基于线阵CCD的非接触微小位移测量装置及方法

摘要

一种基于线阵CCD的非接触微小位移测量装置及方法，水平线激光器发出的激光照射在线阵CCD上，感光像元在驱动脉冲作用下输出信号，当输出信号超过设定的本底阈值电压时，阈值比较器输出矩形脉冲串，不同时刻的矩形脉冲串处理后分别得到矩形脉冲串的中心位置，从而得到该线阵CCD在不同时刻之间的绝对位移。本发明阈值调节器的输出矩形脉冲信号的个数取决于阈值电压与线阵CCD输出信号电压的比较结果；中央处理单元主要关注阈值调节器输出的矩形脉冲信号的个数；所以本发明便于程控调节，精度高，噪声小，可以保存数字电位器输出的最佳工作点的数据，为在不同环境中调节数字电位器的输出提供了数据支持。

说明书

技术领域

本发明涉及一种测量装置及方法，一种实时监测待测量装置微小位移或者 形变量的装置及方法，尤其涉及该测量装置的数据采集系统和通道扩展技术。

背景技术

位移和形变量的测量在表面测量、材料测量、精密机械测量等众多应用领 域起着越来越重要的作用。测量位移或者形变量，可以采用接触式测量法和非 接触式测量法。传统的接触式测量方法有很多局限性，很难实现对微小位移量 的高精度检测；非接触式的测量方法，具有装置结构简单、速度快、测量精度 高、应用方便灵活等特点，目前应用广泛。

现有的非接触式位移测量装置大多数运用三角形的一些原理，使用激光定 位来获取位移量的信息，而且只能支持单点的测量，数据也不便于远距离传输。 如申请号为200820151430的专利申请“CCD激光三角位移传感器”，利用的是 三角形的原理实现了对单点的位移测量。

现在的非接触式位移测量装置中模数转换、数据采集大多使用ADC芯片和 专用数据采集电路，数据传输使用RS232总线，整个测量装置不便于扩展，数 据不能进行远距离传输，如申请号为“200710092425”的专利申请“用于高速 位移测量的CCD数据采集与处理装置”，利用的就是上述电路。

发明内容

本发明的目的是提供一个实时测量并显示，最大支持256个节点，可以设 置测量参数，数据可以远距离传输，基于线阵CCD的非接触微小位移测量装置 及方法，其解决了现有方法和装置的不便于扩展、不支持多站、测量数据不能 进行远距离传输等技术问题。

本发明的技术解决方案是：

一种基于线阵CCD的非接触微小位移测量装置，其特殊之处是：包括用于 提供水平线激光束的水平线激光器、多路测量单元、通信模块、计算机控制模 块；所述水平线激光器固定放置，所述多路测量单元分布在待测量装置上，所 述测量单元包括依次连接的线阵CCD、数据采集模块、协议转换模块；所述多路 测量单元的协议转换模块通过通信模块与计算机控制模块进行通信；所述线阵 CCD用于敏感水平线激光器发出的激光；所述数据采集模块包括依次连接的初级 信号调理单元、中央处理单元和片外存储单元；所用初级信号调理单元包括阈 值调节器、数字电位器和可编程逻辑器件，所述数字电位器用于设定阈值调节 器的阈值电压，所述阈值调节器根据阈值电压和线阵CCD输出信号电压比较结 果输出矩形脉冲串；所述可编程逻辑器件根据计算机控制模块设定的数值，调 节数字电位器的输出电压；所述片外存储单元用于存储测试得到的数据；所述 中央处理单元为线阵CCD提供驱动脉冲、通过阈值调节器输出的矩形脉冲串判 断水平线激光在线阵CCD上的中心位置、控制片外存储单元上的读写时序和实 现硬件中值滤波。

上述测量装置还包括设置在线阵CCD前的滤光片。

上述数字电位器为256抽头的数字电位器。

上述协议转换模块包括RS485协议转换芯片和微控制器；上述RS485协议 转换芯片实现RS485和RS232协议之间的转换；上述微控制器将中央处理单元 中得到的数据转换为RS232协议并传输到RS485协议转换芯片中，同时控制各 线阵CCD之间的通信的时序以防止总线上的时序冲突；上述通信模块包括传输 电缆和USB协议转换芯片，上述USB协议转换芯片实现USB协议和RS485、RS232 协议之间的相互转换，并通过传输电缆与计算机控制模块进行通信。

