基于線陣ccd的非接觸微小位移測(cè)量裝置及方法

專利名稱：基于線陣ccd的非接觸微小位移測(cè)量裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測(cè)量裝置及方法，一種實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)待測(cè)量裝置微小位移或者形變量的裝置及方法，尤其涉及該測(cè)量裝置的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和通道擴(kuò)展技術(shù)。
背景技術(shù)：
位移和形變量的測(cè)量在表面測(cè)量、材料測(cè)量、精密機(jī)械測(cè)量等眾多應(yīng)用領(lǐng)域起著越來(lái)越重要的作用。測(cè)量位移或者形變量，可以采用接觸式測(cè)量法和非接觸式測(cè)量法。傳統(tǒng)的接觸式測(cè)量方法有很多局限性，很難實(shí)現(xiàn)對(duì)微小位移量的高精度檢測(cè)；非接觸式的測(cè)量方法，具有裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、速度快、測(cè)量精度高、應(yīng)用方便靈活等特點(diǎn)，目前應(yīng)用廣泛?，F(xiàn)有的非接觸式位移測(cè)量裝置大多數(shù)運(yùn)用三角形的一些原理，使用激光定位來(lái)獲取位移量的信息，而且只能支持單點(diǎn)的測(cè)量，數(shù)據(jù)也不便于遠(yuǎn)距離傳輸。如申請(qǐng)?zhí)枮?200820151430的專利申請(qǐng)“(XD激光三角位移傳感器”，利用的是三角形的原理實(shí)現(xiàn)了對(duì)單點(diǎn)的位移測(cè)量?，F(xiàn)在的非接觸式位移測(cè)量裝置中模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)采集大多使用ADC芯片和專用數(shù)據(jù)采集電路，數(shù)據(jù)傳輸使用RS232總線，整個(gè)測(cè)量裝置不便于擴(kuò)展，數(shù)據(jù)不能進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，如申請(qǐng)?zhí)枮椤?00710092425”的專利申請(qǐng)“用于高速位移測(cè)量的CCD數(shù)據(jù)采集與處理裝置”，利用的就是上述電路。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一個(gè)實(shí)時(shí)測(cè)量并顯示，最大支持256個(gè)節(jié)點(diǎn)，可以設(shè)置測(cè)量參數(shù)，數(shù)據(jù)可以遠(yuǎn)距離傳輸，基于線陣CCD的非接觸微小位移測(cè)量裝置及方法，其解決了現(xiàn)有方法和裝置的不便于擴(kuò)展、不支持多站、測(cè)量數(shù)據(jù)不能進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸?shù)燃夹g(shù)問(wèn)題。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是—種基于線陣CCD的非接觸微小位移測(cè)量裝置，其特殊之處是包括用于提供水平線激光束的水平線激光器、多路測(cè)量單元、通信模塊、計(jì)算機(jī)控制模塊；所述水平線激光器固定放置，所述多路測(cè)量單元分布在待測(cè)量裝置上，所述測(cè)量單元包括依次連接的線陣 CCD、數(shù)據(jù)采集模塊、協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊；所述多路測(cè)量單元的協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊通過(guò)通信模塊與計(jì)算機(jī)控制模塊進(jìn)行通信；所述線陣CCD用于敏感水平線激光器發(fā)出的激光；所述數(shù)據(jù)采集模塊包括依次連接的初級(jí)信號(hào)調(diào)理單元、中央處理單元和片外存儲(chǔ)單元；所用初級(jí)信號(hào)調(diào)理單元包括閾值調(diào)節(jié)器、數(shù