基於線陣ccd的非接觸微小位移測量裝置及方法
2023-06-23 01:56:11
專利名稱：基於線陣ccd的非接觸微小位移測量裝置及方法
技術領域：
本發明涉及一種測量裝置及方法，一種實時監測待測量裝置微小位移或者形變量的裝置及方法，尤其涉及該測量裝置的數據採集系統和通道擴展技術。
背景技術：
位移和形變量的測量在表面測量、材料測量、精密機械測量等眾多應用領域起著越來越重要的作用。測量位移或者形變量，可以採用接觸式測量法和非接觸式測量法。傳統的接觸式測量方法有很多局限性，很難實現對微小位移量的高精度檢測；非接觸式的測量方法，具有裝置結構簡單、速度快、測量精度高、應用方便靈活等特點，目前應用廣泛。現有的非接觸式位移測量裝置大多數運用三角形的一些原理，使用雷射定位來獲取位移量的信息，而且只能支持單點的測量，數據也不便於遠距離傳輸。如申請號為 200820151430的專利申請「(XD雷射三角位移傳感器」，利用的是三角形的原理實現了對單點的位移測量。現在的非接觸式位移測量裝置中模數轉換、數據採集大多使用ADC晶片和專用數據採集電路，數據傳輸使用RS232總線，整個測量裝置不便於擴展，數據不能進行遠距離傳輸，如申請號為「200710092425」的專利申請「用於高速位移測量的CCD數據採集與處理裝置」，利用的就是上述電路。
發明內容
本發明的目的是提供一個實時測量並顯示，最大支持256個節點，可以設置測量參數，數據可以遠距離傳輸，基於線陣CCD的非接觸微小位移測量裝置及方法，其解決了現有方法和裝置的不便於擴展、不支持多站、測量數據不能進行遠距離傳輸等技術問題。本發明的技術解決方案是—種基於線陣CCD的非接觸微小位移測量裝置，其特殊之處是包括用於提供水平線雷射束的水平線雷射器、多路測量單元、通信模塊、計算機控制模塊；所述水平線雷射器固定放置，所述多路測量單元分布在待測量裝置上，所述測量單元包括依次連接的線陣 CCD、數據採集模塊、協議轉換模塊；所述多路測量單元的協議轉換模塊通過通信模塊與計算機控制模塊進行通信；所述線陣CCD用於敏感水平線雷射器發出的雷射；所述數據採集模塊包括依次連接的初級信號調理單元、中央處理單元和片外存儲單元；所用初級信號調理單元包括閾值調節器、數字電位器和可編程邏輯器件，所述數字電位器用於設定閾值調節器的閾值電壓，所述閾值調節器根據閾值電壓和線陣CCD輸出信號電壓比較結果輸出矩形脈衝串；所述可編程邏輯器件根據計算機控制模塊設定的數值，調節數字電位器的輸出電壓；所述片外存儲單元用於存儲測試得到的數據；所述中央處理單元為線陣CCD提供驅動脈衝、通過閾值調節器輸出的矩形脈衝串判斷水平線雷射在線陣CCD上的中心位置、控制片外存儲單元上的讀寫時序和實現硬體中值濾波。上述測量裝置還包括設置在線陣CXD前的濾光片。
上述數字電位器為256抽頭的數字電位器。上述協議轉換模塊包括RS485協議轉換晶片和微控制器；上述RS485協議轉換晶片實現RS485和RS232協議之間的轉換；上述微控制器將中央處理單元中得到的數據轉換為RS232協議並傳輸到RS485協議轉換晶片中，同時控制各線陣CCD之間的通信的時序以防止總線上的時序衝突；上述通信模塊包括傳輸電纜和USB協議轉換晶片，上述USB協議轉換晶片實現USB協議和RS485、RS232協議之間的相互轉換，並通過傳輸電纜與計算機控制模塊進行通信。