专利名称：一种机械振动的幅度曲线测量方法及其系统的制作方法
技术领域：
本发明属于激光测量技术，涉及一种非接触式激光测量技术，具体是一种机械振动的幅度曲线测量方法及其系统。
背景技术：
目前对机械振动的幅度曲线测量方法，多为非接触式测量，多采用线阵CCD测量， 但其测量振动的幅度精度较差，由于光电器件和电子系统的影响，其测量振动的响应频率较低，而且结构和光学系统较为复杂。
发明内容
本发明的目的是解决现有机械振动的幅度曲线测量方法所存在的精度差和响应频率低的问题。为达上述目的，本发明提供了一种机械振动的幅度曲线测量方法，包括以下步骤
1)、设定初始标准值；
2)、数据采集；
3)、数据保存并清零。上述步骤1)的实现过程是
1. 1)、在远离测试系统的固壁上安装一字线激光模组；
1. 2)、在被测试系统的测量轴线上的计划测量点上依次设置多个采集盒，该计划测量点沿该测量轴线呈近似直线分布，并避免该多个采集盒的高速线阵CCD的感光面的测点互相遮挡接受的光线；
1. 3)、将一字线激光模组发射的一字激光束同时照射到各个采集盒的高速线阵CCD的测点区域内，该高速线阵CCD对打在其感光面上的激光光信号转化为电信号输出给放大电路进行信号的放大；放大后的电信号通过整形与数字处理电路，将模拟信号转换为数字信号，并将此数字信号传输给可编程器件FPGA，实现该可编程器件FPGA对该高速线阵CCD的驱动及入射光中心位置的实时计算，并将计算结果存储到大容量SDRAM中，同时利用可编程器件FPGA实现MAX485芯片的驱动，并通过RS485总线将最后的计算结果传输给控制盒， 由该控制盒将最后的计算结果上传至PC机保存，完成初始标准值的采集和设定。上述步骤2)的实现过程是
当被测试系统受振动、安装面沉降或外力发生形变时，一字激光束在高速线阵CCD测量点的感光面的位置会发生变化，该高速线阵CCD以每秒采集5000个一字激光束在高速线阵CCD测量点的感光面的位置信息，并将该位置信息转化为电信号输出给放大电路进行信号的放大；放大后的电信号通过整形与数字处理电路，将模拟信号转换为数字信号，并将此数字信号传输给可编程器件FPGA，由该可编程器件FPGA对该数字信号进行实时计算，并将计算结果存储到大容量SDRAM中，同时通过RS485总线将最后的计算结果传输给控制盒，由该控制盒将最后的计算结果上传至PC机，从而完成数据的采集。上述步骤3)的实现过程是PC机将来自所述控制盒传输来的数据，分类保存到各个txt文档中，并且绘制出机械振动幅度曲线，同时实现数据清零，该数据清零是指将所有采集到的数据减去所述初始标准值；此处的数据是指由控制盒传输给该PC机的最后的计
晳社里异苎口米。同时，本发明还提供了一种基于前述测量方法的机械振动的幅度曲线测量系统， 该系统包括一字线激光模组，设置在该一字线激光模组的出射光光路上的采集盒，主要完成PC机命令的接收和对该采集盒的控制、数据的传送以及电源的管理的控制盒，所述采集盒是多个，在被测试系统的测量轴线上的计划测量点上依次设置，且近似直线分布，并避免该多个采集盒的高速线阵CCD的感光面的测点互相遮挡接受的激光；所述采集盒包括高速线阵CCD、可编程器件FPGA和存储器、放大电路和整形与数字处理电路，该高速线阵CCD、存储器分别和可编程器件FPGA电连接；所述高速线阵CCD对打在其感光面上的激光光信号转化为电信号输出给所述放大电路进行信号的放大；放大后的信号通过整形与数字处理电路，将模拟信号转换为数字信号；并将此数字信号送入可编程器件FPGA，由该可编程器件 FPGA对该数字信号进行实时计算，并将计算结果存储到所述存储器中，同时通过RS485总线将最后的计算结果传输给控制盒，由该控制盒将最后的计算结果上传至PC机。上述高速线阵CXD选用东芝的高速线阵(XD—TCD2703D，所述可编程器件FPGA采用EP1C6T144C6，所述存储器采用SDRAM，所述控制盒采用MSP430FM7，所述控制盒通过USB 口与所述PC机连接；所述放大电路主要由运放器和高速模拟选择器构成，所述整形与数字处理电路主要由比较器构成。上述运放器采用AD8011AN,高速模拟选择器采用74hc4051，比较器采用AD8561。本发明的优点是系统结构与光路较为简单，测量响应频率较高，测量幅度值精确；安装简单易于操作。
以下将结合附图对本发明做进一步详细说明
