括：采用面阵图像传感器6采集透射光，并将采集的透射光在显示装置上实时显示为视频图像。采集反射光并处理获得测量对象3的振动曲线图的方法包括：采用线性CCD7采集反射光，由虚拟示波器处理线性CCD7采集的反射光，并得到对应的光强信号数据；从中提取测量对象3振动边缘区域对应的光强信号数据，从而获取测量对象3振动边缘区域不同时刻的位置信息参数；根据测量对象3振动边缘区域不同时刻的位置信息参数建立测量对象3振动边缘区域的振动曲线，即测量对象3的振动曲线。且线性CCD7采集反射光的扫描频率不小于测量对象3振动频率的4倍。

步骤S4：从获得的振动曲线图中提取至少包括测量对象3的振幅、频率的参数。具体的，根据由振动曲线图中提取的参数与真实参数的误差，对提取的至少包括测量对象3振幅、频率的参数进行误差修正。

如图2所示，还可以实施另一种机械振动振幅的测量方法，具体包括以下步骤：

步骤1：沿与待测对象振动平行的方向，以相同的时间间隔依次采集一定区域内不同位置的光信号；并获取在一个采集周期内不同采集点在相应采集时间上的光强信号，即P1(S1,T1,Q1)、P1(S2,T2,Q2)…P1(Sn,Tn,Qn)；其中，P1表示线性CCD7第1个采集周期，Sn表示采集的第n个点，Tn表示采集的第n个点的时间，Qn表示采集的第n个点的光强；

步骤2：以相同的采集点按照步骤1进行重复m次操作，获取一定时间段内各采集点在相应采集时间上的光信号，即P1(S1,T1,Q1)、P1(S2,T2,Q2)…P1(Sn,Tn,Qn)、P2(S1,T1,Q1)、P2(S2,T2,Q2)…P2(Sn,Tn,Qn)…Pm(S1,T1,Q1)、Pm(S2,T2,Q2)…Pm(Sn,Tn,Qn)；

步骤3：利用线性CCD7将获取的光信号转换为电信号，得到P1(S1,T1,D1)、P1(S2,T2,D2)…P1(Sn,Tn,Dn)、P2(S1,T1,D1)、P2(S2,T2,D2)…P2(Sn,Tn,Dn)…Pm(S1,T1,D1)、Pm(S2,T2,D2)…Pm(Sn,Tn,Dn)；

步骤4：比较每个采集周期内相邻采集点的电信号的强度变化，选出电信号强度突变点；获取一段时间内每个采集周期突变点的数据，即P1(Sx1,Tx1,Dx1)，P2(Sx2,Tx2,Dx2)…Pm(Sxm,Txm,Dxm)；并进一步获取一段时间内每个采集周期待测对象边缘所处的采集点位置及采集时间参数，即P1(Sx1,Tx1)，P2(Sx2,Tx2)…Pm(Sxm,Txm)；

步骤5：按照预设的采集点与空间坐标值的对应关系，将获取到的P1(Sx1,Tx1)，P2(Sx2,Tx2)…Pm(Sxm,Txm)进行转化，进一步获取一段时间内每个采集周期待测对象边缘所处的位置坐标值及对应的时间参数；

步骤6：通过虚拟示波器将获取的上述参数拟合得到相应的振动曲线；

步骤7：从振动曲线中提取得到振动参数：振幅、频率。

具体的，待测对象以一定频率上下振动时，线性CCD7以平行于待测对象振动方向自上而下依次采集各点的光信号。其中，线性CCD7采集频率不小于待测对象振动频率的4倍，本实施例线性CCD7采集频率为5kHz。待测对象在一个振动周期内，线性CCD7则依次采集5次，从而得到5组采集信号，其中的振动周期设为0.001s。

而对于线性CCD7每次采集的数据，自上而下共采集n个点，例如n取128，比如对于线性CCD7采集的第1组数据，第1点的光信号可计为：P1(S1,T1,Q1)，第2点的光信号可计为：P1(S2,T2,Q2)，第n点的光信号可计为：P1(Sn,Tn,Qn)。其中，P1表示线性CCD7第1个采集周期，Sn表示采集的第n个点，Tn表示采集的第n个点的时间，Qn表示采集的第n个点的光强。从而我们得到线性CCD7在第1个采集周期内，得到的全部数据：P1(S1,T1,Q1)、P1(S2,T2,Q2)…P1(Sn,Tn,Qn)。对于不同采集点的光强Q，在未到达待测对象上时，由于光源1的光未被待测对象阻挡，采集的光强比较大，当到达待测对象，由于自光源1照射来的光被待测对象阻挡，光强则较小。因此，对于待测对象边缘的若干采集点，光强会发生突变。比如P1(Sx1,Tx1,Qx1)为光强突变点，从而确定此点对应的位置Sx1为待测对象的边缘在Tx1的时间所到达的地方。因此，在每一个CCD采集周期内，可以通过光强的突变来确定待测对象边缘所到达的位置和时间。