一種基於線陣CCD的非接觸微小位移測量方法，包括以下步驟1)安裝測量裝置將整個測量裝置布置在要進行位移測量的環境中，其中水平線雷射器固定，多個線陣CCD布置在被測量裝置上，並處於可接收水平線雷射器發出的雷射的位置；2)在測量環境中進行本底閾值電壓標定先不打開水平線雷射器，將數字電位器的輸出電壓送至閾值調節器作為閾值調節器的閾值電壓，調節數字電位器的輸出電壓，使得閾值調節器的閾值電壓接近但不超過線陣CCD輸出的模擬電信號電壓，即不產生矩形脈衝串輸出，此時的數字電位器的輸出電壓即為本底閾值電壓；3)測量位移打開水平線雷射器，調節水平線雷射器的輸出強度，使之超過本底閾值電壓20%至100%，水平線雷射器發出的雷射照射在線陣CXD上，線陣CXD感光像元在驅動脈衝作用下輸出模擬電脈衝信號，當輸出信號電壓超過設定的本底閾值電壓時，閾值比較器輸出矩形脈衝串，矩形脈衝的個數取決於本底閾值電壓和線陣CCD輸出信號電壓在閾值調節器中的比較結果；4)數據實時處理矩形脈衝串輸出到中央處理單元中，中央處理單元經過處理， 得到矩形脈衝串的中心位置，中央處理單元將此位置作為與之對應的線陣CCD在此時的相對位置，並將此相對位置的信息傳輸到片外存儲單元中存儲；當下一個矩形脈衝串到來時， 同理又可以得到一個該線陣CCD的相對位置並存儲之，兩者比較，得到該線陣CCD在兩個時刻之間的絕對位移。上述位移測量方法還包括以下步驟片外存儲單元存儲的一定時間的所有位置數據後，通過RS485總線傳輸到計算機控制模塊，實現數據的後處理。本發明所具有的優點1、本發明水平線雷射器發出的雷射照射在線陣CCD上，感光像元在驅動脈衝作用下輸出信號，當輸出信號超過設定的本底閾值電壓時，閾值比較器輸出矩形脈衝串，不同時刻的矩形脈衝串處理後分別得到矩形脈衝串的中心位置，從而得到該線陣CCD在不同時刻之間的絕對位移。本發明採用了閾值調節，閾值調節器的輸出矩形脈衝信號的個數取決於閾值調節器的閾值電壓與線陣CCD輸出信號電壓的比較結果；中央處理單元中主要關注的是閾值調節輸出的矩形脈衝串中矩形脈衝信號的個數；所以裝置閾值便於程控調節，精度高，噪聲小，可以保存數字電位器輸出的最佳工作點的數據，為在不同環境中調節數字電位器的輸出提供了數據支持；2、本發明在數據的傳輸上採用了 RS485總線接口技術，RS485總線接口技術具有支持多站的能力、數據傳輸距離遠、傳輸速率快等優點，在使用中可以支持256個節點，數據傳輸距離為1. 2km ；
3、本發明在數據採集卡上採用了現場可編程門陣列FPGA作為核心元件，使得裝置可以在線編程，易於擴展應用；4、本發明在數據存儲上使用大容量的片外存儲設備，可以存儲64k*16bits數據， 使用微控制器來控制數據的讀寫以及不同線陣CCD之間的時序，簡化了控制；5、本發明具有方便的計算機控制軟體，友好的人機互動界面，使用者在遠離實驗現場的後方，可以通過計算機方便地完成控制、顯示和記錄等功能，通過軟體可以設置裝置的採樣參數，實時顯示和模擬振動；6、由於現有非接觸式位移測量裝置結構複雜、高成本、不易於調試和擴展，本發明採用普通電路實現對位移的精確測量，有效降低了實驗成本；7、本發明解決了位移測量裝置中不支持多站、數據不能遠距離傳輸、不便於擴展等問題，具有友好的控制界面，可以實時地、精確完成位移和形變量的精確測量。8、本發明支持256個節點，採樣率最高5000次/秒，記錄時間最大為10秒，有三種觸發方式可供選擇，分別為自動觸發、手動觸發和外部觸發，數據的傳輸距離大於1. 2km, 後端記錄控制設備在接受到數據採集卡輸出的信息後，可以進行波形數據的顯示和三維振動模擬。經過對比實驗，裝置的測量精度達到0. 1mm。
圖1是本發明原理圖；圖2是本發明的數據採集卡的原理圖；圖3是本發明的閾值調節的原理圖；圖4是本發明的協議轉換模塊的原理圖；圖5為計算機控制軟體的流程圖。
