CN201107043Y - 非接触式线阵ccd中低频测振装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种非接触式线阵CCD中低频测振装置，包括驱动电路，驱动电路与线阵CCD连接，线阵CCD设置于光学成像装置照射区，线阵CCD与加法电路、低通滤波电路、放大电路、二值化处理器依次连接，二值化处理器接入计数器，计数器还与锁存器连接，锁存器与基础时钟连接，计数器再与单片机连接，单片机通过接口电路与上位机连接。本实用新型操作容易，维护简便，成本低廉；可用于对人体有害的、危险的，或人和机器不能到达的地方进行非接触测量。

Description

非接触式线阵CCD中低频测振装置

技术领域

本实用新型属于振动测量技术领域，涉及一种非接触式线阵CCD中低频测振装置。

背景技术

大型旋转机械如汽轮机、压缩机、水轮机、发电机等机械设备，是电力、石油化工、冶金、机械、航空以及一些军事工业部门的关键设备。而转子是这些旋转机械最关键部位，特别是旋转机械的许多故障因振动引起，这样振动测量与试验就成为工程技术界非常重视的课题。转子机械振动监测技术就成为了解和掌握这些设备在使用过程中的运行状态，确定其整体或局部是否正常，早期发现故障及其原因，并预报故障发展趋势，提高机器安全运行水平的一个重要环节。

目前电厂常用磁电式传感器测量汽轮机轴承的振动情况。由于磁电式传感器要求被测对象周围不能有电磁干扰，被测对象必须是单一金属材料，并且材料要求均匀，使得该测量装置的使用受到一定限制。同样加速度传感器在振动量测量中也经常采用，由于它是一种接触式传感器，使用中必须附着于待测物体的表面，因而在许多场合中无法应用。例如，在对扬声器膜片的振动、生物细胞的抖动以及旋转光盘的跳动等的测量中，接触式的安装会破坏原有的振动状态，有时甚至根本无法安装。转子振动测量一直是旋转机械故障监测和故障诊断的主要技术手段。目前转子振动测量对测量对象、测量环境存在特定要求，比如对转子本身的材料要求比较严格，比如要求转子在机械加工后要彻底消磁，转子表面金属品粒均匀，转子本身是纯金属材料等。对于合金材料和非金属材料的转子，用上述方法也难以实现。基于以上的原因，本案采用线阵CCD对转子振动进行测量的方法，设计出一种经济、简便、高效率的测量系统。为转子振动的动态测量提供了一种新的测量途径，具有广泛的推广前景和现实意义。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种非接触式线阵CCD中低频测振装置，解决了现有测振装置对测量对象、测量环境存在特定要求的问题。

本实用新型所采用的技术方案是，一种非接触式线阵CCD中低频测振装置，包括驱动电路，驱动电路与线阵CCD连接，线阵CCD设置于光学成像装置的照射区，线阵CCD与加法电路、低通滤波电路、放大电路、二值化处理器依次连接，二值化处理器接入计数器，计数器还与锁存器连接，锁存器与基础时钟连接，计数器再与单片机连接，单片机通过接口电路与上位机连接。

线阵CCD选用TCD141C线阵CCD。

计数器选用4MHz的8254定时/计数器。

单片机选用ADuC812单片机。

接口电路选用MAX232。

本实用新型的有益效果是，不需要直接在被测物体上安装传感器，减少了接触测量和环境因素带来的误差，提高了测量精度和灵敏度，并且安全性更好，对被测设备的适应性强。

附图说明

图1是本实用新型的CCD光敏面的测量原理示意图；

图2是本实用新型的测量振动位移量的原理示意图；

图3是本实用新型的结构示意图；

图4是本实用新型的低通滤波电路结构示意图。

图中，1、驱动电路，2、线阵CCD，3、加法电路，4、低通滤波电路，5、放大电路，6、锁存器，7、基础时钟，8、二值化处理器，9、计数器，10、单片机，11、接口电路，12、上位机，13、挡光板，14、光源，15、转子，16、CCD的光敏面。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。

