摆动物体的运动参数动态测量方法及测量系统技术方案

本发明专利技术是一种摆动物体的运动参数动态测量方法及测量系统，采用多路同步工作的光电传感器，测出设置在摆动物体上各光标相对于各自原始位置在物体摆动时的线位移值和沿摆轴的轴向位移，经光电信号转换和处理后，微机按一定的数学模型计算，并对计算出的参数进行误差实时校正。消除了由于摆心浮动和物体绕摆轴旋转对测量的影响，提高了测量的精度和实时性，本发明专利技术还可作为检测单元参加导弹控制系统的仿真试验和检验其设计的正确性。（*该技术在2010年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是一种摆动物体的运动参数动态测量方法及装置，涉及到摆心浮动的摆动物体双向摆角及摆心位移的动态实时测量方法及测量系统。适用于测量导弹喷管运动的动态参数。已有技术中，对摆心浮动的摆动物体的运动参数测量，尤其是对采用了柔性喷管的大型固体导弹、航天飞机的喷管摆角的测量，一般都采用与被测物有机械连接的接触式测量方法进行。国外广泛应用交流反馈传感器(差动变压器LVDT)，固定在伺服系统的动作器上作为伺服回路的检测单元，输出一个与伺服机构作动筒位移成正比的信号来测量喷管的摆角，如美国北极星导弹A3一级发动机伺服控制系统的检测单元。国内是采用接触式电位计或机械式位移传感器固定于伺服机构上来测量喷管摆角。这类接触式的测量方法和装置，存在着以下不足之处1、测量精度低。一般电位计或差动变压器、机械位移传感器的自身精度低，参数一致性差，影响测量精度因素多，系统精度一般只能保证在0.5%～1%。2、无法真实地测量被测参数。由于这类系统传感器均固定在伺服机构上，随伺服机构作动筒运动而运动，或者与喷管相连，随喷管摆动而运动，所以工作中因加载或高频振动引起的各种机械部件瞬时变形，导致的摆角变化，这些传感器是无法测出的。3、难以测量被测量的高频部分。因为是机械连接，运动中，由于摩擦、机械构件的惯量等使测量系统的响应频率降低，故难以对被测物的高频部分敏感和测量。4、用电位计的测量系统，因传感器数量较多，数学模型复杂，运算繁锁，因而测量的实时性受到限制，而且只能输出模拟信号。本专利技术的目的在于避免上述现有技术的不足，而提供一种对摆心浮动的物体运动参数的动态非接触测量方法，以及利用该方法的实时测量系统。本专利技术的技术方案是采用线位移差测量原理，以大地座标系为基准，以摆动物体的摆动轴线原始位置为测量原点，采用多路同步工作的高速线阵CCD光电传感器，测出设置在摆动物体上各靶板上光标相对于各自原始位置在物体摆动时的线位移差值，以及光标沿摆轴的轴向线位移值(如图1所示)，经过光电信号转换与数字信号处理后，送入微机按一定的数学模型进行运算，并对计算出的参数进行误差实时校正，得到所测的摆动物体运动参数的实时测量数据。本专利技术测量系统的技术方案如下测量系统由设置于摆动物体上的靶板和两个光电测量头、电气转接站及运算控制台组成。各路CCD光学测量头(Xn、Yn、Z)和各自的驱动电路，安装在光电测量头内。CCD光学测量头输出信号处理电路中，采用了匹配饱和放大电路及浮动阀值电平二值化处理电路，在整个系统中，采用统一时钟控制多路信号提取电路，保证多路信号同步采样，同时采用系统可变测量零点，确保测量精度。各路电路的输出、数据采集、传送和处理由计算机控制。 附图说明图1为本专利技术的测量原理2为本专利技术测量系统方框3为本专利技术光电测量头结构4为本专利技术信号处理电路方框图。本专利技术下面将结合实施例作进一步详进下面是本专利技术用于测量固体发动机柔性喷管的摆角、摆心位移参数实时测量的一个实施方案。如图2所示采用五路同步工作的CCD光学测量头4，以大地座标系为基准，检测出设置在喷管1′壁上的靶标1及光标2绕喷管X、Y轴转动和沿Z轴方向运动时的相对线位移量，经光电转换与数字信号处理后，送入微机计算出喷管1′的瞬时摆角αX、αY和摆心在Z轴方向的位移量Z。微机根据系统设置的基准参数，对αX、αY、Z进行实时校正，以减少系统测量误差，最后输出实测摆角及摆心位移的数据。其测量系统由两个光电探测头3、电气转站9，运算控制台16、靶板1组成，各部分之间通过多芯电缆进行信号连接。