一種非接觸式振動絕對位移的快速光學直接測量裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種非接觸式振動絕對位移的快速光學直接測量裝置，所述的測量裝置中的光源發(fā)出的光線經(jīng)透鏡產(chǎn)生一個圓柱型平行光束，平行光束經(jīng)光束成型器的限制而形成需要的長度及寬度合適的矩形平行光束，矩形平行光束分別照射在被測量物體和線陣CCD探測器上，線陣CCD探測器將獲得特征位置的電信號輸送到測量系統(tǒng)及信號處理系統(tǒng)進行處理，處理結(jié)果再送到計算機處理。本發(fā)明的測量裝置結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高。
【專利說明】一種非接觸式振動絕對位移的快速光學直接測量裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及高速振動物體的絕對位移量測量的一種非接觸光學測量裝置，主要用于物體在一個方向上的振動引起的位移量的非接觸的高速及高精度的實時直接測量。
【背景技術(shù)】
[0002]物體的振動是一種常見的運動方式，在很多情況下需要對其振動的幅度及頻度進行測量以了解運動產(chǎn)生的影響。有關(guān)振動及其位移的測量有多種方法，基本屬于接觸式的，會受到各個方面的一些影響，也會對被測量對象產(chǎn)生不同程度的影響或干擾，如常見的基于加速度計原理的測量裝置，它需要將加速度測量探頭粘貼在被測對象上，屬于接觸式測量方式，并且位移的測量不是直接和絕對的，而是對測量到的加速度進行兩次積分而得到的，具有相對值測量的特征，在應(yīng)用方面受到一定的限制；在采用磁場測量原理的系統(tǒng)中，也存在需要將探測器安放在被測物體上的問題；在另外一些采用光學測量方式的技術(shù)中，雖然測量系統(tǒng)可以不與被測物體接觸，但多采用了復雜而昂貴的成像系統(tǒng)，位置定標及數(shù)據(jù)處理方法復雜，數(shù)據(jù)處理量很大，導致工作頻率較低，最多達到每秒二、三十幀的水平，雖然處理數(shù)據(jù)精度較高，但還是無法滿足高速振動的測量要求；還有如采用激光干涉原理的測量技術(shù)，但存在測量有效距離、測量裝置安裝限制、測量環(huán)境要求高等問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種非接觸式振動絕對位移的快速光學直接測
量裝置。
[0004]本發(fā)明的非接觸式振動絕對位移的快速光學直接測量裝置，所述的測量裝置中的光源發(fā)出的光線經(jīng)透鏡產(chǎn)生一個圓柱型平行光束，平行光束經(jīng)光束成型器的限制而形成需要的長度及寬度合適的矩形平行光束，矩形平行光束分別照射在被測量物體和線陣CCD探測器上，線陣CCD探測器將獲得特征位置的電信號輸送到測量系統(tǒng)及信號處理系統(tǒng)進行處理，處理結(jié)果再送到計算機處理。
[0005]本發(fā)明解決其技術(shù)問題的原理是:首先，使用平行光管產(chǎn)生平行光，一種簡單有效的具體的技術(shù)路線是在單凸透鏡的焦平面上放置一個照明光源，這樣可以在透鏡的輸出一方產(chǎn)生一束平行光，根據(jù)測量的具體情況選擇合適的鏡頭以產(chǎn)生一個滿足口徑及形狀要求的平行光束，并將其照射到被測的振動物體的邊沿部分上，使其形成具有亮暗界面的擋光效果。其次，在光束投射方向上合適的位置安放線陣CCD探測器，并使被擋住了一部分的光束照射在線陣CCD探測器上，同時確保光束的特征位置一亮暗界面在CCD探測器上合適的位置處以保證可測量振動范圍的最大化。第三，利用大規(guī)?？