CN1249420A - 固体速度及长度非接触测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明是一种用于测量固体速度及长度的系统。包括有测量传感器和信号处理装置,其中测量传感器包括激光传感器和信号调理装置,信号处理装置包括有数据采集卡和互相关分析仪。本发明由于采用了激光传感器,因两平行光束的入射点就是测量探头,故其测量过程中对被测物体没有干扰,不受环境条件的限制,可用于各种场合进行测量;此外,由于互相关分析仪采用在线数字式直接计算法,因此,在相同的在线测量响应速度前提下,其统计测量精度明显优于极性相关分析,且可降低可测信噪比。

Description

固体速度及长度非接触测量系统

本发明是一种用于测量固体速度及长度的系统，属于固体速度及长度非接触测量的创新技术。

现有用于测量速度及长度的方法，大多采用先测量驱动辊轮的转速，再求出固体速度及长度的间接测量方法，由于辊轮与工件之间的打滑及辊轮摩擦等因素的影响，故其测量精度低，还必须经常校准，且效率不高，不能与现代化工业生产的要求相适应，特别是工业生产中许多贵重物品的速度及长度测量，迫切需要精度高，效率高的测量系统。

本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种不仅测量精度高，测速范围广，而且分辨率高，可测信噪比较低的固体速度及长度非接触测量系统。

本发明的原理框图如图1所示，包括有测量传感器和信号处理装置，测量传感器包括激光传感器(1)和信号调理装置(2)，信号处理装置包括数据采集卡(3)和互相关分析仪(4)，其中信号调理装置(2)的输入端与激光传感器(1)的输出端连接，信号调理装置(2)的输出端与数据采集卡(3)的输入端连接，数据采集卡(3)的输出端与互相关分析仪(4)的输入端连接。

下面结合附图详细说明本发明的具体结构及工作情况：

图1为本发明的原理框图；

图2为本发明中测量传感器的原理框图；

图3为本发明中信号调理装置(2)的电路原理图；

图4为本发明中互相关分析仪(4)的原理框图。

本发明的原理框图如图1所示，包括有测量传感器和信号处理装置，测量传感器包括激光传感器(1)和信号调理装置(2)，信号处理装置包括数据采集卡(3)和互相关分析仪(4)，其中信号调理装置(2)的输入端与激光传感器(1)的输出端连接，信号调理装置(2)的输出端与数据采集卡(3)的输入端连接，数据采集卡(3)的输出端与互相关分析仪(4)的输入端连接。上述激光传感器(1)包括有发射部分和接收部分，其中发射部分包括有半导体激光器(11)、准直镜(12)、分束器(13)、整形镜(14)，接收部分包括有接收透镜(15)和PIN光电二极管(16、17)，准直镜(12)置于半导体激光器(11)与分束器(13)之间，整形镜(14)置于分束器(13)与被测物体之间，接收透镜(15)置于能接收到被测物体表面反射光的位置，PIN光电二极管(16、17)置于接收透镜(15)与信号调理装置(2)之间。上述半导体激光器(11)为红光半导体激光器。另外，为避免半导体激光器输出功率受温度、电流等因素影响，上述半导体激光器(11)的供电电源为稳功率电源(18)。为保证相关测量两束光的光强保持一致，以提高测量的精度，上述分束器(13)为将一束光平均分为两束平行光的分束器。为能保证系统的统计测量精度，保持反映被测物体速度及长度特征信息的两个随机噪声信号的相关性，且使测量传感器光路系统结构尽可能简单，上述分束器(13)输出光束的间距h为4～8mm，而且上述整形镜(14)聚焦输出的光斑为两个相互平行的线光斑，上述接收透镜(15)为单个透镜。为保证激光传感器(1)的输出信号满足数据采集卡(3)输入端的要求，系统设计了信号调理装置(2)，信号调理装置(2)可为两路若干级前置放大电路，在实际应用中采用两路单级前置放大电路即可，前置放大电路包括光电二极管D、三极管T、调幅电阻R、去偶电容C，三极管T的基极与光电二极管D的阴极连接，三极管T的发射极分别与光电二极管D的阳极及去偶电容C的一端连接，并与+5V直流稳压电源连接，三极管T的集电极与调幅电阻R的一端连接，调幅电阻R、去偶电容C的另一端均接地。为每一步确保测量的精确度，上述互相关分析仪(4)的互相关分析运算采用在线直接计算法。其为在相应工业微型计算机硬、软件环境下，采用开环逐点运算的方法，以一定的步长逐点计算出测量范围内各延迟时间点处互相关函数的值，并进行峰值检测，搜索互相关函数的峰值位置，从而获取渡越时间τ。由上述光束的间距h和渡越时间τ，则可求出被测物体的速度V＝h/τ及长度L＝VT。这种在线互相关分析仪在硬件及软件的结构设计上保证了测量系统的统计测量精度和系统的响应速度。为能顺利地完成对两路随机相关噪声信号的数据采集和存储，上述数据采集卡(3)为PCI-1200多功能卡。