图1是本发明提供的机械振动的幅度曲线测量系统的结构示意图。图中1、一字线激光模组；2、采集盒；3、控制盒；4、PC机；5、被测试系统；6、激光； 7、固壁。
具体实施例方式为了解决现有现有机械振动的幅度曲线测量方法所存在的精度差和响应频率低的问题，本实施例提供了一种机械振动的幅度曲线测量方法，包括以下步骤
1)、设定初始标准值；
2)、数据采集；
3)、数据保存并清零。
其中，步骤1)的实现过程是
1. 1)、在远离测试系统的固壁上安装一字线激光模组；
1. 2)、在被测试系统的测量轴线上的计划测量点上依次设置多个采集盒，该计划测量点沿该测量轴线呈近似直线分布，并避免该多个采集盒的高速线阵CCD的感光面的测点互相遮挡接受的光线；
1. 3)、将一字线激光模组发射的一字激光束同时照射到各个采集盒的高速线阵CCD的测点区域内，该高速线阵CCD对打在其感光面上的激光光信号转化为电信号输出给放大电路进行信号的放大；放大后的电信号通过整形与数字处理电路，将模拟信号转换为数字信号，并将此数字信号传输给可编程器件FPGA，实现该可编程器件FPGA对该高速线阵CCD的驱动及入射光中心位置的实时计算，并将计算结果存储到大容量SDRAM中，同时利用可编程器件FPGA实现MAX485芯片的驱动，并通过RS485总线将最后的计算结果传输给控制盒， 由该控制盒将最后的计算结果上传至PC机保存，完成初始标准值的采集和设定。步骤2)的实现过程是
当被测试系统受振动、安装面沉降、外力发生形变等原因影响时，一字激光束在高速线阵CCD测量点的感光面的位置会发生变化，该高速线阵CCD以每秒采集5000个一字激光束在高速线阵CCD测量点的感光面的位置信息，并将该位置信息转化为电信号输出给放大电路进行信号的放大；放大后的电信号通过整形与数字处理电路，将模拟信号转换为数字信号，并将此数字信号传输给可编程器件FPGA，由该可编程器件FPGA对该数字信号进行实时计算，并将计算结果存储到大容量SDRAM中，同时通过RS485总线将最后的计算结果传输给控制盒，由该控制盒将最后的计算结果上传至PC机，从而完成数据的采集。步骤3)的实现过程是PC机将来自所述控制盒传输来的数据，分类保存到各个 txt文档中，并且绘制出机械振动幅度曲线，同时实现数据清零，该数据清零是指将所有采集到的数据减去所述初始标准值；此处的数据是指由控制盒传输给该PC机的最后的计算结果。同时，本发明还提供了图1所示的基于前述测量方法的机械振动的幅度曲线测量系统，该系统包括一字线激光模组1 (应用时将其安装在远离测试系统的固壁7上)，设置在该一字线激光模组1的出射光光路上的采集盒2，主要完成PC机4命令的接收和对该采集盒2的控制、数据的传送以及电源的管理的控制盒3，采集盒2包括高速线阵CCD、可编程器件FPGA和存储器、放大电路和整形与数字处理电路，该高速线阵CCD、存储器分别和可编程器件FPGA电连接；高速线阵CCD对打在其感光面上的激光6光信号转化为电信号输出给所述放大电路进行信号的放大；放大后的信号通过整形与数字处理电路，将模拟信号转换为数字信号；并将此数字信号送入可编程器件FPGA，由该可编程器件FPGA对该数字信号进行实时计算，并将计算结果存储到存储器中，同时通过RS485总线将最后的计算结果传输给控制盒3，由该控制盒3将最后的计算结果上传至PC机4。采集盒2是多个，在被测试系统5的测量轴线上的计划测量点上依次设置，该计划测量点沿该测量轴线呈近似直线分布，并避免该多个采集盒2的高速线阵CCD的感光面的测点互相遮挡接受的光线。其中，高速线阵CXD选用东芝的高速线阵(XD—TCD2703D，所述可编程器件FPGA采用EP1C6T144C6，所述存储器采用SDRAM，所述控制盒采用MSP430FM7，所述控制盒通过USB 口与所述PC机连接；所述放大电路主要由运放器和高速模拟选择器构成，所述整形与数字处理电路主要由比较器构成。 其中，运放器采用AD8011AN,高速模拟选择器采用74hc4051，比较器采用AD8561。