如图2所示喷管1′上设置有两个靶板1，两个靶板1上共有五条有一定间隔的光标2及2′，与光标2及2′相对应的五个CCD光学测量头4(X14、X24、Y14、Y24、Z)和驱动电路5(X15、X25、Y15、Y25、Z5)，分别安装在两个光电测量头X3、Y3内，一个光电测量头X3中有三个CCD光学测量头X14、X24、Z4(如图3所示)，另一个光电测量头Y3中有两个CCD光学测量头Y14、Y24，并且CCD都置于各自光学系统相应的焦面位置上。测量时，五路CCD光学测量头同步工作，各自以喷管1′靶板上的光标2及2′为目标，通过光电测量头3中的各路光学系统成象在各路的CCD象面上。CCD光电传感器将光学信号转换为电信号并实时转换输出，通过统一的时序脉冲的驱动控制，实现对各光标2及2′的光学信息的同步光电转换和信号读出，使两个光电测量头3(X3、Y3)，同时分别测出各个光标在喷管1′摆动时相对于测量中心的瞬时位移量X1、X2、Y1、Y2、Z、(如图1所示)。通过接口电路10把各路数据送入微机、计算出光标在X、Y、Z方向上相对于其原始位置测量中心的位移量和求出αX、αY、Z值，其计算公式为αX=tg-1(Kx(X1-X2))/(H) αy=tg-1(Ky(y1-y2))/(H) Z＝Kz·Z′考虑到测量中物距变化引起误差的校正及光学畸变的校正，αX、αY、Z的计算公式为αX=tg-1｛ 1/(H) ｛ (X＇1)/(F1) ［L1±(R1－rtg (αy)/2 )tgαy+ (L1)/(X1) △Xdis1］-(X＇2)/(F2) ［L2±(R2-rtg (αy)/2 )tgαy+ (L2)/(X2) △Xdis2］｝｝αy=tg-1｛ 1/(H) ｛ (y＇1)/(F1) ［L1±(R1－rtg (αy)/2 )tgαX+ (L1)/(y1) △ydis1］-(y＇2)/(F2) ［L2±(R2-rtg (αx)/2 )tgαX+ (L2)/(y2) △ydis2］｝｝Z= (Z＇)/(F3) ｛L3±［R(1-COSαy)+RZSecαXSinαy］｝-Rz(SecαX·COSαy-1)-RSinαy 其中Kx、Ky、Kz为光学系统放大率，F1、F2、F3为光学系统象距RZ、H、R1、R2、L1、L2、r为光电测头及喷管的几何参数的(见图1)X11、X12、Y11、Y12、Z1为光标象在CCD接收面上的实际位移△Xdls1、△Xdls2、△Ydls1、△Ydls2为光学系统畸变值。由于喷管1′做随机运动，使光学图象离焦，或者由于光标2及2′亮度变化，其象成为模糊象斑，而引起CCD光学测量头4的输出信号幅度和前后沿斜率发生变化，造成测量误差。为精确测出模糊象斑中心位量，如图4所示，信号处理电路6中采用了匹配饱和放大电路，得到信号幅度或信号前后沿斜率基本稳定的输出信号，采用浮动阀值电平二值化处理电路，将可调直流电平和随信号幅度变化的直流电平同时送至比较器作为二值化阀值电平，即可使阀值电平随信号幅度的变化而变化，又可消除电路直流漂移和物距变化对阀值电平的影响。整个电路系统中，采用统一时钟控制电路8。主时钟由20MHZ晶振产生，经多组分频与组合，产生系统工作所需的各种时序脉冲，分别送至各路CCD驱动电路5和信号处理电路，使系统在同一个时钟源的控制下同步工作。在对各路光标信号中心进行脉冲计数的计数电路中，以光积分控制脉冲的后沿作为计数的起始点，光标信号中心作为计数的终止点，计算机根据这些数据、计算出光标中心在测量座标系中的位置。系统的测量零位采用可变零位。在测量中每次测量时，由于被测目标很难精确回归测量座标原点，使下一次测本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种采用传感器测量摆动物体运动参数的动态测量方法，其特征在于以大地座标系为基准，以摆动物体的摆动轴线原始位置为测量原点，采用多路同步工作的线阵ＣＣＤ光电传感器，测出设置于摆动物体上的各路光标相对于各自原始位置在物体摆动时标线两点间的线位移差值，以及光标沿物体摆动轴面的向线位移值，经过光电信息转换及数字信号处理，送入微机按一定的数学模型进行运算，并对计算出的参数进行误差实时校正，从而得到所测的摆动物体运动参数的实时测量数据。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：朱耆祥，毛羽国，李永远，张凤鸣，
申请(专利权)人：中国科学院光电技术研究所，
类型：发明
国别省市：51[中国|四川]