一种基于线阵CCD的非接触微小位移测量方法，包括以下步骤：

1)安装测量装置：将整个测量装置布置在要进行位移测量的环境中，其中 水平线激光器固定，多个线阵CCD布置在被测量装置上，并处于可接收水平线 激光器发出的激光的位置；

2)在测量环境中进行本底阈值电压标定：先不打开水平线激光器，将数字 电位器的输出电压送至阈值调节器作为阈值调节器的阈值电压，调节数字电位 器的输出电压，使得阈值调节器的阈值电压接近但不超过线阵CCD输出的模拟 电信号电压，即不产生矩形脉冲串输出，此时的数字电位器的输出电压即为本 底阈值电压；

3)测量位移：打开水平线激光器，调节水平线激光器的输出强度，使之超 过本底阈值电压20％至100％，水平线激光器发出的激光照射在线阵CCD上，线 阵CCD感光像元在驱动脉冲作用下输出模拟电脉冲信号，当输出信号电压超过 设定的本底阈值电压时，阈值比较器输出矩形脉冲串，矩形脉冲的个数取决于 本底阈值电压和线阵CCD输出信号电压在阈值调节器中的比较结果；

4)数据实时处理：矩形脉冲串输出到中央处理单元中，中央处理单元经过 处理，得到矩形脉冲串的中心位置，中央处理单元将此位置作为与之对应的线 阵CCD在此时的相对位置，并将此相对位置的信息传输到片外存储单元中存储； 当下一个矩形脉冲串到来时，同理又可以得到一个该线阵CCD的相对位置并存 储之，两者比较，得到该线阵CCD在两个时刻之间的绝对位移。

上述位移测量方法还包括以下步骤：片外存储单元存储的一定时间的所有 位置数据后，通过RS485总线传输到计算机控制模块，实现数据的后处理。

本发明所具有的优点：

1、本发明水平线激光器发出的激光照射在线阵CCD上，感光像元在驱动脉 冲作用下输出信号，当输出信号超过设定的本底阈值电压时，阈值比较器输出 矩形脉冲串，不同时刻的矩形脉冲串处理后分别得到矩形脉冲串的中心位置， 从而得到该线阵CCD在不同时刻之间的绝对位移。本发明采用了阈值调节，阈 值调节器的输出矩形脉冲信号的个数取决于阈值调节器的阈值电压与线阵CCD 输出信号电压的比较结果；中央处理单元中主要关注的是阈值调节输出的矩形 脉冲串中矩形脉冲信号的个数；所以装置阈值便于程控调节，精度高，噪声小， 可以保存数字电位器输出的最佳工作点的数据，为在不同环境中调节数字电位 器的输出提供了数据支持；

2、本发明在数据的传输上采用了RS485总线接口技术，RS485总线接口技 术具有支持多站的能力、数据传输距离远、传输速率快等优点，在使用中可以 支持256个节点，数据传输距离为1.2km；

3、本发明在数据采集卡上采用了现场可编程门阵列FPGA作为核心元件， 使得装置可以在线编程，易于扩展应用；

4、本发明在数据存储上使用大容量的片外存储设备，可以存储64k*16bits 数据，使用微控制器来控制数据的读写以及不同线阵CCD之间的时序，简化了 控制；

5、本发明具有方便的计算机控制软件，友好的人机交互界面，使用者在远 离实验现场的后方，可以通过计算机方便地完成控制、显示和记录等功能，通 过软件可以设置装置的采样参数，实时显示和模拟振动；

6、由于现有非接触式位移测量装置结构复杂、高成本、不易于调试和扩展， 本发明采用普通电路实现对位移的精确测量，有效降低了实验成本；

7、本发明解决了位移测量装置中不支持多站、数据不能远距离传输、不便 于扩展等问题，具有友好的控制界面，可以实时地、精确完成位移和形变量的 精确测量。

8、本发明支持256个节点，采样率最高5000次/秒，记录时间最大为10 秒，有三种触发方式可供选择，分别为自动触发、手动触发和外部触发，数据 的传输距离大于1.2km，后端记录控制设备在接受到数据采集卡输出的信息后， 可以进行波形数据的显示和三维振动模拟。经过对比实验，装置的测量精度达 到0.1mm。