具體實施例方式一種用於測量位移和形變量的裝置，包括用於提供水平線雷射束的水平線雷射源 U1、多路測量單元、用於數據接收和控制指令發出的通信模塊TO以及計算機控制軟體TO ； 其中每路測量單元包括線陣CCD U2、用於數據採集處理的數據採集模塊U3、用於傳輸及通信的協議轉換模塊U4。數據採集卡模塊U3包括了初級信號調理P1、中央處理單元P2和片外存儲單元 P3。初級信號調理單元Pl主要由數字電位器、閾值調節器和可編程邏輯器件組成，其中數字電位器的輸出電壓作為閾值調節器的閾值電壓，數字電位器的輸出電壓由可編程邏輯器件進行控制，初級信號處理單元Pl主要是對線陣CCD輸出信號電壓進行處理，當線陣CCD 輸出信號電壓超過閾值調節器的閾值電壓後，閾值調節晶片有矩形脈衝串輸出；中央處理單元P2使用的是Altera公司的Cyclone系列FPGA中的EP1C6Q144，主要作用有為線陣 CCD提供驅動脈衝、通過信號調理後的輸出判斷出水平線雷射在線陣CCD上的中心位置、控制SRAM上的讀寫時序和實現硬體中值濾波等；片外存儲單元P3用來存儲振動測試得到的數據，使用的晶片型號是IS61LV6416，存儲容量為64K*16bits。協議轉換模塊U4主要由RS485協議轉換Cl和微控制器C2組成。RS485協議轉換 Cl使用的是MAXIM公司的MAX485晶片，主要功能是實現RS485和RS232協議之間的轉換；微控制器C2使用的是Silicon Laboratories公司的C8051F340晶片，主要功能有將從中央處理單元P2中得到的數據轉換為RS232協議並傳輸到RS485協議轉換Cl中去，同時控制各個線陣CCD節點之間的通信的時序以防止總線上的時序衝突。線陣CCD感應的信息輸出到數據採集模塊U3，在數據採集模塊上進行信號處理， 將處理後得到的數字信息存儲到大容量SRAM上；協議轉換模塊U4將RS485總線作為不同線陣CXD之間、線陣CXD與控制記錄設備之間進行通信的總線，實現了多點通信和數據的遠距離傳輸，將微控制器作為通信的控制器件，控制總線時序；通信模塊U5主要由傳輸電纜和USB協議轉換晶片組成，USB協議轉換使用的晶片型號FT232，其主要功能是實現USB協議和RS485、RS232協議之間的相互轉換；數據在電纜上進行遠距離傳輸後，經過FT232晶片轉換為USB協議後與計算機控制模塊進行通信；計算機控制模塊U6基於VB6. 0實現的控制軟體作為裝置的後端控制記錄軟體，軟體設計的流程圖參看圖5，計算機控制軟體可以設置裝置的採集參數，採集參數包括了線陣 CCD節點的選擇、採樣率的設置、記錄時間的設置和觸發方式的設置，同時還可以實現波形數據顯示和三維振動模擬等功能。本發明的測量步驟1、安裝測量裝置將整個測量裝置布置在要進行位移測量的環境中，其中水平線雷射器固定在被測量裝置之外，多個線陣CCD布置在被測量裝置上，並處於可接收水平線雷射器發出的雷射的位置；2、在測量環境中進行本底閾值電壓標定將整個測量裝置布置在要進行位移測量的環境中，先不打開水平線雷射器，操作數字電位器的輸出電壓至閾值調節器，作為閾值調節器的閾值電壓；當線陣CCD輸出信號電壓大於閾值電壓時，閾值調節器輸出矩形脈衝串，調節閾值電壓，使得閾值電壓接近但不超過線陣CCD輸出信號電壓，即不產生矩形脈衝串輸出，這時的電壓就是本底閾值電壓；閾值電壓需要反覆的調節，如果閾值電壓過大，會失去很多有用的信息；如果閾值電壓過小， 會在系統中引入很多幹擾信號；3、測量位移打開水平線雷射器，調節水平線雷射器的輸出強度，使之超過本底閾值電壓20% 至100%之間，水平線雷射器照射在線陣CXD上，線陣CXD產生響應，輸出模擬電脈衝信號。 線陣CCD實現光電轉換的單位是像元。感光像元在驅動脈衝作用下輸出電脈衝信號，信號的幅度反應了相應像元感光的強弱，脈衝的輸出順序與感光像元的位置相一致；當線陣 CCD輸出信號電壓超過設定的本底閾值電壓時，閾值比較器輸出矩形脈衝串，矩形脈衝的個數取決於本底閾值電壓和線陣CCD輸出信號電壓在閾值調節器中的比較結果；線陣CCD輸出模擬電脈衝信號到閾值比較晶片，當信號電壓超過設定的本底閾值電壓時，閾值比較晶片輸出矩形脈衝串，具體工作過程a)線陣CCD的模擬電脈衝信號輸出到閾值調節器，閾值調節器的閾值已經在本底下進行了標定；b)閾值調節器接收信號，在信號超過閾值電壓之後，晶片輸出矩形脈衝串，矩形脈衝的個數取決於閾值電壓和線陣CCD輸出信號電壓的比較結果。