本实用新型专利技术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。本实用新型专利技术的测量装置结构简单，可靠性高。
【技术实现步骤摘要】
一种非接触式振动绝对位移的快速光学直接测量装置
本技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本技术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。 本技术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。 本技术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。 本技术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。 本技术的有益效果是，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。本技术的关键 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是本技术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(XD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技术作进一步说明。 图1中，本技术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C⑶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C⑶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 对应，因此可以形成对应 形状的图像信号(亮本文档来自技高网...
【技术保护点】
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。
【技术特征摘要】
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...
【专利技术属性】
技术研发人员：江孝国，王远，李洪，石金水，李劲，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院流体物理研究所，
类型：新型
国别省市：四川;51
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