CN202048888U

CN202048888U - 一种高速位移激光检测系统

Info

Publication number: CN202048888U
Application number: CN2010206695247U
Authority: CN
Inventors: 孙建华; 袁科; 何先灯
Original assignee: Xian Huanic Optoelectronic Corp Ltd
Current assignee: Xian Huanic Optoelectronic Corp Ltd
Priority date: 2010-12-19
Filing date: 2010-12-19
Publication date: 2011-11-23
Anticipated expiration: 2020-12-19

Abstract

本实用新型涉及一种高速位移激光的检测系统。该系统包括一字线激光器以及设置一字线激光器出射光路上的采集盒。运用本实用新型可以对激光线束的绝对和相对位置检测，以及线束的线宽检测等；也可以转化为对位移、长度、角位移等的测量；如应用对一字线激光进行线直度测量(如激光线束检测仪)，激光仪器的综合检测等等。尤其适合应用于平台的变形检测，建筑上悬梁震动测试、铁轨桥梁的震动测试、爆破对平台的震动测试等等。

Description

一种高速位移激光检测系统

技术领域

本实用新型涉及一种高速位移激光的检测系统。

背景技术

在现代测量系统中，常需要测量桥梁、悬梁和平台等的形变情况，以检验设计的可靠性。现有的测量方式大多都采用静态方式测量，仅仅能够测量桥梁、悬梁和平台等在一定负荷下的静态形变情况。实际上，在使用这些设备时，不可避免的存在动态形变过程，这些动态形变可能对设备造成毁灭性的损害。

而在目前平台的变形检测，建筑上悬梁震动测试、铁轨桥梁的震动测试、爆破对平台的震动测试等等的检测应用的论文和相关文章中，常提到通过面阵CCD来对激光线束进行成像，通过图像采集、数字图像处理，提取激光线束在CCD上的投影位置信息的变化，从而实现激光位移检测的目的。然而其开发和应用复杂，而且测量精度较低，只能作为静态检测，动态实时检测效果不佳等原因而没有得到实际应用。

实用新型内容

本实用新型是在通过一种用线阵CCD测量激光束位置与线宽的检测方法在高速CCD的应用，来测量高速位移激光的系统。利用这一系统可以得到激光束位置与线宽信息后；可以转化为对位移、长度、角位移等的测量；如应用此方法进行平台的变形和振幅检测，对一字线激光进行线弯曲度检测(如激光线束检测仪)，激光仪器的综合检测，光学不平行度检测，轨道直线度检测、轨道变化量检测等等。(我想把范围做些拓展，其余挺好)

本实用新型的技术解决方案是：本实用新型为一种高速位移激光的检测系统，其特殊之处在于：该系统包括一字线激光器以及设置一字线激光器出射光路上的采集盒。

上述采集盒是一个或多个。

上述采集盒包括高速线阵CCD，可编程器件(FPGA)和存储器，所述高速线阵CCD设置在一字线激光器的出射光路上，所述高速线阵CCD、存储器分别和可编程器件(FPGA)连接，应用高速线阵CCD做激光位移检测，实现数据的高速采集和传输。

上述采集盒还包括放大电路和整形与数字处理电路，可编程器件(FPGA)发出驱动信号，驱动高速线阵CCD工作；高速线阵CCD对打在其感光面上的的激光光信号转化为电信号输出；电信号通过放大电路进行信号的放大；放大后的信号通过整形与数字处理电路，将模拟信号转换为数字信号；并将此数字信号送入可编程器件(FPGA)。

上述放大电路主要由运放器和高速模拟选择器构成，整形与数字处理电路主要由比较器构成。

上述运放器采用AD8011AN，高速模拟选择器采用74hc4051，比较器采用AD8561。

上述高速线阵CCD采用东芝的高速线阵CCD--TCD2703D，所述可编程器件采用EP1C6T144C6，所述存储器采用SDRAM。

该系统还包括PC机，所述采集盒与PC机连接。

该系统还包括控制盒，所述采集盒通过控制盒和计算机连接。

上述控制盒采用MSP430F247，所述控制盒通过RS485总线与采集盒连接，通过USB口与PC机连接。

本实用新型通过入射到高速线阵CCD感光面的激光束的高斯曲线的两边沿做激光线束的边缘判断，取两边沿内像元点的个数为激光的相对线宽。并取相对线宽的中心作为激光线束的位置中心，从而得到激光线束的在CCD感光面得绝对位置。由于CCD是高速驱动，从而实现激光线束的高速位移测量。同时本实用新型采用高速线阵CCD，其结构简单，成本较低，并且由于高速线阵CCD实时传输光电变换信号和自扫描速度非常快、频率响应非常高，能够实现的非接触、高速、动态形变测量系统。本实用新型还通过用高速线阵CCD在一种用线阵CCD测量激光束在CCD感光面的激光线宽与位置的方法的应用，通过应用测量入射到线阵CCD感光面的激光位置与线宽的判断，从而得到激光在CCD感光面的绝对位置的光电检测方法，及运用这一方法对激光线束的绝对和相对位置检测，以及线束的线宽检测等；也可以转化为对位移、长度、角位移等的测量；如应用对一字线激光进行线直度测量(如激光线束检测仪)，激光仪器的综合检测等等。尤其适合应用于平台的变形检测，建筑上悬梁震动测试、铁轨桥梁的震动测试、爆破对平台的震动测试等等，