)字電位器和可編程邏輯器件，所述數(shù)字電位器用于設(shè)定閾值調(diào)節(jié)器的閾值電壓，所述閾值調(diào)節(jié)器根據(jù)閾值電壓和線陣CCD輸出信號(hào)電壓比較結(jié)果輸出矩形脈沖串；所述可編程邏輯器件根據(jù)計(jì)算機(jī)控制模塊設(shè)定的數(shù)值，調(diào)節(jié)數(shù)字電位器的輸出電壓；所述片外存儲(chǔ)單元用于存儲(chǔ)測(cè)試得到的數(shù)據(jù)；所述中央處理單元為線陣CCD提供驅(qū)動(dòng)脈沖、通過(guò)閾值調(diào)節(jié)器輸出的矩形脈沖串判斷水平線激光在線陣CCD上的中心位置、控制片外存儲(chǔ)單元上的讀寫(xiě)時(shí)序和實(shí)現(xiàn)硬件中值濾波。上述測(cè)量裝置還包括設(shè)置在線陣CXD前的濾光片。
上述數(shù)字電位器為256抽頭的數(shù)字電位器。上述協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊包括RS485協(xié)議轉(zhuǎn)換芯片和微控制器；上述RS485協(xié)議轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)RS485和RS232協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換；上述微控制器將中央處理單元中得到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為RS232協(xié)議并傳輸?shù)絉S485協(xié)議轉(zhuǎn)換芯片中，同時(shí)控制各線陣CCD之間的通信的時(shí)序以防止總線上的時(shí)序沖突；上述通信模塊包括傳輸電纜和USB協(xié)議轉(zhuǎn)換芯片，上述USB協(xié)議轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)USB協(xié)議和RS485、RS232協(xié)議之間的相互轉(zhuǎn)換，并通過(guò)傳輸電纜與計(jì)算機(jī)控制模塊進(jìn)行通信。一種基于線陣CCD的非接觸微小位移測(cè)量方法，包括以下步驟1)安裝測(cè)量裝置將整個(gè)測(cè)量裝置布置在要進(jìn)行位移測(cè)量的環(huán)境中，其中水平線激光器固定，多個(gè)線陣CCD布置在被測(cè)量裝置上，并處于可接收水平線激光器發(fā)出的激光的位置；2)在測(cè)量環(huán)境中進(jìn)行本底閾值電壓標(biāo)定先不打開(kāi)水平線激光器，將數(shù)字電位器的輸出電壓送至閾值調(diào)節(jié)器作為閾值調(diào)節(jié)器的閾值電壓，調(diào)節(jié)數(shù)字電位器的輸出電壓，使得閾值調(diào)節(jié)器的閾值電壓接近但不超過(guò)線陣CCD輸出的模擬電信號(hào)電壓，即不產(chǎn)生矩形脈沖串輸出，此時(shí)的數(shù)字電位器的輸出電壓即為本底閾值電壓；3)測(cè)量位移打開(kāi)水平線激光器，調(diào)節(jié)水平線激光器的輸出強(qiáng)度，使之超過(guò)本底閾值電壓20%至100%，水平線激光器發(fā)出的激光照射在線陣CXD上，線陣CXD感光像元在驅(qū)動(dòng)脈沖作用下輸出模擬電脈沖信號(hào)，當(dāng)輸出信號(hào)電壓超過(guò)設(shè)定的本底閾值電壓時(shí)，閾值比較器輸出矩形脈沖串，矩形脈沖的個(gè)數(shù)取決于本底閾值電壓和線陣CCD輸出信號(hào)電壓在閾值調(diào)節(jié)器中的比較結(jié)果；4)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理矩形脈沖串輸出到中央處理單元中，中央處理單元經(jīng)過(guò)處理， 得到矩形脈沖串的中心位置，中央處理單元將此位置作為與之對(duì)應(yīng)的線陣CCD在此時(shí)的相對(duì)位置，并將此相對(duì)位置的信息傳輸?shù)狡獯鎯?chǔ)單元中存儲(chǔ)；當(dāng)下一個(gè)矩形脈沖串到來(lái)時(shí)， 同理又可以得到一個(gè)該線陣CCD的相對(duì)位置并存儲(chǔ)之，兩者比較，得到該線陣CCD在兩個(gè)時(shí)刻之間的絕對(duì)位移。