附图说明

图1是本发明原理图；

图2是本发明的数据采集卡的原理图；

图3是本发明的阈值调节的原理图；

图4是本发明的协议转换模块的原理图；

图5为计算机控制软件的流程图。

具体实施方式

一种用于测量位移和形变量的装置，包括用于提供水平线激光束的水平线激 光源U1、多路测量单元、用于数据接收和控制指令发出的通信模块U5以及计算 机控制软件U6；其中：每路测量单元包括线阵CCD U2、用于数据采集处理的数 据采集模块U3、用于传输及通信的协议转换模块U4。

数据采集卡模块U3包括了初级信号调理P1、中央处理单元P2和片外存储单 元P3。初级信号调理单元P1主要由数字电位器、阈值调节器和可编程逻辑器件 组成，其中数字电位器的输出电压作为阈值调节器的阈值电压，数字电位器的 输出电压由可编程逻辑器件进行控制，初级信号处理单元P1主要是对线阵CCD 输出信号电压进行处理，当线阵CCD输出信号电压超过阈值调节器的阈值电压 后，阈值调节芯片有矩形脉冲串输出；中央处理单元P2使用的是Altera公司的 Cyclone系列FPGA中的EP1C6Q144，主要作用有：为线阵CCD提供驱动脉冲、 通过信号调理后的输出判断出水平线激光在线阵CCD上的中心位置、控制SRAM 上的读写时序和实现硬件中值滤波等；片外存储单元P3用来存储振动测试得到 的数据，使用的芯片型号是IS61LV6416，存储容量为64K*16bits。

协议转换模块U4主要由RS485协议转换C1和微控制器C2组成。RS485协议 转换C1使用的是MAXIM公司的MAX485芯片，主要功能是实现RS485和RS232 协议之间的转换；微控制器C2使用的是Silicon Laboratories公司的C8051F340 芯片，主要功能有：将从中央处理单元P2中得到的数据转换为RS232协议并传 输到RS485协议转换C1中去，同时控制各个线阵CCD节点之间的通信的时序以 防止总线上的时序冲突。

线阵CCD感应的信息输出到数据采集模块U3，在数据采集模块上进行信号 处理，将处理后得到的数字信息存储到大容量SRAM上；

协议转换模块U4将RS485总线作为不同线阵CCD之间、线阵CCD与控制记 录设备之间进行通信的总线，实现了多点通信和数据的远距离传输，将微控制 器作为通信的控制器件，控制总线时序；

通信模块U5主要由传输电缆和USB协议转换芯片组成，USB协议转换使用 的芯片型号FT232，其主要功能是实现USB协议和RS485、RS232协议之间的相 互转换；数据在电缆上进行远距离传输后，经过FT232芯片转换为USB协议后 与计算机控制模块进行通信；

计算机控制模块U6基于VB6.0实现的控制软件作为装置的后端控制记录软 件，软件设计的流程图参看图5，计算机控制软件可以设置装置的采集参数，采 集参数包括了线阵CCD节点的选择、采样率的设置、记录时间的设置和触发方 式的设置，同时还可以实现波形数据显示和三维振动模拟等功能。

本发明的测量步骤：

1、安装测量装置

将整个测量装置布置在要进行位移测量的环境中，其中水平线激光器固定 在被测量装置之外，多个线阵CCD布置在被测量装置上，并处于可接收水平线 激光器发出的激光的位置；

2、在测量环境中进行本底阈值电压标定

将整个测量装置布置在要进行位移测量的环境中，先不打开水平线激光器， 操作数字电位器的输出电压至阈值调节器，作为阈值调节器的阈值电压；当线 阵CCD输出信号电压大于阈值电压时，阈值调节器输出矩形脉冲串，调节阈值 电压，使得阈值电压接近但不超过线阵CCD输出信号电压，即不产生矩形脉冲 串输出，这时的电压就是本底阈值电压；阈值电压需要反复的调节，如果阈值 电压过大，会失去很多有用的信息；如果阈值电压过小，会在系统中引入很多 干扰信号；