线性CCD7完成第1个采集周期，从而进入第2个采集周期，铜第1个采集周期一样，完成第2个采集周期，则得到的第2个采集周期的数据：P2(S1,T1,Q1)、P2(S2,T2,Q2)…P2(Sn,Tn,Qn)。此时得到的全部采集数据为P1(S1,T1,Q1)、P1(S2,T2,Q2)…P1(Sn,Tn,Qn)、P2(S1,T1,Q1)、P2(S2,T2,Q2)…P2(Sn,Tn,Qn)。

同理，当完成m次采集周期，则得到的全部采集数据为P1(S1,T1,Q1)、P1(S2,T2,Q2)…P1(Sn,Tn,Qn)、P2(S1,T1,Q1)、P2(S2,T2,Q2)…P2(Sn,Tn,Qn)…Pm(S1,T1,Q1)、Pm(S2,T2,Q2)…Pm(Sn,Tn,Qn)。

为了便于处理上述数据，线性CCD7将以上光信号转换为电信号，即将上述数据中的Q转为D，从而得到电信号P1(S1,T1,D1)、P1(S2,T2,D2)…P1(Sn,Tn,Dn)、P2(S1,T1,D1)、P2(S2,T2,D2)…P2(Sn,Tn,Dn)…Pm(S1,T1,D1)、Pm(S2,T2,D2)…Pm(Sn,Tn,Dn)。通过虚拟示波器可以将这些数据转换为波形图。

光强的突变点和电信号的突变点是一一对应的，我们可以从上述一段时间内的电信号中获取每个CCD采集周期内的突变点，即P1(Sx1,Tx1,Dx1)，P2(Sx2,Tx2,Dx2)…Pm(Sxm,Txm,Dxm)。通过虚拟示波器可以将这些数据转换为波形图。

进一步提取一段时间内，每个采集周期待测对象边缘所处的采集点位置及采集时间参数，即P1(Sx1,Tx1)，P2(Sx2,Tx2,)…Pm(Sxm,Txm,)。也即是，这些点代表了待测对象上的边缘点，在不同时间(Tx1、Tx2…Txm)所处的振动位置(Sx1，Sx2，…Sxm)。从而可以以此建立待测对象的振动曲线，如下图3。根据获得的振动曲线，可以从中提取振动参数：振幅和频率等。

由于测得的位置数据(Sx1，Sx2，…Sxm)可能与会真实的振动幅度存在一定的误差，因此可以先通过对已知振幅和频率的待测对象进行测量，从而得到测量位置数据(Sx1，Sx2，…Sxm)与真实的振动幅度的关系，进而将测量位置数据(Sx1，Sx2，…Sxm)转换为真实数据。

实施例2

如图4所示的一种机械振动振幅的测量装置，可以应用与实施例1中的测量方法，测量装置包括光源1、透镜2、待测对象、成像物镜4、线性CCD7、半反半透镜5、面阵图像传感器6、外部通信连接的虚拟示波器、数据处理器、显示器和工作台；从光源1出射的光束沿光轴方向依次入射至透镜2、成像物镜4和半反半透镜5；部分光束透过半反半透镜5，由面阵图像传感器6采集入射的光束信号；部分光束经过半反半透镜5反射，由线性CCD7采集入射的光束信号；显示器和虚拟示波器分别与线性CCD7通信连接，数据处理器与虚拟示波器通信连接。其中，半反半透镜5倾斜设置，具体为，半反半透镜5与光轴相交，相交的夹角为45°，光源1可以选择高亮度的LED光源1。高亮度LED光源1为测量装置提供照明，因为照明亮度需足够高到使线性CCD7积分周期低于0.1ms，等效扫描频率高于10kHz。也即是采样频率高于10kHz，最高可测量高于2kHz的机械振动。

工作台上放置有LED光源1、透镜2、待测对象、成像物镜4、线性CCD7、半反半透镜5和面阵图像传感器6；其中，LED光源1可以通过高度调节装置与工作台连接，实现对光源1上下位置的调节。待测对象放置在测试物夹持台上，测试物夹持台通过位置调节装置与工作台连接，实现上下左右前后多个方向的位置调节。线性CCD7、半反半透镜5、面阵图像传感器6集为光信号采集装置，并通过高度调节装置与工作台连接，可以进行上下位置的调节。成像物镜4用于将所需测量对象3成像；光束经过成像物镜4和45度半反半透镜5，成像到低分辨率线性CCD7，扫描所需测量对象3；经过成像物镜4和45度半反半透镜5，成像到面阵图像传感器6，并将视频输出到视频显示器，用于帮助使用者瞄准并聚焦所需测量对象3。

其中，高亮度LED光源1、成像物镜4、面阵图像传感器6同轴，线性CCD7接收的光束轨迹与成像物镜4接收的入射光束轨迹垂直，半反半透镜5分别与线性CCD7、面阵图像传感器6成45°夹角且等距，使线性CCD7与面阵图像传感器6同时接收到待测对象成像的光信号。显示器将面阵图像传感器6采集到的成像信号实时显示，以帮助使用者瞄准并聚焦所需测量对象3。虚拟示波器用于采集和存储线性CCD7扫描输出数据。数据处理器用于读取虚拟示波器所存储数据，读取所需测量对象3边缘，转换为相对应振动位移，计算振动幅度和频率。