上述位移測(cè)量方法還包括以下步驟片外存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)的一定時(shí)間的所有位置數(shù)據(jù)后，通過(guò)RS485總線傳輸?shù)接?jì)算機(jī)控制模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的后處理。本發(fā)明所具有的優(yōu)點(diǎn)1、本發(fā)明水平線激光器發(fā)出的激光照射在線陣CCD上，感光像元在驅(qū)動(dòng)脈沖作用下輸出信號(hào)，當(dāng)輸出信號(hào)超過(guò)設(shè)定的本底閾值電壓時(shí)，閾值比較器輸出矩形脈沖串，不同時(shí)刻的矩形脈沖串處理后分別得到矩形脈沖串的中心位置，從而得到該線陣CCD在不同時(shí)刻之間的絕對(duì)位移。本發(fā)明采用了閾值調(diào)節(jié)，閾值調(diào)節(jié)器的輸出矩形脈沖信號(hào)的個(gè)數(shù)取決于閾值調(diào)節(jié)器的閾值電壓與線陣CCD輸出信號(hào)電壓的比較結(jié)果；中央處理單元中主要關(guān)注的是閾值調(diào)節(jié)輸出的矩形脈沖串中矩形脈沖信號(hào)的個(gè)數(shù)；所以裝置閾值便于程控調(diào)節(jié)，精度高，噪聲小，可以保存數(shù)字電位器輸出的最佳工作點(diǎn)的數(shù)據(jù)，為在不同環(huán)境中調(diào)節(jié)數(shù)字電位器的輸出提供了數(shù)據(jù)支持；2、本發(fā)明在數(shù)據(jù)的傳輸上采用了 RS485總線接口技術(shù)，RS485總線接口技術(shù)具有支持多站的能力、數(shù)據(jù)傳輸距離遠(yuǎn)、傳輸速率快等優(yōu)點(diǎn)，在使用中可以支持256個(gè)節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)傳輸距離為1. 2km ；
3、本發(fā)明在數(shù)據(jù)采集卡上采用了現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列FPGA作為核心元件，使得裝置可以在線編程，易于擴(kuò)展應(yīng)用；4、本發(fā)明在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)上使用大容量的片外存儲(chǔ)設(shè)備，可以存儲(chǔ)64k*16bits數(shù)據(jù)， 使用微控制器來(lái)控制數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)以及不同線陣CCD之間的時(shí)序，簡(jiǎn)化了控制；5、本發(fā)明具有方便的計(jì)算機(jī)控制軟件，友好的人機(jī)交互界面，使用者在遠(yuǎn)離實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的后方，可以通過(guò)計(jì)算機(jī)方便地完成控制、顯示和記錄等功能，通過(guò)軟件可以設(shè)置裝置的采樣參數(shù)，實(shí)時(shí)顯示和模擬振動(dòng)；6、由于現(xiàn)有非接觸式位移測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、高成本、不易于調(diào)試和擴(kuò)展，本發(fā)明采用普通電路實(shí)現(xiàn)對(duì)位移的精確測(cè)量，有效降低了實(shí)驗(yàn)成本；7、本發(fā)明解決了位移測(cè)量裝置中不支持多站、數(shù)據(jù)不能遠(yuǎn)距離傳輸、不便于擴(kuò)展等問(wèn)題，具有友好的控制界面，可以實(shí)時(shí)地、精確完成位移和形變量的精確測(cè)量。8、本發(fā)明支持256個(gè)節(jié)點(diǎn)，采樣率最高5000次/秒，記錄時(shí)間最大為10秒，有三種觸發(fā)方式可供選擇，分別為自動(dòng)觸發(fā)、手動(dòng)觸發(fā)和外部觸發(fā)，數(shù)據(jù)的傳輸距離大于1. 2km, 后端記錄控制設(shè)備在接受到數(shù)據(jù)采集卡輸出的信息后，可以進(jìn)行波形數(shù)據(jù)的顯示和三維振動(dòng)模擬。經(jīng)過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，裝置的測(cè)量精度達(dá)到0. 1mm。


