CN203869770U - 一种非接触式振动绝对位移的快速光学直接测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种非接触式振动绝对位移的快速光学直接测量装置，所述的测量装置中的光源发出的光线经透镜产生一个圆柱型平行光束，平行光束经光束成型器的限制而形成需要的长度及宽度合适的矩形平行光束，矩形平行光束分别照射在被测量物体和线阵CCD探测器上，线阵CCD探测器将获得特征位置的电信号输送到测量系统及信号处理系统进行处理，处理结果再送到计算机处理。本实用新型的测量装置结构简单，可靠性高。

Description

一种非接触式振动绝对位移的快速光学直接测量装置

技术领域

本实用新型涉及高速振动物体的绝对位移量测量的一种非接触光学测量装置，主要用于物体在一个方向上的振动引起的位移量的非接触的高速及高精度的实时直接测量。

背景技术

物体的振动是一种常见的运动方式，在很多情况下需要对其振动的幅度及频度进行测量以了解运动产生的影响。有关振动及其位移的测量有多种方法，基本属于接触式的，会受到各个方面的一些影响，也会对被测量对象产生不同程度的影响或干扰，如常见的基于加速度计原理的测量装置，它需要将加速度测量探头粘贴在被测对象上，属于接触式测量方式，并且位移的测量不是直接和绝对的，而是对测量到的加速度进行两次积分而得到的，具有相对值测量的特征，在应用方面受到一定的限制；在采用磁场测量原理的系统中，也存在需要将探测器安放在被测物体上的问题；在另外一些采用光学测量方式的技术中，虽然测量系统可以不与被测物体接触，但多采用了复杂而昂贵的成像系统，位置定标及数据处理方法复杂，数据处理量很大，导致工作频率较低，最多达到每秒二、三十帧的水平，虽然处理数据精度较高，但还是无法满足高速振动的测量要求；还有如采用激光干涉原理的测量技术，但存在测量有效距离、测量装置安装限制、测量环境要求高等问题。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种非接触式振动绝对位移的快速光学直接测量装置。

本实用新型的非接触式振动绝对位移的快速光学直接测量装置，所述的测量装置中的光源发出的光线经透镜产生一个圆柱型平行光束，平行光束经光束成型器的限制而形成需要的长度及宽度合适的矩形平行光束，矩形平行光束分别照射在被测量物体和线阵CCD探测器上，线阵CCD探测器将获得特征位置的电信号输送到测量系统及信号处理系统进行处理，处理结果再送到计算机处理。

本实用新型解决其技术问题的原理是：首先，使用平行光管产生平行光，一种简单有效的具体的技术路线是在单凸透镜的焦平面上放置一个照明光源，这样可以在透镜的输出一方产生一束平行光，根据测量的具体情况选择合适的镜头以产生一个满足口径及形状要求的平行光束，并将其照射到被测的振动物体的边沿部分上，使其形成具有亮暗界面的挡光效果。其次，在光束投射方向上合适的位置安放线阵CCD探测器，并使被挡住了一部分的光束照射在线阵CCD探测器上，同时确保光束的特征位置——亮暗界面在CCD探测器上合适的位置处以保证可测量振动范围的最大化。第三，利用大规模可编程集成电路构建了专门的CCD探测器的复杂驱动电路、配套的数字逻辑电路、与单片机的接口电路等，在CCD的驱动方面，为了配合后继的信号处理要求，设计了一个与有效像元同步的计数输出脉冲产生电路以标识有效信号；同时完成了CCD探测器输出信号的处理电路研究，再利用完全的硬件电路快速地实现了两个功能：第一个关键功能是利用微分电路、高精度的带窗口比较器等先将CCD输出的代表光束位置的模拟信号可靠地转变为数字信号，以便于后继的数字电路进行处理，完成将特征位置信息转换为可以进行时间信息进行计数测量的信号转换功能；第二个功能是结合前面所述的有效像元计数输出脉冲以及特征位置信息等，设计了一个专门的计数器及接口电路，完成了获取特征位置对应的时间信息的计数值，并只需简单地利用单片机对该计数值进行读取就可以获得特征位置信息，由于硬件电路工作的高速度，可以达到高速测量的目的。当物体振动时，特征位置的变化代表了振动的位移量，测量到特征位置就等于测量到振动的位移了。