删幊碳呻娐窐?gòu)建了專門的CCD探測器的復雜驅(qū)動電路、配套的數(shù)字邏輯電路、與單片機的接口電路等，在CCD的驅(qū)動方面，為了配合后繼的信號處理要求，設(shè)計了一個與有效像元同步的計數(shù)輸出脈沖產(chǎn)生電路以標識有效信號；同時完成了 CCD探測器輸出信號的處理電路研究，再利用完全的硬件電路快速地實現(xiàn)了兩個功能:第一個關(guān)鍵功能是利用微分電路、高精度的帶窗口比較器等先將CCD輸出的代表光束位置的模擬信號可靠地轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，以便于后繼的數(shù)字電路進行處理，完成將特征位置信息轉(zhuǎn)換為可以進行時間信息進行計數(shù)測量的信號轉(zhuǎn)換功能；第二個功能是結(jié)合前面所述的有效像元計數(shù)輸出脈沖以及特征位置信息等，設(shè)計了一個專門的計數(shù)器及接口電路，完成了獲取特征位置對應(yīng)的時間信息的計數(shù)值，并只需簡單地利用單片機對該計數(shù)值進行讀取就可以獲得特征位置信息，由于硬件電路工作的高速度，可以達到高速測量的目的。當物體振動時，特征位置的變化代表了振動的位移量，測量到特征位置就等于測量到振動的位移了。
[0006]本發(fā)明采用完全的硬件處理線路，通過將位置信息轉(zhuǎn)換為時間信息進行計數(shù)測量的方式首先實現(xiàn)了一種快速的線狀光線中心位置或帶狀光束邊沿位置的精密檢測，再利用單片機系統(tǒng)獲取位置讀數(shù)數(shù)據(jù)，達到高速的測量目的。該系統(tǒng)利用平行光照射物體，因光線不能穿透物體的特性，在物體阻擋和未阻擋區(qū)域形成無光線與有光線的界面，由于平行光的特性使得該界面的位置代表了物體的位置，因此測量到該界面的位置變化也就是測量到了物體運動的位置變化，利用上述硬件處理線路對該界面進行測量就可以獲得物體的位移，如果物體在振動或運動，就可以測量到物體振動的幅度及頻度。由于光源及探測器安裝可以遠離被測量物體，不會對其產(chǎn)生不良影響。
[0007]本發(fā)明的有益效果是，利用平行光的特點獲取振動物體邊沿的振動位移影像，解決了物體振動幅度或振動過程與探測器獲得的特征位置信息一一對應(yīng)的問題，使探測器獲得的位置信息完全真實地反映了物體振動的情況，并滿足了非接觸測量的要求，由于平行光的特點，又使測量裝置可以滿足較遠距離的非接觸測量要求。本發(fā)明的關(guān)鍵點是采用線陣CCD探測器進行信息的獲取及采用大規(guī)模集成電路進行數(shù)字信號的處理，提高了測量系統(tǒng)的集成度，降低了系統(tǒng)的規(guī)模，同時提高了相關(guān)信息處理的速度，解決了兩個主要問題:可以方便地將光信息轉(zhuǎn)換為便于處理的電信息、及利用線陣CCD的驅(qū)動信號便于針對性地實現(xiàn)進行對位置信息的測量到時間信息的測量的轉(zhuǎn)換功能。達到的效果則是因為直接的硬件進行信息處理而獲得了快速的測量速度，并在高精度的情況下可以滿足較大的測量范圍，而根據(jù)CCD的不同，可以在數(shù)百微妙到十毫秒的時間內(nèi)完成一次測量，測量的范圍可以達到數(shù)厘米。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]圖1是本發(fā)明的測量裝置的總體結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是照射光束形成及布局不意圖；
圖3是測量裝置系統(tǒng)的信號處理原理示意圖；
圖4是測量裝置系統(tǒng)處理信號的波形原理示意圖；
圖5是測量裝置系統(tǒng)提高了穩(wěn)定性的窗口判斷原理示意圖；
圖中:1.光源 2.透鏡 3.光束成型器 4.平行光束 5.被測量物體
6.線陣CXD探測器 7.測量系統(tǒng)及信號處理系統(tǒng) 8.計算機。
【具體實施方式】
[0009]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0010]圖1中，本發(fā)明的測量裝置中的光源I發(fā)出的光線經(jīng)透鏡2產(chǎn)生一個圓柱型平行光束4，平行光束4經(jīng)光束成型器3的限制而形成需要的長度及寬度合適的矩形平行光束，矩形平行光束分別照射在被測量物體5和線陣CCD探測器6上，線陣CCD探測器6將獲得特征位置的電信號輸送到測量系統(tǒng)及信號處理系統(tǒng)7進行處理，處理結(jié)果再送到計算機8處理。