圖1是本發(fā)明原理圖；圖2是本發(fā)明的數(shù)據(jù)采集卡的原理圖；圖3是本發(fā)明的閾值調(diào)節(jié)的原理圖；圖4是本發(fā)明的協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊的原理圖；圖5為計(jì)算機(jī)控制軟件的流程圖。
具體實(shí)施例方式一種用于測(cè)量位移和形變量的裝置，包括用于提供水平線激光束的水平線激光源 U1、多路測(cè)量單元、用于數(shù)據(jù)接收和控制指令發(fā)出的通信模塊TO以及計(jì)算機(jī)控制軟件TO ； 其中每路測(cè)量單元包括線陣CCD U2、用于數(shù)據(jù)采集處理的數(shù)據(jù)采集模塊U3、用于傳輸及通信的協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊U4。數(shù)據(jù)采集卡模塊U3包括了初級(jí)信號(hào)調(diào)理P1、中央處理單元P2和片外存儲(chǔ)單元 P3。初級(jí)信號(hào)調(diào)理單元Pl主要由數(shù)字電位器、閾值調(diào)節(jié)器和可編程邏輯器件組成，其中數(shù)字電位器的輸出電壓作為閾值調(diào)節(jié)器的閾值電壓，數(shù)字電位器的輸出電壓由可編程邏輯器件進(jìn)行控制，初級(jí)信號(hào)處理單元Pl主要是對(duì)線陣CCD輸出信號(hào)電壓進(jìn)行處理，當(dāng)線陣CCD 輸出信號(hào)電壓超過(guò)閾值調(diào)節(jié)器的閾值電壓后，閾值調(diào)節(jié)芯片有矩形脈沖串輸出；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(qū)動(dòng)脈沖、通過(guò)信號(hào)調(diào)理后的輸出判斷出水平線激光在線陣CCD上的中心位置、控制SRAM上的讀寫(xiě)時(shí)序和實(shí)現(xiàn)硬件中值濾波等；片外存儲(chǔ)單元P3用來(lái)存儲(chǔ)振動(dòng)測(cè)試得到的數(shù)據(jù)，使用的芯片型號(hào)是IS61LV6416，存儲(chǔ)容量為64K*16bits。協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊U4主要由RS485協(xié)議轉(zhuǎn)換Cl和微控制器C2組成。RS485協(xié)議轉(zhuǎn)換 Cl使用的是MAXIM公司的MAX485芯片，主要功能是實(shí)現(xiàn)RS485和RS232協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換；微控制器C2使用的是Silicon Laboratories公司的C8051F340芯片，主要功能有將從中央處理單元P2中得到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為RS232協(xié)議并傳輸?shù)絉S485協(xié)議轉(zhuǎn)換Cl中去，同時(shí)控制各個(gè)線陣CCD節(jié)點(diǎn)之間的通信的時(shí)序以防止總線上的時(shí)序沖突。線陣CCD感應(yīng)的信息輸出到數(shù)據(jù)采集模塊U3，在數(shù)據(jù)采集模塊上進(jìn)行信號(hào)處理， 將處理后得到的數(shù)字信息存儲(chǔ)到大容量SRAM上；協(xié)議轉(zhuǎn)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(shè)備之間進(jìn)行通信的總線，實(shí)現(xiàn)了多點(diǎn)通信和數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸，將微控制器作為通信的控制器件，控制總線時(shí)序；通信模塊U5主要由傳輸電纜和USB協(xié)議轉(zhuǎn)換芯片組成，USB協(xié)議轉(zhuǎn)換使用的芯片型號(hào)FT232，其主要功能是實(shí)現(xiàn)USB協(xié)議和RS485、RS232協(xié)議之間的相互轉(zhuǎn)換；數(shù)據(jù)在電纜上進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸后，經(jīng)過(guò)FT232芯片轉(zhuǎn)換為USB協(xié)議后與計(jì)算機(jī)控制模塊進(jìn)行通信；計(jì)算機(jī)控制模塊U6基于VB6. 