本装置测量原理为：

首先将待测对象固定在测试物加持台上，调整加持台位置，一方面使待测物及其振动范围处于被光源1平行光覆盖的范围，从而使待测物边缘区域的成像被线性CCD7、面阵图像传感器6接收。平行光照射到待测对象时，被待测对象遮挡，而待测对象之外的区域则被平行光通过，如果在后面放置一个接收屏，被阻挡的物体则会形成黑色阴影，而黑白交接的地方则为物体边缘。边缘处任意一点沿振动方向的振动幅度都是相同的。

另一方面调整待测物与成像物镜4的距离，使视屏显示器显示的成像信号清晰。由于半反半透镜5分别与线性CCD7、面阵图像传感器6成45°夹角且等距，视屏显示器显示的成像信号清晰也意味着线性CCD7采集的像信号也是清晰的，有利于数据处理器分析过程读取测量对象3边缘数据，即寻找突变点。

由于半反半透镜5的存在，线性CCD7将会采集到沿振动方向依次排列的若干点的光信号，这些采集点包括位于待测物边缘的至少一个点。如果采集点位于待测物上，由于光线被阻挡，则光强信号为0或接近0或很弱，如果采集点位于待测物之外，则光源1光线被接受，光强信号则较强。由光强很强的采集点到光强信号突变为弱的一点或若干点则为边缘点。待测物的振动过程中，以相同的起始采集位置进行多次采集，每次采集时间相同。则得到固定空间区域在一定时间内的光强变化参数。如果筛选出光强变化突变点，即筛选出边缘点，从而得到随着时间的变化，该边缘点所处的采集点序号或采集点所处的空间位置。

以上仅为本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种机械振动振幅的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：将测量对象置于光源和成像物镜之间；

步骤S2：将透过成像物镜的光同时进行反射和透射；

步骤S3：采集透射光并处理获得测量对象的实时图像，采集反射光并处理获得测量对象的振动曲线图；

步骤S4：从获得的振动曲线图中提取至少包括测量对象的振幅、频率的参数。

2.根据权利要求1所述的一种机械振动振幅的测量方法，其特征在于，所述步骤S1中光源的光照区域至少覆盖测量对象的振动边缘区域，所述振动边缘区域为所述测量对象的部分边缘区域及所述测量对象的部分边缘区域振动所至区域。

3.根据权利要求2所述的一种机械振动振幅的测量方法，其特征在于，所述成像物镜的成像范围至少包括振动边缘区域。

4.根据权利要求1所述的一种机械振动振幅的测量方法，其特征在于，所述步骤S2中，采用半反半透镜将透过成像物镜的光同时进行反射和透射。

5.根据权利要求4所述的一种机械振动振幅的测量方法，其特征在于，所述半反半透镜与光轴相交，相交的夹角为45°。

6.根据权利要求5所述的一种机械振动振幅的测量方法，其特征在于，所述步骤S3中采集透射光并处理获得测量对象的实时图像的方法包括：采用面阵图像传感器采集透射光，并将采集的透射光在显示装置上实时显示为视频图像。

7.根据权利要求6所述的一种机械振动振幅的测量方法，其特征在于，所述步骤S3中采集反射光并处理获得测量对象的振动曲线图的方法包括：采用线性CCD采集反射光，由虚拟示波器处理线性CCD采集的反射光，并得到对应的光强信号数据；从中提取测量对象振动边缘区域对应的光强信号数据，从而获取测量对象振动边缘区域不同时刻的位置信息参数；根据测量对象振动边缘区域不同时刻的位置信息参数建立测量对象振动边缘区域的振动曲线。

8.根据权利要求7所述的一种机械振动振幅的测量方法，其特征在于，所述线性CCD采集反射光的扫描频率不小于测量对象振动频率的4倍。

9.根据权利要求8所述的一种机械振动振幅的测量方法，其特征在于，步骤S4中，根据由振动曲线图中提取的参数与真实参数的误差，对提取的至少包括测量对象振幅、频率的参数进行误差修正。

10.一种机械振动振幅的测量装置，采用权利要求1-9任一所述的一种机械振动振幅的测量方法，其特征在于，包括光源、成像物镜、线性CCD、半反半透镜和面阵图像传感器；

从光源出射的光束沿光轴方向依次入射至透镜、成像物镜和半反半透镜；

部分光束透过半反半透镜，由面阵图像传感器采集入射的光束信号；

部分光束经过半反半透镜反射，由线性CCD采集入射的光束信号；

还包括外部通信连接的虚拟示波器、数据处理器和显示器，显示器和虚拟示波器分别与线性CCD通信连接，数据处理器与虚拟示波器通信连接。

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