3、测量位移

打开水平线激光器，调节水平线激光器的输出强度，使之超过本底阈值电 压20％至100％之间，水平线激光器照射在线阵CCD上，线阵CCD产生响应，输 出模拟电脉冲信号。线阵CCD实现光电转换的单位是像元。感光像元在驱动脉 冲作用下输出电脉冲信号，信号的幅度反应了相应像元感光的强弱，脉冲的输 出顺序与感光像元的位置相一致；当线阵CCD输出信号电压超过设定的本底阈 值电压时，阈值比较器输出矩形脉冲串，矩形脉冲的个数取决于本底阈值电压 和线阵CCD输出信号电压在阈值调节器中的比较结果；

线阵CCD输出模拟电脉冲信号到阈值比较芯片，当信号电压超过设定的本 底阈值电压时，阈值比较芯片输出矩形脉冲串，具体工作过程：

a)线阵CCD的模拟电脉冲信号输出到阈值调节器，阈值调节器的阈值已 经在本底下进行了标定；

b)阈值调节器接收信号，在信号超过阈值电压之后，芯片输出矩形脉冲 串，矩形脉冲的个数取决于阈值电压和线阵CCD输出信号电压的比较结果。

因为水平线激光的强度和宽度随着距离变化，导致线阵CCD输出信号电压 会有变化，这会影响到阈值调节器输出的矩形脉冲的个数，最终会给中央处理 单元判断水平线激光在线阵CCD上的中心位置产生影响。通过理论分析，推算 得到中央处理单元准确判断出水平线激光在线阵CCD上中心位置所需要的矩形 脉冲的个数，这个数值通过计算机发送给中央处理单元。中央处理单元根据计 算机控制模块设定的数值，对矩形脉冲的个数进行统计，如果个数比预先设置 的少，那么通过可编程逻辑器件发送指令到数字电位器，步进减小数字电位器 的输出电压，最终使得阈值调节器输出的矩形脉冲的个数达到预先设置的值； 如果个数比预先设置的多，调节步骤类上。

线阵CCD前加上一个滤光片，可进一步减少杂散光的干扰。

4、数据实时处理

矩形脉冲串输出到中央处理单元中经过处理，得到矩形脉冲串的中心位置， 中央处理单元将此位置作为该线阵CCD在此时的相对位置，并将此数字位置信 息传输到片外存储单元中存储下来；当下一个矩形脉冲串到来时，同理又可以 得到一个该线阵CCD的相对位置并存储之，两者比较，就可以得到该线阵CCD 在两个时刻之间的绝对位移；

5、数据的后处理

片外存储单元存储一定时间的位置数据后，通过485总线传输到计算机控 制模块，实现数据的后处理。

某圆柱形待测平台，高约20米，直径约10米。该测试平台的微小形变量均 可以被装置上布置的非接触式测量装置所测量记录。为了实时监测平台的形变 量，沿某四条光学测量轴线位置上布置了本发明方法中的测量装置。

每条光学测量轴线上各自布置8个线阵CCD U2，每个线阵CCD U2都有一个 与之对应的数据采集模块U3，每条监测线上放置一个水平线激光器U1，所有测 点均采用磁性底座固定在测试平台上。将水平线激光器U1放在监测轴线的一端， 其余各线阵CCD U2测点置于监测轴线的其他位置上，具体布放位置根据实际光 学测量装置本身所关注的位置确定。各个测点近似直线分布，注意应略有错开， 以各个线阵CCD U2可以接收到视场光束为准。

测试中，线阵CCD U2将位移信息转化为相应的电荷信号，输出到数据采集 模块U3中，经过数据采集模块U3的转换，得到数字信号，在协议转换模块U4 的控制下，将该数字信号经过通信模块U5远距离传输到后端的计算机控制模块 U6中，进行观察和记录。

本实验中，设置的采样率为5000次/秒，采集时间为5秒，触发方式为自动 触发，数据的传输距离为1.2km。选用的线阵CCD像元间距为14um，将水平线 激光器在检测区域内线宽为2-4mm。在测量的四路轴线共32个测试点中，通过 与机械法对比标定，测量精度达到0.1mm。在可移动式大型光学测试平台的形变 量实时监测中取得了良好的效果。