0實(shí)現(xiàn)的控制軟件作為裝置的后端控制記錄軟件，軟件設(shè)計(jì)的流程圖參看圖5，計(jì)算機(jī)控制軟件可以設(shè)置裝置的采集參數(shù)，采集參數(shù)包括了線陣 CCD節(jié)點(diǎn)的選擇、采樣率的設(shè)置、記錄時(shí)間的設(shè)置和觸發(fā)方式的設(shè)置，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)波形數(shù)據(jù)顯示和三維振動(dòng)模擬等功能。本發(fā)明的測(cè)量步驟1、安裝測(cè)量裝置將整個(gè)測(cè)量裝置布置在要進(jìn)行位移測(cè)量的環(huán)境中，其中水平線激光器固定在被測(cè)量裝置之外，多個(gè)線陣CCD布置在被測(cè)量裝置上，并處于可接收水平線激光器發(fā)出的激光的位置；2、在測(cè)量環(huán)境中進(jìn)行本底閾值電壓標(biāo)定將整個(gè)測(cè)量裝置布置在要進(jìn)行位移測(cè)量的環(huán)境中，先不打開(kāi)水平線激光器，操作數(shù)字電位器的輸出電壓至閾值調(diào)節(jié)器，作為閾值調(diào)節(jié)器的閾值電壓；當(dāng)線陣CCD輸出信號(hào)電壓大于閾值電壓時(shí)，閾值調(diào)節(jié)器輸出矩形脈沖串，調(diào)節(jié)閾值電壓，使得閾值電壓接近但不超過(guò)線陣CCD輸出信號(hào)電壓，即不產(chǎn)生矩形脈沖串輸出，這時(shí)的電壓就是本底閾值電壓；閾值電壓需要反復(fù)的調(diào)節(jié)，如果閾值電壓過(guò)大，會(huì)失去很多有用的信息；如果閾值電壓過(guò)小， 會(huì)在系統(tǒng)中引入很多干擾信號(hào)；3、測(cè)量位移打開(kāi)水平線激光器，調(diào)節(jié)水平線激光器的輸出強(qiáng)度，使之超過(guò)本底閾值電壓20% 至100%之間，水平線激光器照射在線陣CXD上，線陣CXD產(chǎn)生響應(yīng)，輸出模擬電脈沖信號(hào)。 線陣CCD實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的單位是像元。感光像元在驅(qū)動(dòng)脈沖作用下輸出電脈沖信號(hào)，信號(hào)的幅度反應(yīng)了相應(yīng)像元感光的強(qiáng)弱，脈沖的輸出順序與感光像元的位置相一致；當(dāng)線陣 CCD輸出信號(hào)電壓超過(guò)設(shè)定的本底閾值電壓時(shí)，閾值比較器輸出矩形脈沖串，矩形脈沖的個(gè)數(shù)取決于本底閾值電壓和線陣CCD輸出信號(hào)電壓在閾值調(diào)節(jié)器中的比較結(jié)果；線陣CCD輸出模擬電脈沖信號(hào)到閾值比較芯片，當(dāng)信號(hào)電壓超過(guò)設(shè)定的本底閾值電壓時(shí)，閾值比較芯片輸出矩形脈沖串，具體工作過(guò)程a)線陣CCD的模擬電脈沖信號(hào)輸出到閾值調(diào)節(jié)器，閾值調(diào)節(jié)器的閾值已經(jīng)在本底下進(jìn)行了標(biāo)定；b)閾值調(diào)節(jié)器接收信號(hào)，在信號(hào)超過(guò)閾值電壓之后，芯片輸出矩形脈沖串，矩形脈沖的個(gè)數(shù)取決于閾值電壓和線陣CCD輸出信號(hào)電壓的比較結(jié)果。因?yàn)樗骄€激光的強(qiáng)度和寬度隨著距離變化，導(dǎo)致線陣CCD輸出信號(hào)電壓會(huì)有變化，這會(huì)影響到閾值調(diào)節(jié)器輸出的矩形脈沖的個(gè)數(shù)，最終會(huì)給中央處理單元判斷水平線激光在線陣CXD上的中心位置產(chǎn)生影響。