[發明專利]一種非接觸式振動絕對位移的快速光學直接測量裝置

在審

• 申請號: 201410173537.8
• 申請日: 2014-04-28
• 公開（公告）號: CN103940502A
• 公開（公告）日: 2014-07-23
• 發明（設計）人: 江孝國;王遠;李洪;石金水;李勁
• 申請（專利權）人: 中國工程物理研究院流體物理研究所
• 主分類號: G01H9/00
• 分類號: G01H9/00
• 代理公司: 中國工程物理研究院專利中心 51210
• 代理人: 翟長明;韓志英

技術領域

本發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

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生的影響。有關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，在應用方面受到一定的限制；在采用磁場測量原理的系統中，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中，雖然測量系統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，位置定標及數據處理方法復雜，數據處理量很大，導致工作頻率較低，最多達到每秒二、三十幀的水平，雖然處理數據精度較高，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，但存在測量有效距離、測量裝置安裝限制、測量環境要求高等問題。

發明內容

本發明要解決的技術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。

本發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出的光線經透鏡產生一個圓柱型平行光束，平行光束經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及信號處理系統進行處理，處理結果再送到計算機處理。

本發明解決其技術問題的原理是：首先，使用平行光管產生平行光，一種簡單有效的具體的技術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生一束平行光，根據測量的具體情況選擇合適的鏡頭以產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——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，利用大規模可編程集成電路構建了專門的CCD探測器的復雜驅動電路、配套的數字邏輯電路、與單片機的接口電路等，在CCD的驅動方面，為了配合后繼的信號處理要求，設計了一個與有效像元同步的計數輸出脈沖產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了兩個功能：第一個關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變為數字信號，以便于后繼的數字電路進行處理，完成將特征位置信息轉換為可以進行時間信息進行計數測量的信號轉換功能；第二個功能是結合前面所述的有效像元計數輸出脈沖以及特征位置信息等，設計了一個專門的計數器及接口電路，完成了獲取特征位置對應的時間信息的計數值，并只需簡單地利用單片機對該計數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。

本發明采用完全的硬件處理線路，通過將位置信息轉換為時間信息進行計數測量的方式首先實現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，再利用單片機系統獲取位置讀數數據，達到高速的測量目的。該系統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，不會對其產生不良影響。