本实用新型采用完全的硬件处理线路，通过将位置信息转换为时间信息进行计数测量的方式首先实现了一种快速的线状光线中心位置或带状光束边沿位置的精密检测，再利用单片机系统获取位置读数数据，达到高速的测量目的。该系统利用平行光照射物体，因光线不能穿透物体的特性，在物体阻挡和未阻挡区域形成无光线与有光线的界面，由于平行光的特性使得该界面的位置代表了物体的位置，因此测量到该界面的位置变化也就是测量到了物体运动的位置变化，利用上述硬件处理线路对该界面进行测量就可以获得物体的位移，如果物体在振动或运动，就可以测量到物体振动的幅度及频度。由于光源及探测器安装可以远离被测量物体，不会对其产生不良影响。

本实用新型的有益效果是，利用平行光的特点获取振动物体边沿的振动位移影像，解决了物体振动幅度或振动过程与探测器获得的特征位置信息一一对应的问题，使探测器获得的位置信息完全真实地反映了物体振动的情况，并满足了非接触测量的要求，由于平行光的特点，又使测量装置可以满足较远距离的非接触测量要求。本实用新型的关键点是采用线阵CCD探测器进行信息的获取及采用大规模集成电路进行数字信号的处理，提高了测量系统的集成度，降低了系统的规模，同时提高了相关信息处理的速度，解决了两个主要问题：可以方便地将光信息转换为便于处理的电信息、及利用线阵CCD的驱动信号便于针对性地实现进行对位置信息的测量到时间信息的测量的转换功能。达到的效果则是因为直接的硬件进行信息处理而获得了快速的测量速度，并在高精度的情况下可以满足较大的测量范围，而根据CCD的不同，可以在数百微妙到十毫秒的时间内完成一次测量，测量的范围可以达到数厘米。

附图说明

图1是本实用新型的测量装置的总体结构示意图；

图2是照射光束形成及布局示意图；

图3是测量装置系统的信号处理原理示意图；

图4是测量装置系统处理信号的波形原理示意图；

图5是测量装置系统提高了稳定性的窗口判断原理示意图；

图中：1.光源    2.透镜     3.光束成型器     4.平行光束     5.被测量物体     6.线阵CCD探测器     7.测量系统及信号处理系统     8.计算机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

图1中，本实用新型的测量装置中的光源1发出的光线经透镜2产生一个圆柱型平行光束4，平行光束4经光束成型器3的限制而形成需要的长度及宽度合适的矩形平行光束，矩形平行光束分别照射在被测量物体5和线阵CCD探测器6上，线阵CCD探测器6将获得特征位置的电信号输送到测量系统及信号处理系统7进行处理，处理结果再送到计算机8处理。

由于使用了平行光束，被物体挡住的光束中形成的明暗界面就对应了物体的边沿位置，称之为特征位置。

合适的特征位置信息光束的产生，将图1中的光源1、光源透镜2、光束成型器3与线阵CCD探测器6安装在合适位置处固定的支架上，并进行调整以确保在物体处于静止状态时形成的包含特征位置信息的光束的一半照射在线阵CCD探测器上，简单地讲，让光束的亮暗界面处尽量处于线阵CCD探测器的中间位置以便可以获得最大振动幅度的测量范围，如图2所示。

非接触式振动绝对位移的快速光学直接测量的实现：测量分为两个部分。首先，获得包含特征位置信息光信号对应的电信号，这个过程由线阵CCD探测器及相关的信号处理电路完成。线阵CCD探测器6上光电转换单元可以将照射在其上的光信号转换为模拟的电信号并输出，电信号的幅度与照射在其上的光信号强弱一一对应，因此可以形成对应形状的图像信号（亮暗光束图形形成的电信号实际上就是亮暗的图像信号，有光的地方对应为亮信号，电信号幅度就较大，反之，为暗信号，电信号幅度就非常小，甚至为本底信号水平）；由于CCD工作时需要大量的数字信号进行驱动，其输出信号中含有大量的噪声，对后面的信号处理极为不利（尤其是微分电路对噪声较敏感），故通过低通滤波器对输出信号中的噪声进行滤除，这样就获得了信噪比比较好的可以用于后继精密处理的电信号。其次，经过滤波后的信号再作两次微分运算及带窗口的高精密的过零比较电路的处理，就可以获得对应到特征位置信息的电路脉冲数字信号，这样就实现了将位置信息测量转换为时间信息测量的最关键的一步，将对特征位置信息的测量转换为对时间信息的测量是本实用新型专利的技术路线的关键点；再由计数电路对特征位置脉冲信号相对于线阵CCD的转移脉冲（作为计数基准）信号间的时间进行计数，再扣除线阵CCD前部的哑元输出时间的计数值（该值固定），就可以获得特征位置在CCD输出信号中的实际位置（时间宽度），这样，再通过计数频率、线阵CCD探测器探测单元的尺寸的换算即可获得特征位置在线阵探测器CCD表面上的实际空间位置，从而实现位置的非接触的光学测量。由于计数频率、探测器单元尺寸等是事先设置好的，因此，换算过程是快速的。为了进一步简化上述哑元输出时间的扣除工作，直接在大规模电路中设计了一个与有效像元同步的计数输出脉冲产生电路以标识有效信号，使得形成的计数时间脉宽就是特征位置对应的计数时间，如图4所示，计时脉冲的上升沿就是第一个探测单元位置对应的时刻，其后的脉宽就是特征位置对应的计时时间，简化了处理工作。由于所有的信号处理采用了全硬件的电路进行，因此处理速度极快，确保了测量系统获得快速测量的前提条件；线阵探测器CCD的工作频率一般为1ms～5ms一个周期，这样的CCD对应的振动测量范围可达30mm～50mm，这个频率对于大多数的振动测量而言属于较快的速度了，如果振动幅度明确较小，还可以选择测量范围小一些的CCD，还可以进一步提高测量速度。