通過(guò)理論分析，推算得到中央處理單元準(zhǔn)確判斷出水平線激光在線陣CCD上中心位置所需要的矩形脈沖的個(gè)數(shù)，這個(gè)數(shù)值通過(guò)計(jì)算機(jī)發(fā)送給中央處理單元。中央處理單元根據(jù)計(jì)算機(jī)控制模塊設(shè)定的數(shù)值，對(duì)矩形脈沖的個(gè)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如果個(gè)數(shù)比預(yù)先設(shè)置的少，那么通過(guò)可編程邏輯器件發(fā)送指令到數(shù)字電位器，步進(jìn)減小數(shù)字電位器的輸出電壓，最終使得閾值調(diào)節(jié)器輸出的矩形脈沖的個(gè)數(shù)達(dá)到預(yù)先設(shè)置的值； 如果個(gè)數(shù)比預(yù)先設(shè)置的多，調(diào)節(jié)步驟類上。線陣CXD前加上一個(gè)濾光片，可進(jìn)一步減少雜散光的干擾。4、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理矩形脈沖串輸出到中央處理單元中經(jīng)過(guò)處理，得到矩形脈沖串的中心位置，中央處理單元將此位置作為該線陣CCD在此時(shí)的相對(duì)位置，并將此數(shù)字位置信息傳輸?shù)狡獯鎯?chǔ)單元中存儲(chǔ)下來(lái)；當(dāng)下一個(gè)矩形脈沖串到來(lái)時(shí)，同理又可以得到一個(gè)該線陣CCD的相對(duì)位置并存儲(chǔ)之，兩者比較，就可以得到該線陣CCD在兩個(gè)時(shí)刻之間的絕對(duì)位移；5、數(shù)據(jù)的后處理片外存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)一定時(shí)間的位置數(shù)據(jù)后，通過(guò)485總線傳輸?shù)接?jì)算機(jī)控制模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的后處理。某圓柱形待測(cè)平臺(tái)，高約20米，直徑約10米。該測(cè)試平臺(tái)的微小形變量均可以被裝置上布置的非接觸式測(cè)量裝置所測(cè)量記錄。為了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)平臺(tái)的形變量，沿某四條光學(xué)測(cè)量軸線位置上布置了本發(fā)明方法中的測(cè)量裝置。每條光學(xué)測(cè)量軸線上各自布置8個(gè)線陣CXD U2，每個(gè)線陣CXD U2都有一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)采集模塊U3,每條監(jiān)測(cè)線上放置一個(gè)水平線激光器U1，所有測(cè)點(diǎn)均采用磁性底座固定在測(cè)試平臺(tái)上。將水平線激光器Ul放在監(jiān)測(cè)軸線的一端，其余各線陣CCD U2測(cè)點(diǎn)置于監(jiān)測(cè)軸線的其他位置上，具體布放位置根據(jù)實(shí)際光學(xué)測(cè)量裝置本身所關(guān)注的位置確定。各個(gè)測(cè)點(diǎn)近似直線分布，注意應(yīng)略有錯(cuò)開(kāi)，以各個(gè)線陣CCD U2可以接收到視場(chǎng)光束為準(zhǔn)。測(cè)試中，線陣CCD U2將位移信息轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電荷信號(hào)，輸出到數(shù)據(jù)采集模塊U3 中，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊U3的轉(zhuǎn)換，得到數(shù)字信號(hào)，在協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊U4的控制下，將該數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)通信模塊U5遠(yuǎn)距離傳輸?shù)胶蠖说挠?jì)算機(jī)控制模塊U6中，進(jìn)行觀察和記錄。本實(shí)驗(yàn)中，設(shè)置的采樣率為5000次/秒，采集時(shí)間為5秒，觸發(fā)方式為自動(dòng)觸發(fā)， 數(shù)據(jù)的傳輸距離為1.2km。選用的線陣C⑶像元間距為14um，將水平線激光器在檢測(cè)區(qū)域內(nèi)線寬為2-4mm。在測(cè)量的四路軸線共32個(gè)測(cè)試點(diǎn)中，通過(guò)與機(jī)械法對(duì)比標(biāo)定，測(cè)量精度達(dá)到0. 1mm。在可移動(dòng)式大型光學(xué)測(cè)試平臺(tái)的形變量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中取得了良好的效果。
