[实用新型]一种非接触式振动绝对位移的快速光学直接测量装置

说明书

技术领域

本实用新型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。

背景技术

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。

发明内容

本实用新型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。

本实用新型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。

本实用新型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。

本实用新型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。