[0011]由于使用了平行光束，被物體擋住的光束中形成的明暗界面就對應(yīng)了物體的邊沿位置，稱之為特征位置。
[0012]合適的特征位置信息光束的產(chǎn)生，將圖1中的光源1、光源透鏡2、光束成型器3與線陣CCD探測器6安裝在合適位置處固定的支架上，并進行調(diào)整以確保在物體處于靜止狀態(tài)時形成的包含特征位置信息的光束的一半照射在線陣CXD探測器上，簡單地講，讓光束的亮暗界面處盡量處于線陣CCD探測器的中間位置以便可以獲得最大振動幅度的測量范圍，如圖2所示。
[0013]非接觸式振動絕對位移的快速光學直接測量的實現(xiàn):測量分為兩個部分。首先，獲得包含特征位置信息光信號對應(yīng)的電信號，這個過程由線陣CCD探測器及相關(guān)的信號處理電路完成。線陣CCD探測器6上光電轉(zhuǎn)換單元可以將照射在其上的光信號轉(zhuǎn)換為模擬的電信號并輸出，電信號的幅度與照射在其上的光信號強弱 對應(yīng)，因此可以形成對應(yīng)形狀的圖像信號(亮暗光束圖形形成的電信號實際上就是亮暗的圖像信號，有光的地方對應(yīng)為亮信號，電信號幅度就較大，反之，為暗信號，電信號幅度就非常小，甚至為本底信號水平);由于CCD工作時需要大量的數(shù)字信號進行驅(qū)動，其輸出信號中含有大量的噪聲，對后面的信號處理極為不利(尤其是微分電路對噪聲較敏感)，故通過低通濾波器對輸出信號中的噪聲進行濾除，這樣就獲得了信噪比比較好的可以用于后繼精密處理的電信號。其次，經(jīng)過濾波后的信號再作兩次微分運算及帶窗口的高精密的過零比較電路的處理，就可以獲得對應(yīng)到特征位置信息的電路脈沖數(shù)字信號，這樣就實現(xiàn)了將位置信息測量轉(zhuǎn)換為時間信息測量的最關(guān)鍵的一步，將對特征位置信息的測量轉(zhuǎn)換為對時間信息的測量是本發(fā)明專利的技術(shù)路線的關(guān)鍵點；再由計數(shù)電路對特征位置脈沖信號相對于線陣CCD的轉(zhuǎn)移脈沖(作為計數(shù)基準)信號間的時間進行計數(shù)，再扣除線陣CCD前部的啞元輸出時間的計數(shù)值(該值固定)，就可以獲得特征位置在CCD輸出信號中的實際位置(時間寬度)，這樣，再通過計數(shù)頻率、線陣CCD探測器探測單元的尺寸的換算即可獲得特征位置在線陣探測器CCD表面上的實際空間位置，從而實現(xiàn)位置的非接觸的光學測量。由于計數(shù)頻率、探測器單元尺寸等是事先設(shè)置好的，因此，換算過程是快速的。為了進一步簡化上述啞元輸出時間的扣除工作，直接在大規(guī)模電路中設(shè)計了一個與有效像元同步的計數(shù)輸出脈沖產(chǎn)生電路以標識有效信號，使得形成的計數(shù)時間脈寬就是特征位置對應(yīng)的計數(shù)時間，如圖4所示，計時脈沖的上升沿就是第一個探測單元位置對應(yīng)的時刻，其后的脈寬就是特征位置對應(yīng)的計時時間，簡化了處理工作。由于所有的信號處理采用了全硬件的電路進行，因此處理速度極快，確保了測量系統(tǒng)獲得快速測量的前提條件；線陣探測器CCD的工作頻率一般為Ims?5ms —個周期，這樣的CCD對應(yīng)的振動測量范圍可達30mm?50mm，這個頻率對于大多數(shù)的振動測量而言屬于較快的速度了，如果振動幅度明確較小，還可以選擇測量范圍小一些的CCD，還可以進一步提高測量速度。
[0014]圖3顯示了測量系統(tǒng)中信號的處理流程的原理框圖。
[0015]圖4則顯示了將特征位置信息測量轉(zhuǎn)換為對時間信息進行測量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)處的處理波形示意圖。