图3显示了测量系统中信号的处理流程的原理框图。

图4则显示了将特征位置信息测量转换为对时间信息进行测量的关键环节处的处理波形示意图。

提高测量精度的措施：

线阵CCD的工作时钟如果为1MHz，意味着CCD一个像元输出信号的时间为1μs，对应着一个CCD像元的空间宽度，例如7μm(TCD1501)。如果计数时钟也选择为1MHz，则一个计数误差对应的空间位置误差为7μm。由于CCD驱动信号产生电路的工作主频为10MHz，并且CCD所有驱动信号脉冲均与此振荡频率同步，如果采用此10MHz作为时间宽度的计数频率，不仅可以很好地与CCD行转移脉冲同步，而且明显地提高了计数的频率，如果配合信号处理电路的水平，可以达到提高计数精度的目的，从而达到提高测量精度的目的，如亚像元尺寸。另一方面，还可以采用像元尺寸更小的线阵CCD探测器来提高测量精度。如果位置检测的速度要求不是特别高，那么还可以通过采集多次（如20次）测量结果进行平均的方法来提高测量的稳定度及精度。

提高过零比较处理的可靠性措施：

微分信号的过零判断是获得位置特征信息的关键处理步骤，其性能对位置特征信息的获取及测量精度几乎起到了决定的作用，因此必须精心设计和调试。在微分信号中远离特征位置的大部分区域的信号实际上都在零电平附近，附加在信号上的大量噪声（或者电平起伏）会使得过零判断处理出现大量的错误操作而无法获得正确的位置特征信息，最终造成位置检测失败。图5显示了这种情况的示意，图中故意夸大了信号中电平的起伏以便说明上述论断，大量的调试实验研究证实了这种情况。为了避免这种情况的出现，提高位置检测的正确率，在过零判断处理电路里还需要增加一种阈值窗口限定位置判断的功能。其具体实施方法如下：首先，微分信号中对应到特征位置处的信号幅度是比较大的，与其它地方的信号幅度有明显差别，可以根据输入光束形状及其处理后的特征位置对应电信号的形状、信号幅度设置一定的比较阈值先建立一个判断窗口将需要进行过零判断的狭窄特征位置区域独立划分出来，并且注意不要包含其它可能的过零点；其次，仅在此窗口内进行真实位置的过零判断，获得唯一一个特征位置输出信号。由于在此判断窗口内，信号的变化有两个特点：首先是单向的，其次信号的变化幅度是比较大的，可以容易地消除其它过零点的影响而获得唯一的位置特征信号，该信号可以直接用于计数电路。在计数器中，将CCD的行转移信号作为计数启动信号，而将上述位置特征信号作为计数终止信号，期间计数器的计数值可以作为特征位置对应的时间信息，如果扣除CCD前期的哑元像素对应的计数，则可以获得特征位置光束在CCD表面上的真实位置对应的计数值，通过换算即可获得实际位置的数据，最终获得物体振动的位移量或位置变化情况。

Claims (1)

1.一种非接触式振动绝对位移的快速光学直接测量装置，其特征在于：所述的测量装置中的光源（1）发出的光线经透镜（2）产生一个圆柱型平行光束（4），平行光束（4）经光束成型器（3）的限制而形成矩形平行光束，矩形平行光束分别照射在被测量物体（5）和线阵CCD探测器（6）上，线阵CCD探测器（6）将获得特征位置的电信号输送到测量系统及信号处理系统（7）进行处理，处理结果再送到计算机（8）处理。