CCD器件作为七十年代发展起来的物性型传感器，利用了材料的光电物理效应，减少了转换环节，使敏感元件与转换元件合为一体，实现了固体化，具有结构牢固、体积小、重量轻、寿命长、响应速度快、可靠性高等优点。CCD器件具有固定的像元结构，像元的几何尺寸固定，几何位置精度高(优于1μm)，因此CCD用于测量或定位时可以获得很高的精度。CCD器件具有很高的光电灵敏度和大的动态范围，比较好的CCD器件在特定的条件下与微光像增强器的输出端相耦合，甚至可以测得一个光电子。

本实用新型的工作原理是，CCD是一种以电荷作为信号，能够实现电荷的存储和转移的半导体器件，它的基本单元是MOS结构。在光照条件下，CCD光敏元内会产生光生电荷，光生电荷的多少与照射光强及照射时间成线性关系。电荷先存储于像敏单元(MOS电容)中，然后再转移到CCD的移位寄存器(转移电极下的势阱)中，在驱动脉冲的作用下，电荷通过耦合向前传输，在器件的输出极转换成电脉冲输出，脉冲高度与相应光敏元的曝光量成正比。如果将被测物体成像在CCD上，CCD就可以将空间图像序列转换为时间序列输出了。因此，视频信号中每一个离散电压信号的大小对应该光敏元所接收光强的强弱，而信号输出的时序则对应CCD光敏元位置的顺序。在测量运动物体时，以一定频率对CCD多次曝光，可以得到运动物体在各个光积分时间内的图像。通过一定的电路处理，可以得到物体在某些时刻的瞬态图像。

如图1所示，为本实用新型的CCD光敏面的测量原理示意图。转子15的振动位移量测量从两个垂直方向上测量，在X方向和Y方向上分别安放一个线阵CCD2，现只以X方向为例进行讲解，光源14发出的光经光路处理形成平行光，挡光板13以上和转子15顶点以下部分的光线被挡住，没被遮挡部分的光线经透镜成像在CCD2的光敏面16上，CCD的光敏面16把经光线照射和遮挡的部分的影像都转换成与光强成正比的电荷量，用一定频率的时序脉冲驱动CCD，在CCD输出端获得视频信号。视频信号的每一个离散电压信号的大小对应着该光敏元所接收光强的强弱。信号输出的时序则对应光敏元位置的顺序。因此在CCD的光敏面16上被照亮的区域与被遮挡的区域位置和大小与透射光光线的宽度成线性比例关系，在后续的电路处理下我们可以检测出CCD光敏面16上亮区的大小，即可得出透射光线的宽度。

如图2所示，为本实用新型测量振动位移量的原理示意图。把转子不转的时候的挡光板底端在CCD光敏面上的位置作为初始值N1，转子顶点的位置记为N；当转子转动时，透射光线的宽度将随着转子顶端的振动位置变化而改变，N2的位置也围绕平衡点N而随之变化，从而N1N2也变化。在后续的信号处理电路中对CCD输出的视频信号进行放大、滤波和二值化处理后可以得到宽度为N1N2的矩形波信号，转子平衡时矩形波宽度为NN1，用单片机和数据采集系统对与转子振动位移量成正比的方波进行测量，可以得到转子振动位移量信息。

如图3所示，为本实用新型的结构示意图。包括驱动电路1，驱动电路1与线阵CCD2连接，线阵CCD2安装于光学成像装置17照射区，接受光学成像装置17的照射信号，线阵CCD2与加法电路3、低通滤波电路4、放大电路5、二值化处理器8依次连接，二值化处理器8接入计数器9，计数器9还与锁存器6连接，锁存器6与基础时钟7连接，接受基础时钟7提供的时钟信号，计数器9再与单片机10连接，单片机10通过接口电路11与上位机12连接。