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權(quán)利要求
1.一種基于線陣CCD的非接觸微小位移測(cè)量裝置，其特征在于包括用于提供水平線激光束的水平線激光器、多路測(cè)量單元、通信模塊、計(jì)算機(jī)控制模塊；所述水平線激光器固定放置，所述多路測(cè)量單元分布在待測(cè)量裝置上，所述測(cè)量單元包括依次連接的線陣CCD、 數(shù)據(jù)采集模塊、協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊；所述多路測(cè)量單元的協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊通過(guò)通信模塊與計(jì)算機(jī)控制模塊進(jìn)行通信；所述線陣CCD用于敏感水平線激光器發(fā)出的激光；所述數(shù)據(jù)采集模塊包括依次連接的初級(jí)信號(hào)調(diào)理單元、中央處理單元和片外存儲(chǔ)單元；所用初級(jí)信號(hào)調(diào)理單元包括閾值調(diào)節(jié)器、數(shù)字電位器和可編程邏輯器件，所述數(shù)字電位器用于設(shè)定閾值調(diào)節(jié)器的閾值電壓，所述閾值調(diào)節(jié)器根據(jù)閾值電壓和線陣CCD輸出信號(hào)電壓比較結(jié)果輸出矩形脈沖串；所述可編程邏輯器件根據(jù)計(jì)算機(jī)控制模塊設(shè)定的數(shù)值，調(diào)節(jié)數(shù)字電位器的輸出電壓；所述片外存儲(chǔ)單元用于存儲(chǔ)測(cè)試得到的數(shù)據(jù)；所述中央處理單元為線陣CCD提供驅(qū)動(dòng)脈沖、通過(guò)閾值調(diào)節(jié)器輸出的矩形脈沖串判斷水平線激光在線陣CCD上的中心位置、控制片外存儲(chǔ)單元上的讀寫(xiě)時(shí)序和實(shí)現(xiàn)硬件中值濾波。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于線陣CCD的非接觸微小位移測(cè)量裝置，其特征在于還包括設(shè)置在線陣CXD前的濾光片。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于線陣CCD的非接觸微小位移測(cè)量裝置，其特征在于 所述數(shù)字電位器為256抽頭的數(shù)字電位器。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于線陣CCD的非接觸微小位移測(cè)量裝置，其特征在于 所述協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊包括RS485協(xié)議轉(zhuǎn)換芯片和微控制器；所述RS485協(xié)議轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn) RS485和RS232協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換；所述微控制器將中央處理單元中得到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為RS232 協(xié)議并傳輸?shù)絉S485協(xié)議轉(zhuǎn)換芯片中，同時(shí)控制各線陣CCD之間的通信的時(shí)序以防止總線上的時(shí)序沖突；所述通信模塊包括傳輸電纜和USB協(xié)議轉(zhuǎn)換芯片，所述USB協(xié)議轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)USB協(xié)議和RS485、RS232協(xié)議之間的相互轉(zhuǎn)換，并通過(guò)傳輸電纜與計(jì)算機(jī)控制模塊進(jìn)行通信。