因為水平線雷射的強度和寬度隨著距離變化，導致線陣CCD輸出信號電壓會有變化，這會影響到閾值調節器輸出的矩形脈衝的個數，最終會給中央處理單元判斷水平線雷射在線陣CXD上的中心位置產生影響。通過理論分析，推算得到中央處理單元準確判斷出水平線雷射在線陣CCD上中心位置所需要的矩形脈衝的個數，這個數值通過計算機發送給中央處理單元。中央處理單元根據計算機控制模塊設定的數值，對矩形脈衝的個數進行統計，如果個數比預先設置的少，那麼通過可編程邏輯器件發送指令到數字電位器，步進減小數字電位器的輸出電壓，最終使得閾值調節器輸出的矩形脈衝的個數達到預先設置的值； 如果個數比預先設置的多，調節步驟類上。線陣CXD前加上一個濾光片，可進一步減少雜散光的幹擾。4、數據實時處理矩形脈衝串輸出到中央處理單元中經過處理，得到矩形脈衝串的中心位置，中央處理單元將此位置作為該線陣CCD在此時的相對位置，並將此數字位置信息傳輸到片外存儲單元中存儲下來；當下一個矩形脈衝串到來時，同理又可以得到一個該線陣CCD的相對位置並存儲之，兩者比較，就可以得到該線陣CCD在兩個時刻之間的絕對位移；5、數據的後處理片外存儲單元存儲一定時間的位置數據後，通過485總線傳輸到計算機控制模塊，實現數據的後處理。某圓柱形待測平臺，高約20米，直徑約10米。該測試平臺的微小形變量均可以被裝置上布置的非接觸式測量裝置所測量記錄。為了實時監測平臺的形變量，沿某四條光學測量軸線位置上布置了本發明方法中的測量裝置。每條光學測量軸線上各自布置8個線陣CXD U2，每個線陣CXD U2都有一個與之對應的數據採集模塊U3,每條監測線上放置一個水平線雷射器U1，所有測點均採用磁性底座固定在測試平臺上。將水平線雷射器Ul放在監測軸線的一端，其餘各線陣CCD U2測點置於監測軸線的其他位置上，具體布放位置根據實際光學測量裝置本身所關注的位置確定。各個測點近似直線分布，注意應略有錯開，以各個線陣CCD U2可以接收到視場光束為準。測試中，線陣CCD U2將位移信息轉化為相應的電荷信號，輸出到數據採集模塊U3 中，經過數據採集模塊U3的轉換，得到數位訊號，在協議轉換模塊U4的控制下，將該數位訊號經過通信模塊U5遠距離傳輸到後端的計算機控制模塊U6中，進行觀察和記錄。本實驗中，設置的採樣率為5000次/秒，採集時間為5秒，觸發方式為自動觸發， 數據的傳輸距離為1.2km。選用的線陣C⑶像元間距為14um，將水平線雷射器在檢測區域內線寬為2-4mm。在測量的四路軸線共32個測試點中，通過與機械法對比標定，測量精度達到0. 1mm。在可移動式大型光學測試平臺的形變量實時監測中取得了良好的效果。
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權利要求
1.一種基於線陣CCD的非接觸微小位移測量裝置，其特徵在於包括用於提供水平線雷射束的水平線雷射器、多路測量單元、通信模塊、計算機控制模塊；所述水平線雷射器固定放置，所述多路測量單元分布在待測量裝置上，所述測量單元包括依次連接的線陣CCD、 數據採集模塊、協議轉換模塊；所述多路測量單元的協議轉換模塊通過通信模塊與計算機控制模塊進行通信；所述線陣CCD用於敏感水平線雷射器發出的雷射；所述數據採集模塊包括依次連接的初級信號調理單元、中央處理單元和片外存儲單元；所用初級信號調理單元包括閾值調節器、數字電位器和可編程邏輯器件，所述數字電位器用於設定閾值調節器的閾值電壓，所述閾值調節器根據閾值電壓和線陣CCD輸出信號電壓比較結果輸出矩形脈衝串；所述可編程邏輯器件根據計算機控制模塊設定的數值，調節數字電位器的輸出電壓；所述片外存儲單元用於存儲測試得到的數據；所述中央處理單元為線陣CCD提供驅動脈衝、通過閾值調節器輸出的矩形脈衝串判斷水平線雷射在線陣CCD上的中心位置、控制片外存儲單元上的讀寫時序和實現硬體中值濾波。