光学成像装置17产生平行光，使CCD的光敏面16有一定的照度。

线阵CCD2选用日本东芝的TCD141C。线阵CCD2及其驱动电路1提供CCD正常工作的时序脉冲信号，并使脉冲信号有一定的驱动能力。

加法电路3、低通滤波电路4、放大电路5、二值化处理器8共同构成信号调理部分，作用是对CCD视频输出信号进行放大、滤波、二值化处理，使得测量信号变为方波信号。

数据采集由计数器9、锁存器6、基础时钟7共同构成，在单片机10的控制下，采用计数方式对方波信号进行计数。

计数器9选用了定时/计数器4MHz的8254计数。8254是一个可编程定时/计数芯片，利用给线阵CCD提供驱动脉冲的主时钟经过二分频的信号作为8254芯片的计数脉冲；将CCD输出的经过处理的视频信号作为外部芯片的门控信号，外部芯片在该门控周期内对计数脉冲进行计数。它内部有三个完全独立的16位计数器，每个计数器的工作方式，都可以单独编程设定，CPU还可以随时更改他们的计数状态。

单片机10选用AD公司的ADuC812单片机。

接口电路11直接与单片机10连接，然后接9针串口DB9。将单片机处理后的数据送入PC机作进一步处理。MAX232其结构简单，采用串口与计算机进行通信能够满足CCD与计算机间的数据通信需要。

上下位机通信，采用串行接口方式，使采集到的信号上传到上位机12。

因为测量的是转子振动时的位移量，因此就存在着采样频率的问题。根据采样定理，当采样频率大于被测信号的最高频率的两倍时，就可以通过获得的数据无失真地恢复被测信号。在实际中，为了保证被测信号的质量，采样频率是被测信号最高频率的3-4倍，在工程中有时取到10倍左右。线阵CCD采样点与积分时间有密切的关系：在每一个积分时间之内，只能获得一个采样点，在实时采样的定时采样方式下，积分时间就是最小的采样周期。为了充分利用线阵CCD，积分时间就等于采样周期。所以CCD输出一祯信号的频率即为采样频率。

由前面所述的测量原理知道，当整个测量系统安装完成后，转子未旋转处于平衡位置时，输出宽度为NN1矩形波视频信号，当转子转动时，CCD输出宽度为N2N1的矩形波视频信号。把这两个信号作为8254的门控信号，对这两个矩形波进行计数，所得脉冲个数分别为N1、N2，这两个脉冲数就分别代表了转子静态平衡时和转子振动时光带在CCD光敏面上的宽度，就可以求出转子振动的位移量，然后把所计的脉冲送入单片机，单片机通过串行接口与上位机进行通信，上传所计的脉冲数，完成系统的数据采集。

如图4所示，为本实用新型的低通滤波电路结构示意图。由于CCD输出的视频信号含有各种高频噪声，及其干扰信号，为了得到真实的正确的测量信号必须进行滤波处理，而CCD自身测量的信号频率不高，因此我们进行有源低通滤波处理。

综上所述，本实用新型在工作中，CCD器件的工作电压和功耗都很低；输出信号易于传输和计算机处理：由CCD构成的测量系统操作容易，维护简便，成本低廉；作为光电传感器可用于对人体有害的、危险的，或人和机器不能到达的地方去进行非接触测量等特点。

Claims (5)

1、一种非接触式线阵CCD中低频测振装置，其特征在于，包括驱动电路(1)，驱动电路(1)与线阵CCD(2)连接，线阵CCD(2)设置于光学成像装置(17)的照射区，线阵CCD(2)与加法电路(3)、低通滤波电路(4)、放大电路(5)、二值化处理器(8)依次连接，二值化处理器(8)接入计数器(9)，计数器(9)还与锁存器(6)连接，锁存器(6)与基础时钟(7)连接，计数器(9)再与单片机(10)连接，单片机(10)通过接口电路(11)与上位机(12)连接。

2、根据权利要求1所述的测振装置，其特征在于，所述的线阵CCD(2)选用TCD141C线阵CCD。

3、根据权利要求1所述的测振装置，其特征在于，所述的计数器(9)选用4MHz的8254定时/计数器。

4、根据权利要求1所述的测振装置，其特征在于，所述的单片机(10)选用ADuC812单片机。

5、根据权利要求1所述的测振装置，其特征在于，所述的接口电路(11)选用MAX232。

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