本发明用于测量物体的速度及长度时，将激光传感器(1)的发射部分和接收部分置于分别能照射到被测物体表面和能接收到被测物体表面反射光的位置上，开启稳功率电源(18)，则半导体激光器(11)输出的具有一定发散角的光束经准直镜(12)后将其准直为一个发散角仅为0.5mrad的平面波束，随之分束器(13)将一束光平均分为两束平行光，随后整形镜(14)将两个圆形光斑修整为两个宽度仅为0.15mm，长度为2mm的狭长椭圆光斑而照射在被测物体表面上，两束狭长椭圆光斑在采样上不仅使得被测物体的微细结构不会由于光斑卷积作用而被平均化，以充分获取速度信息的高频成份，而且保证了前后两个光斑已有足够多的重叠轨迹，从而降低了沿速度方向的安装精度要求，确保了两束光采样信号的相关性。由于接收透镜(15)采用单个透镜，故可扩大接收孔径，增加接收的光能量以提高接收信噪比。PIN光电二极管(16、17)的面积为3×3mm²，与狭长椭圆光斑的大小相仿，故光路结构采用4f成象系统，以将两束光之间的信号窜扰降至可以接受的程度。数据采集卡(3)在其驱动程序的控制下完成对来自两路一级前置放大电路的随机相关噪声信号的高速数据采集和存储，并随之将数据送到互相关分析仪(4)进行互相关分析运算，互相关分析仪(4)对两个随机相关噪声信号的采样数据，采用在线开环逐点运算的方法，分析获取渡越时间τ，从而由上述光束的间距h和渡越时间τ，求出被测物体的速度V及长度L。由于采样信号既保留了原始信号的相位信息，同时又保留了幅值信息，因而这种算法在相同的在线测量的响应速度前提下，其统计测量精度肯定优于极性相关分析算法。

本发明由于采用了激光传感器，因平行光束的入射点就是测量探头，故其测量过程中对被测物体没有干扰，不受环境条件的限制，因此，本测量系统可用于各种场合进行测量，尤其是可以方便地用在有毒、高温或具有腐蚀性的场合；另外，本发明中测量用两束光采用单激光器的结构，所以当光源功率即使发生漂移，也能保证两束光漂移的大小与方向相同，漂移产生的误差会在互相关运算分析中加以抵消，从而保证测量的精确度；同时，由于激光束可以聚焦在很小的区域内，其能量几乎可以集中在空间的一条直线或一个点处，当被测物体相对于敏感器件运动时，固体表面随机噪声引起的随机调制作用所受到的空间低通滤波效应将会大大减弱，从而保证随机信号有较宽的频带及有较高的空间和时间分辨率。此外，由于互相关分析仪采用数字式直接计算法，因此，在相同在线测量的响应速度前提下，其统计测量精度明显优于极性相关分析，且可降低可测信噪比。本发明是一种测速及测长精度高，测量范围广，而且分辨率高，可测信噪比低的固体速度及长度非接触测量系统。

Claims (9)

1、一种固体速度及长度非接触测量系统，包括有测量传感器和信号处理装置，其特征在于测量传感器包括激光传感器(1)和信号调理装置(2)，信号处理装置包括有数据采集卡(3)和互相关分析仪(4)，其中信号调理装置(2)的输入端与激光传感器(1)的输出端连接，信号调理装置(2)的输出端与数据采集卡(3)的输入端连接，数据采集卡(3)的输出端与互相关分析仪(4)的输入端连接。

2、根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于上述激光传感器(1)包括有发射部分和接收部分，其中发射部分包括有半导体激光器(11)、准直镜(12)、分束器(13)、整形镜(14)，接收部分包括有接收透镜(15)和PIN光电二极管(16、17)，准直镜(12)置于半导体激光器(11)与分束器(13)之间，整形镜(14)置于分束器(13)与被测物体之间，接收透镜(15)置于能接收到被测物体表面反射光的位置，PIN光电二极管(16、17)置于接收透镜(15)与信号调理装置(2)之间。

3、根据权利要求2所述的测量系统，其特征在于上述半导体激光器(11)为红光半导体激光器，其供电电源为稳功率电源(18)。

4、根据权利要求2所述的测量系统，其特征在于上述分束器(13)为将一束光平均分为两束平行光的分束器。

5、根据权利要求5所述的测量系统，其特征在于上述分束器(13)输出光束的间距h为4～8mm。

6、根据权利要求2所述的测量系统，其特征在于上述整形镜(14)聚焦输出的光斑为两个相互平行的线光斑。

7、根据权利要求2所述的测量系统，其特征在于上述接收透镜(15)为单个透镜。

8、根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于上述数据采集卡(3)为PCI-1200多功能卡。

9、根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于上述互相关分析仪(4)的互相关分析运算采用在线直接计算法。

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