附图说明

图1为本实用新型具体实施例的结构示意图；

图2为本实用新型采集盒的原理框图。

图3为本实用新型采集盒采用的放大电路的电路原理图；

图4为本实用新型采集盒采用的整形与数字处理电路的电路原理图；

图5为本实用新型数据传送框图。

具体实施方式

参见图1，本实用新型的一个较佳实施例的结构由一个PC机4、一个控制盒3、一个一字线激光器1和5个采集盒2构成，在远离被测试系统5的固壁上安装一字线激光器1，在被测试系统5的计划测量点上布置采集盒2，测点可为一个或多个，采集盒2位于一字线激光器1出射的激光线6上。

参见图2，采集盒2以高速硬件处理器FPGA为主控器，实现CCD信号驱动、CCD输出信号整形、CCD信号的同步采集、CCD信号的处理、数据的存储以及数据的上传。数据采用485总线进行上传。

实现高速采集的方法是

FPGA通过数字逻辑信号驱动后高速线阵CCD对打在其感光面上的的激光光信号转化为电信号输出；电信号通过放大电路进行信号的放大；放大后的信号通过数字整形电路，将模拟信号转换为数字信号；将此数字信号送入FPGA进行计算，得出线宽和位置信息。

高速线阵CCD：高速线阵CCD选用TCD2703C，该器件为高速彩色CCD，像元点数为7500*3个，像元间距为9.325um，采用奇偶方式并行驱动，最高工作始终未25MHz，能够支持的最高扫描速率为4.05us+(7500+142)/(2*25)us＝156.89us，即6.37k。在单片机以5K速率控制FPGA对CCD扫描时，FPGA仍可有200us-156.89us＝43.11us进行其他数据处理。我们采用其奇数行输出进行运算，象元点距为9.325us*2＝18.65us，测量精度可达微米级，可满足系统测量距离0.1mm的精度要求。该CCD的总长度为7500*9.325＝69937.5us＝69.9375mm，可满足系统测量范围为±30mm的要求。

主控：FPGA选择EP1C6T144C6，该芯片内部运行速率最高可达166MHz，可满足对CCD输出型号进行数字信号处理即存储。

参见图3，放大电路：当采用25MHz的扫描速率对CCD进行驱动时，CCD输出信号的基频为25MHz/0.4＝62.5MHz，考虑4倍放大，则需要的带宽增益积为250MHz以上的运放，本实用新型选用300MHz的AD8011AN的运放。因为考虑到采集盒安放位置不同，或采用不同的一字线激光器，所采集到的激光线信号的强弱不同，故采用对高速模拟选择器74hc4051的控制来进行自动增益调控。利用FPGA对高速模拟选择器74hc4051的控制进行自动增益调控。在5V供电时该模拟选择器可通过145MHz以上的信号。即通过送给FPGA信号判断信号的强弱，再通过对高速模拟选择器74hc4051得控制来选择运放的增益电阻(如图3的R22\R24\R26\R28)来控制运放AD8011AR的放大倍率，从而使弱信号得到较大倍率的放大，强信号得到较小的放大；从而给后续电路更精确的判断信号。也使我们更有效的利用TCD2703D对红蓝绿三路光的感应特性，对不同颜色的单色激光的衰减不同，实现了大范围光强下的线状激光信号的中心位置的准确提取。

参见图4，整形与数字处理电路：经过放大后的信号，可以通过AD采样后送往FPGA，但那样对信号放大的失真度要求高，必须保证AD采样器件信号已经平稳，即要保证信号的3倍频无衰减通过，则此时对放大器带宽增益积要求变为62.5*3*4＝750MHz，此种运放太贵，且电路不容易设计。为此通过将放大后的CCD信号通过高速比较器后，直接送到FPGA，通过设定比较门限和数字信号处理，确定光线的边缘。比较器的响应速度需要大于1/62.5MHz＝16ns，此案选用AD公司的7ns比较器AD8561。

