CN1314943C - 基于线阵型电荷耦合器件的微小角位移测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于线阵型电荷耦合器件的微小角位移测量装置。包括激光器的激光依次经准直透镜、光阑、被测物体反射后至聚焦透镜后接线阵型电荷耦合器件，经线阵型电荷耦合器件的输出端口与实时信号处理电路的输入端口相连。它采用平行光斜射式激光三角法、非CPU结构的实时信号处理电路和高速线阵型CCD。本发明具有结构简单，线性度好，灵敏度高，测量频率高，分辨率高和实时性好等特点，可应用于高频电—机械转换器等元件的微小角位移的静动态特性的在线或离线检测。

Description

基于线阵型电荷耦合器件的微小角位移测量装置
技术领域
本发明涉及一种基于线阵型电荷耦合器件的微小角位移测量装置。
技术背景
高频电—机械转换器等元件输出的角位移通常很小，为了高精度测量高频电—机械转换器的静动态特性，多采用光电式微小角位移传感器来进行测量。
目前用于微位移测量的光电式传感器有干涉式、偏光式、扫描电镜式和激光三角法等。干涉式、偏光式、扫描电镜式传感器仅适用于实验室应用，不适用于工业现场使用。激光三角法传感器采用激光作位移信号的传输介质，激光的方向性好、光功率稳定，因此传感器的分辨率高，测量精度高，稳定性好，体积小；光电接收元件为CCD或PSD，测量频率高。
目前常用的激光三角法传感器如Micro-Epsilon公司的产品采用激光直射法，测量精度高，线性度好，但其难以测量微小角位移，且要求被测物体精确放置在测量位置上，同时由于采用由DSP和外围器件及其软件组成的后处理电路，因此不能用作实时测量。
发明内容
为了克服现有测量方法及装置的不足，本发明的目的在于提供一种基于线阵型电荷耦合器件的微小角位移测量装置，采用平行光斜射式激光三角法、非CPU结构的实时信号处理电路和高速线阵型CCD，应用于微小角位移的静动态特性的在线或离线检测。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于线阵型电荷耦合器件(CCD)的微小角位移测量装置，包括激光器、准直透镜、光阑、聚焦透镜、线阵型电荷耦合器件和实时信号处理电路。激光器的激光依次经准直透镜、光阑、被测物体反射后至聚焦透镜后接线阵型电荷耦合器件，经线阵型电荷耦合器件的输出端口与实时信号处理电路的输入端口相连。
所述的实时信号处理电路：包括时序发生器、斜坡信号发生器、比较器和采样保持器。时序发生器由复杂可编程逻辑(CPLD)器件和高频钟振组成，复杂可编程逻辑器件一组I/O接口与线阵型电荷耦合器件相连，斜坡信号发生器由先进先出(FIFO)器件和D/A器件组成，复杂可编程逻辑器件另一组I/O接口与先进先出器件输入端口相连，先进先出器件输出端口与D/A器件输入端口相连，D/A器件输出端口与采样保持器的输入端口相连；比较器的正相输入端口与线阵型电荷耦合器件模拟信号输出端口相连，负相输入端口与参考电压相连，输出端口与采样保持器的使能端口相连。
本发明与背景技术相比，具有的有益的效果是：
1、采用平行光斜射式激光三角法，适用于微小角位移的测量，且对被测物体的放置位置无严格要求；
2、采用实时信号处理电路和高速线阵型CCD，提高了传感器光电接收器件的最高采样频率，缩短了处理时间，将该传感器输出连接到示波器，能够实时在线测量微小角位移的静动态特性，包括阶跃响应、正弦响应等；
3、具有结构简单，线性度好，灵敏度高，测量频率高，分辨率高和实时性好的特点。
因此本发明可应用于高频电—机械转换器等元件的微小角位移的静动态特性的在线或离线检测。
附图说明
图1为本发明的结构原理示意图；
图2为本发明实时信号处理电路结构框图；
图3为本发明的实施例示意图；
图4为电—机械转换器阶跃响应测试曲线。
图中：1.被测物体，2.光阑，3.准直透镜，4.激光器，5.聚焦透镜，6.线阵型CCD，7.实时信号处理电路，8.时序发生器，9.斜坡信号发生器，10.比较器，11.采样保持器，12.传感器，13.信号发生器，14.功率放大器，15.示波器，16.阶跃输入信号，17.阶跃响应曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1、图2所示，本发明包括激光器4、准直透镜3、光阑2、聚焦透镜5、线阵型CCD 6和实时信号处理电路7；激光器4的激光依次经准直透镜3、光阑2、被测物体1反射后至聚焦透镜5后接线阵型CCD 6，经线阵型CCD 6的输出端口与实时信号处理电路7的输入端口相连。
所述的实时信号处理电路7：包括时序发生器8、斜坡信号发生器9、比较器10和采样保持器11；时序发生器8由CPLD器件和高频钟振组成，CPLD器件一组I/O接口与线阵型CCD 6相连，提供驱动线阵型CCD 6的操作启动信号和读时序信号；斜坡信号发生器9由FIFO器件和D/A器件组成，CPLD器件I/O另一组I/O接口与FIFO器件输入端口相连，提供斜坡信号发生器9的斜坡信号数据和逻辑控制信号，FIFO器件输出端口与D/A器件输入端口相连，输出模拟斜坡信号；D/A器件输出端口与采样保持器11的输入端口相连；比较器10的正相输入端口与线阵型CCD 6模拟信号输出端口相连，负相输入端口与参考电压相连，输出端口与采样保持器11的使能端口相连。时序发生电路8产生线阵型CCD 6的操作时序逻辑，驱动线阵型CCD 6在一定的时间T内按时序输出视频信号；同时，斜坡信号发生电路9在时间T内同步生成一个-5V到5V的斜坡信号；比较器10逐一比较线阵型CCD 6的输出信号与参考电压，当线阵型CCD6的输出信号比参考电压大时，输出为正，反之，输出为负；当比较器10的输出为高时，使能采样保持器11采样该时刻的斜坡信号的电压值并输出并保持，该电压值与被测角位移成正比。
所述的线阵型CCD 6采用Atmel公司的TH7813A线阵型CCD，该器件有1024个像元，像元尺寸为0.01mm×0.01mm，可感知光波长范围为300nm-1100nm，输出信号噪声小，TH7813A的输出频率高达50MHz，单次输出时所需预处理的时间短，单次输出的无效像元值少，只有4个。
所述的时序发生器8：采用Lattice公司的CPLD器件MACH4A5-128和50MHz钟振组成。CPLD器件是一种可在线编程的逻辑器件，可灵活地配置其内部逻辑和I/O口，由其产生线阵型CCD的操作启动信号和读时序信号，驱动线阵型CCD输出。
所述的斜坡信号发生器9：采用IDT公司的FIFO器件IDT7201和TexasInstrument公司的D/A器件TLC7524组成。传感器电源打开时，MACH435-128自动将斜坡信号的数据写入IDT7201中，由线阵型CCD操作启动信号同步，实时读出IDT7201的数据并置入TLC7524并转换成模拟信号输出。
所述的比较器10：采用Texas Instrument公司的LM358器件。
所述的采样保持器11：采用AD公司的高速采样保持器AD783。
所述的CPLD、FIFO等器件的时延均于20ns，AD783采样和输出速度高达5MHz，保证了信号处理电路的实时性。
本发明采用波长为650nm的半导体激光器作为传感器的激光器，取聚焦透镜焦距为25mm，取有效像元数为100(50个奇像元或偶像元)，取被测位移单周期内重复测量次数为10，根据工作原理可计算得传感器的量程为0.02rad，分辨率为0.0002rad，测量频率为10KHz。
如图3所示，采用本发明传感器对高频摆动式电—机械转换器的动态性能进行测试。将高频电—机械转换器作为被测物体1，安装在被测位置上；信号发生器13的输出端口与功率放大器14的输入端口相连，功率放大器14的输出端口与被测物体1的输入端口相连，本发明的输出端口与示波器15相连。激光器发生的发散激光经准直透镜准直后成为平行光，经光阑调整光束直径后入射在被测物体1表面上，其反射光经聚焦透镜后聚焦成直径小于线阵型CCD像元尺寸的光斑照射在线阵型CCD上；信号发生器13输出的信号经功率放大器14放大后驱动被测物体1的衔铁转动，当衔铁转动θ角度时，带动反射后激光偏转2θ角度，所照射的线阵型CCD的像元位置随之变化，用示波器15测得传感器12输出，可以测得高频电—机械转换器1的阶跃响应曲线17，如图4所示。曲线16为信号发生器13阶跃输入信号。被测高频电—机械转换器1的响应频率达4000Hz，角位移达±0.0064rad。