2.根據權利要求1所述的基於線陣CCD的非接觸微小位移測量裝置，其特徵在於還包括設置在線陣CXD前的濾光片。
3.根據權利要求1或2所述的基於線陣CCD的非接觸微小位移測量裝置，其特徵在於 所述數字電位器為256抽頭的數字電位器。
4.根據權利要求3所述的基於線陣CCD的非接觸微小位移測量裝置，其特徵在於 所述協議轉換模塊包括RS485協議轉換晶片和微控制器；所述RS485協議轉換晶片實現 RS485和RS232協議之間的轉換；所述微控制器將中央處理單元中得到的數據轉換為RS232 協議並傳輸到RS485協議轉換晶片中，同時控制各線陣CCD之間的通信的時序以防止總線上的時序衝突；所述通信模塊包括傳輸電纜和USB協議轉換晶片，所述USB協議轉換晶片實現USB協議和RS485、RS232協議之間的相互轉換，並通過傳輸電纜與計算機控制模塊進行通信。
5.一種基於線陣CCD的非接觸微小位移測量方法，包括以下步驟1)安裝測量裝置將整個測量裝置布置在要進行位移測量的環境中，其中水平線雷射器固定，多個線陣 CCD布置在被測量裝置上，並處於可接收水平線雷射器發出的雷射的位置；2)在測量環境中進行本底閾值電壓標定先不打開水平線雷射器，將數字電位器的輸出電壓送至閾值調節器作為閾值調節器的閾值電壓，調節數字電位器的輸出電壓，使得閾值調節器的閾值電壓接近但不超過線陣CCD 輸出的模擬電信號電壓，即不產生矩形脈衝串輸出，此時的數字電位器的輸出電壓即為本底閾值電壓；3)測量位移打開水平線雷射器，調節水平線雷射器的輸出強度，使之超過本底閾值電壓20%至 100%，水平線雷射器發出的雷射照射在線陣CCD上，線陣CCD感光像元在驅動脈衝作用下輸出模擬電脈衝信號，當輸出信號電壓超過設定的本底閾值電壓時，閾值比較器輸出矩形脈衝串，矩形脈衝的個數取決於本底閾值電壓和線陣CCD輸出信號電壓在閾值調節器中的比較結果；4)數據實時處理矩形脈衝串輸出到中央處理單元中，中央處理單元經過處理，得到矩形脈衝串的中心位置，中央處理單元將此位置作為與之對應的線陣CCD在此時的相對位置，並將此相對位置的信息傳輸到片外存儲單元中存儲；當下一個矩形脈衝串到來時，同理又可以得到一個該線陣CCD的相對位置並存儲之，兩者比較，得到該線陣CCD在兩個時刻之間的絕對位移。
6.根據權利要求5所述的基於線陣CCD的非接觸微小位移測量方法，還包括以下步驟片外存儲單元存儲的一定時間的所有位置數據後，通過RS485總線傳輸到計算機控制模塊，實現數據的後處理。
全文摘要
一種基於線陣CCD的非接觸微小位移測量裝置及方法，水平線雷射器發出的雷射照射在線陣CCD上，感光像元在驅動脈衝作用下輸出信號，當輸出信號超過設定的本底閾值電壓時，閾值比較器輸出矩形脈衝串，不同時刻的矩形脈衝串處理後分別得到矩形脈衝串的中心位置，從而得到該線陣CCD在不同時刻之間的絕對位移。本發明閾值調節器的輸出矩形脈衝信號的個數取決於閾值電壓與線陣CCD輸出信號電壓的比較結果；中央處理單元主要關注閾值調節器輸出的矩形脈衝信號的個數；所以本發明便於程控調節，精度高，噪聲小，可以保存數字電位器輸出的最佳工作點的數據，為在不同環境中調節數字電位器的輸出提供了數據支持。
文檔編號G01B11/02GK102419154SQ20111026709
公開日2012年4月18日 申請日期2011年9月9日 優先權日2011年9月9日
發明者李海濤, 渠紅光, 王晶, 田耕, 阮林波, 霍宏發 申請人:西北核技術研究所