5.一種基于線陣CCD的非接觸微小位移測(cè)量方法，包括以下步驟1)安裝測(cè)量裝置將整個(gè)測(cè)量裝置布置在要進(jìn)行位移測(cè)量的環(huán)境中，其中水平線激光器固定，多個(gè)線陣 CCD布置在被測(cè)量裝置上，并處于可接收水平線激光器發(fā)出的激光的位置；2)在測(cè)量環(huán)境中進(jìn)行本底閾值電壓標(biāo)定先不打開(kāi)水平線激光器，將數(shù)字電位器的輸出電壓送至閾值調(diào)節(jié)器作為閾值調(diào)節(jié)器的閾值電壓，調(diào)節(jié)數(shù)字電位器的輸出電壓，使得閾值調(diào)節(jié)器的閾值電壓接近但不超過(guò)線陣CCD 輸出的模擬電信號(hào)電壓，即不產(chǎn)生矩形脈沖串輸出，此時(shí)的數(shù)字電位器的輸出電壓即為本底閾值電壓；3)測(cè)量位移打開(kāi)水平線激光器，調(diào)節(jié)水平線激光器的輸出強(qiáng)度，使之超過(guò)本底閾值電壓20%至 100%，水平線激光器發(fā)出的激光照射在線陣CCD上，線陣CCD感光像元在驅(qū)動(dòng)脈沖作用下輸出模擬電脈沖信號(hào)，當(dāng)輸出信號(hào)電壓超過(guò)設(shè)定的本底閾值電壓時(shí)，閾值比較器輸出矩形脈沖串，矩形脈沖的個(gè)數(shù)取決于本底閾值電壓和線陣CCD輸出信號(hào)電壓在閾值調(diào)節(jié)器中的比較結(jié)果；4)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理矩形脈沖串輸出到中央處理單元中，中央處理單元經(jīng)過(guò)處理，得到矩形脈沖串的中心位置，中央處理單元將此位置作為與之對(duì)應(yīng)的線陣CCD在此時(shí)的相對(duì)位置，并將此相對(duì)位置的信息傳輸?shù)狡獯鎯?chǔ)單元中存儲(chǔ)；當(dāng)下一個(gè)矩形脈沖串到來(lái)時(shí)，同理又可以得到一個(gè)該線陣CCD的相對(duì)位置并存儲(chǔ)之，兩者比較，得到該線陣CCD在兩個(gè)時(shí)刻之間的絕對(duì)位移。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于線陣CCD的非接觸微小位移測(cè)量方法，還包括以下步驟片外存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)的一定時(shí)間的所有位置數(shù)據(jù)后，通過(guò)RS485總線傳輸?shù)接?jì)算機(jī)控制模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的后處理。
全文摘要
一種基于線陣CCD的非接觸微小位移測(cè)量裝置及方法，水平線激光器發(fā)出的激光照射在線陣CCD上，感光像元在驅(qū)動(dòng)脈沖作用下輸出信號(hào)，當(dāng)輸出信號(hào)超過(guò)設(shè)定的本底閾值電壓時(shí)，閾值比較器輸出矩形脈沖串，不同時(shí)刻的矩形脈沖串處理后分別得到矩形脈沖串的中心位置，從而得到該線陣CCD在不同時(shí)刻之間的絕對(duì)位移。本發(fā)明閾值調(diào)節(jié)器的輸出矩形脈沖信號(hào)的個(gè)數(shù)取決于閾值電壓與線陣CCD輸出信號(hào)電壓的比較結(jié)果；中央處理單元主要關(guān)注閾值調(diào)節(jié)器輸出的矩形脈沖信號(hào)的個(gè)數(shù)；所以本發(fā)明便于程控調(diào)節(jié)，精度高，噪聲小，可以保存數(shù)字電位器輸出的最佳工作點(diǎn)的數(shù)據(jù)，為在不同環(huán)境中調(diào)節(jié)數(shù)字電位器的輸出提供了數(shù)據(jù)支持。
文檔編號(hào)G01B11/02GK102419154SQ20111026709
公開(kāi)日2012年4月18日 申請(qǐng)日期2011年9月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月9日
發(fā)明者李海濤, 渠紅光, 王晶, 田耕, 阮林波, 霍宏發(fā) 申請(qǐng)人:西北核技術(shù)研究所