数据存储(SDROM)：每个下位机每秒需要存储5k个点数据，每个点数据的取值范围是-30.9到30.9，存储的数据x与实际数据y的关系如下：

X＝(y+30.9)*10，y＝x/10-30.9

X的最大值为618，需采用2个字节存储，所以10秒需要存储5kword*10s＝50kword数据，考虑到今后系统的扩展要求，可采用512k*16bit*2banks的KM416S1120D高速SDRAM芯片，该芯片最多可以存储512*2/50＝200s数据。

参见图5，控制盒3主要完成PC机4命令的接收和对各采集盒的控制、数据的传送以及电源的管理。控制盒3采用MSP430F247作为主控器，利用USB口与PC机4通信，利用RS485总线与采集盒2通信。采集盒2在接收到控制盒3的“开始采集”命令后，由各自高精度定时器定时采集。由于采样率最高为5KHz，设时钟精度为1ppm(即每秒偏移1us)，则100s内各采集盒2采样时钟最大偏移差为0.2ms，不到一个采样点，可保证各采集盒2的准同步采集。

PC机4的应用软件负责接收控制盒3传输来的数据，并将该数据分类保存到各个txt文档中。利用PC机4的应用软件实现数据的“清零”能(记录标准值，并将所有采集到的数据减去该标准值。txt文档保存的数据为原始数据减去标准值后的数据)。系统采用触发方式进行高速同步采集存储，采集结束后，再将采集到的数据传输给PC机4。系统有两种触发采集方式，一种是软件触发，另一种是硬件触发，以便实验时的同步采集。

该系统各采集盒2的采集速率可在500Hz、1KHz、2.5KHz、5KHz选择，采样时间长度可在5s-100s之间选择，采集盒2个数可在1-16之间选择。当将一字线激光器1固定，各采集盒2与被测位置固定时，可以高速同步测量各个被测位置的位移，精度可达±0.1mm。

本实用新型在使用时，将激光束同时照射到采集盒2的各个线阵CCD敏感区域内，系统读取出线束相对高度位置信息，作为测量标尺高度输出。当被测试系统受振动、安装面沉降、外力发生形变等原因影响时，激光束在系统线阵CCD敏感区的位置发生变化，该系统每秒最多可以采集5000个数据，即支持频率为5K的形变量，从而实现了对测试系统的动态的检测和测量。

本实用新型是一种非接触、形变量测量系统。该系统可以快速测量并记录动态形变过程中的微小形变量，从而为测量建筑上悬梁震动、铁轨桥梁的震动、爆破对平台的震动等的动态过程提供了手段，具有很强的使用性。而且本实用新型也可同样应用于激光线束检测，激光位移检测、激光仪器检测等方面。

Claims

1.一种高速位移激光的检测系统，其特征在于：该系统包括一字线激光器以及设置一字线激光器出射光路上的采集盒。

2.根据权利要求1所述的高速位移激光的检测系统，其特征在于：所述采集盒是一个或多个。

3.根据权利要求2所述的高速位移激光的检测系统，其特征在于：所述采集盒包括高速线阵CCD，可编程器件FPGA和存储器，所述高速线阵CCD设置在一字线激光器的出射光路上，所述高速线阵CCD、存储器分别和可编程器件FPGA连接。

4.根据权利要求3所述的高速位移激光的检测系统，其特征在于：所述采集盒还包括放大电路和整形与数字处理电路，可编程器件FPGA发出驱动信号，驱动高速线阵CCD工作；高速线阵CCD对打在其感光面上的的激光光信号转化为电信号输出；电信号通过放大电路进行信号的放大；放大后的信号通过整形与数字处理电路，将模拟信号转换为数字信号；并将此数字信号送入可编程器件FPGA。

5.根据权利要求4所述的高速位移激光的检测系统，其特征在于：所述放大电路主要由运放器和高速模拟选择器构成，整形与数字处理电路主要由比较器构成。

6.根据权利要求5所述的高速位移激光的检测系统，其特征在于：所述运放器采用AD8011AN，高速模拟选择器采用74hc4051，比较器采用AD8561。

7.根据权利要求3或4或5或6所述的高速位移激光的检测系统，其特征在于：所述高速线阵CCD采用东芝的高速线阵CCD--TCD2703D，所述可编程器件采用EP1C6T144C6，所述存储器采用SDRAM。

8.根据权利要求7所述的高速位移激光的检测系统，其特征在于：该系统还包括PC机，所述采集盒与PC机连接。

9.根据权利要求8所述的高速位移激光的检测系统，其特征在于：该系统还包括控制盒，所述采集盒通过控制盒和计算机连接。

10.根据权利要求9所述的高速位移激光的检测系统，其特征在于：所述控制盒采用MSP430F247，所述控制盒通过RS485总线与采集盒连接，通过USB口与PC机连接。