Claims (6)

1、一种基于线阵型电荷耦合器件的微小角位移测量装置，包括激光器(4)、准直透镜(3)、光阑(2)、聚焦透镜(5)、线阵型电荷耦合器件(6)和实时信号处理电路(7)；激光器(4)的激光依次经准直透镜(3)、光阑(2)、被测物体(1)反射后至聚焦透镜(5)后接线阵型电荷耦合器件(6)，经线阵型电荷耦合器件(6)的输出端口与实时信号处理电路(7)的输入端口相连；其特征在于所述的实时信号处理电路(7)：包括时序发生器(8)、斜坡信号发生器(9)、比较器(10)和采样保持器(11)；时序发生器(8)由复杂可编程逻辑器件和高频钟振组成，复杂可编程逻辑器件一组I/O接口与线阵型电荷耦合器件(6)相连，斜坡信号发生器(9)由先进先出器件和D/A器件组成，复杂可编程逻辑器件另一组I/O接口与先进先出器件输入端口相连，先进先出器件输出端口与D/A器件输入端口相连，D/A器件输出端口与采样保持器(11)的输入端口相连；比较器(10)的正相输入端口与线阵型电荷耦合器件(6)模拟信号输出端口相连，负相输入端口与参考电压相连，输出端口与采样保持器(11)的使能端口相连。
2、根据权利要求1所述的一种基于线阵型电荷耦合器件的微小角位移测量装置，其特征在于所述的线阵型电荷耦合器件(6)：采用Atmel公司的TH7813A线阵型电荷耦合器件。
3、根据权利要求1所述的一种基于线阵型电荷耦合器件的微小角位移测量装置，其特征在于所述的时序发生器(8)：采用Lattice公司的复杂可编程逻辑器件MACH4A5-128和50MHz钟振组成。
4、根据权利要求1所述的一种基于线阵型电荷耦合器件的微小角位移测量装置，其特征在于所述的斜坡信号发生器(9)：采用IDT公司的先进先出器件IDT7201和Texas Instrument公司的D/A器件TLC7524组成。
5、根据权利要求1所述的一种基于线阵型电荷耦合器件的微小角位移测量装置，其特征在于所述的比较器(10)：采用Texas Instrument公司的LM358器件。
6、根据权利要求1所述的一种基于线阵型电荷耦合器件的微小角位移测量装置，其特征在于所述的采样保持器(11)：采用AD公司的高速采样保持器AD783。
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