[0016]提聞測量精度的措施:
線陣CXD的工作時鐘如果為1MHz，意味著CXD —個像元輸出信號的時間為I μ s，對應(yīng)著一個CXD像元的空間寬度，例如7 μ mCTCD1501)。如果計數(shù)時鐘也選擇為1MHz，則一個計數(shù)誤差對應(yīng)的空間位置誤差為7 μ m。由于CXD驅(qū)動信號產(chǎn)生電路的工作主頻為10MHz，并且CCD所有驅(qū)動信號脈沖均與此振蕩頻率同步，如果采用此IOMHz作為時間寬度的計數(shù)頻率，不僅可以很好地與CCD行轉(zhuǎn)移脈沖同步，而且明顯地提高了計數(shù)的頻率，如果配合信號處理電路的水平，可以達到提高計數(shù)精度的目的，從而達到提高測量精度的目的，如亞像元尺寸。另一方面，還可以采用像元尺寸更小的線陣CCD探測器來提高測量精度。如果位置檢測的速度要求不是特別高，那么還可以通過采集多次(如20次)測量結(jié)果進行平均的方法來提高測量的穩(wěn)定度及精度。
[0017]提高過零比較處理的可靠性措施:
微分信號的過零判斷是獲得位置特征信息的關(guān)鍵處理步驟，其性能對位置特征信息的獲取及測量精度幾乎起到了決定的作用，因此必須精心設(shè)計和調(diào)試。在微分信號中遠離特征位置的大部分區(qū)域的信號實際上都在零電平附近，附加在信號上的大量噪聲(或者電平起伏)會使得過零判斷處理出現(xiàn)大量的錯誤操作而無法獲得正確的位置特征信息，最終造成位置檢測失敗。圖5顯示了這種情況的示意，圖中故意夸大了信號中電平的起伏以便說明上述論斷，大量的調(diào)試實驗研究證實了這種情況。為了避免這種情況的出現(xiàn)，提高位置檢測的正確率，在過零判斷處理電路里還需要增加一種閾值窗口限定位置判斷的功能。其具體實施方法如下:首先，微分信號中對應(yīng)到特征位置處的信號幅度是比較大的，與其它地方的信號幅度有明顯差別，可以根據(jù)輸入光束形狀及其處理后的特征位置對應(yīng)電信號的形狀、信號幅度設(shè)置一定的比較閾值先建立一個判斷窗口將需要進行過零判斷的狹窄特征位置區(qū)域獨立劃分出來，并且注意不要包含其它可能的過零點；其次，僅在此窗口內(nèi)進行真實位置的過零判斷，獲得唯一一個特征位置輸出信號。由于在此判斷窗口內(nèi)，信號的變化有兩個特點:首先是單向的，其次信號的變化幅度是比較大的，可以容易地消除其它過零點的影響而獲得唯一的位置特征信號，該信號可以直接用于計數(shù)電路。在計數(shù)器中，將CCD的行轉(zhuǎn)移信號作為計數(shù)啟動信號，而將上述位置特征信號作為計數(shù)終止信號，期間計數(shù)器的計數(shù)值可以作為特征位置對應(yīng)的時間信息，如果扣除CCD前期的啞元像素對應(yīng)的計數(shù)，則可以獲得特征位置光束在CCD表面上的真實位置對應(yīng)的計數(shù)值，通過換算即可獲得實際位置的數(shù)據(jù)，最終獲得物體振動的位移量或位置變化情況。
【權(quán)利要求】
1.一種非接觸式振動絕對位移的快速光學直接測量裝置，其特征在于:所述的測量裝置中的光源(I)發(fā)出的光線經(jīng)透鏡(2)產(chǎn)生一個圓柱型平行光束(4)，平行光束(4)經(jīng)光束成型器(3)的限制而形成矩形平行光束，矩形平行光束分別照射在被測量物體(5)和線陣CXD探測器(6)上，線陣CXD探測器(6)將獲得特征位置的電信號輸送到測量系統(tǒng)及信號處理系統(tǒng)(7)進行處理，處理結(jié)果再送到計算機(8)處理。
【文檔編號】G01H9/00GK103940502SQ201410173537
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年4月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月28日
【發(fā)明者】江孝國, 王遠, 李洪, 石金水, 李勁 申請人:中國工程物理研究院流體物理研究所