上述高速线阵CXD选用东芝的高速线阵(XD—TCD2703D，所述可编程器件FPGA采用EP1C6T144C6，所述存储器采用SDRAM，所述控制盒采用MSP430FM7，所述控制盒通过USB 口与所述PC机连接；所述放大电路主要由运放器和高速模拟选择器构成，所述整形与数字处理电路主要由比较器构成。本系统中的高速线阵CXD选用东芝的高速线阵(XD—TCD2703D，该高速线阵CXD 能够支持的最高扫描速率为4. 05us+(7500+14》/(2*25)us =156. 89us,即6. 37k。在单片机以涨速率控制FPGA对CCD扫描时，FPGA仍可有200us -156. 89us=43. Ilus进行其他数据处理。采用该CCD完全可以实现每秒5000个数据的采集。该CCD的象元点距为9. 325us，共7500个有效象元点，本系统采用其奇数行输出进行运算，象元点距为 9. 325um*2=18. 65um，测量精度可达微米级；给FPGA数字处理系统对激光信号5个数量级的判断误差即18. 65um*5=93. 26um,即至少可以达到0. 093mm的测量精度。该CXD的总长度为 7500*9. 325=69937. 5us=69. 9375mm,测量范围约为士 :35mm，考虑激光器本身存在1 2mm的线宽，为保证测量数据的准确性，本系统测量范围定为士30mm，由此可见本系统具有较高的测量精度。本系统的可编程器件FPGA选择EP1C6T144C6，该芯片内部运行速率最高可达 166MHz，可满足对CCD的驱动以及输出信号数字信号的处理、计算与存储。我们还利用 TCD2703D对红蓝绿三路光的感应特性，对不同颜色的单色激光的衰减不同，实现了大范围光强下的线状激光信号的中心位置的准确提取。通过F P G A程序，实现了对三种光路的识别，并且从三路光路中选择一路最适合于计算光线中心的光路，进行自动的增益调整，使该光路特性达到最佳的计算条件，从而使得中心位置计算变的更精确。信号放大当采用25MHz的扫描速率对CCD进行驱动时，CCD输出信号的基频为 25MHz/0. 4=62. 5MHz，考虑4倍放大，则需要的带宽增益积为250MHz以上的运放，此案选用 300MHz的AD8011AN的运放。因为考虑到采集盒安放位置不同，或采用不同的一字线激光器，所采集到的激光线信号的强弱不同，故采用对高速模拟选择器74hc4051的控制来进行自动增益调控。利用FPGA对高速模拟选择器74hc4051的控制进行自动增益调控。在5V 供电时该模拟选择器可通过145MHz以上的信号。整形与数字处理电路经过放大后的信号，可以通过AD采样后送往FPGA，但那样对信号放大的失真度要求高，必须保证AD采样器件信号已经平稳，即要保证信号的3倍频无衰减通过，则此时对放大器带宽增益积要求变为62. 5*3*4=750MHz，此种运放太贵，且电路不容易设计。为此通过将放大后的CCD信号通过高速比较器后，直接送到FPGA，通过设定比较门限和数字信号处理，确定光线的边缘。比较器的响应速度需要大于1/62. 5MHz=16ns, 此案选用AD公司的7ns比较器AD8561。数据存储(SDROM)每个下位机每秒需要存储证个点数据，每个点数据的取值范围是-30. 9到30. 9，存储的数据χ与实际数据y的关系如下
X=(y+30.9)*10，y=x/10-30.9，X的最大值为618，需采用2个字节存储，所以10秒需要存储5kWOrd*10s=50kWOrd数据，考虑到今后系统的扩展要求，可采用 512k*16bit*2banks 的 KM416S1120D 高速 SDRAM 芯片，该芯片最多可以存储 512*2/50=200s 数据。控制盒主要完成PC机命令的接收和对各采集盒的控制、数据的传送以及电源的管理。控制盒采用MSP430F247作为主控器，利用USB 口与PC机通信，以保证数据的高速传输；同时利用RS485总线与采集盒通信。采集器在接收到控制盒的“开始采集”命令后， 由各自高精度定时器定时采集。由于采样率最高为5KHz，设时钟精度为Ippm (即每秒偏移 lus)，则IOOs内各采集器采样时钟最大偏移差为0. ans，不到一个采样点，可保证各采集盒的准同步采集。PC机的应用软件负责接收单片机传输来的数据，并将该数据分类保存到各个txt 文档中。并且绘制初幅度曲线，并利用PC的应用软件实现数据的“清零”功能(记录标准值， 并将所有采集到的数据减去该标准值。txt文档保存的数据为原始数据减去标准值后的数据)。系统采用触发方式进行高速同步采集存储，采集结束后，再将采集到的数据传输给PC 机。系统有两种触发采集方式，一种是软件触发，另一种是硬件触发，以便实验时的同步采集。该系统各采集盒的采集速率可在500Hz、1ΚΗζ、2. 5KHz、5KHz选择，采样时间长度可在^ IOOs之间选择，采集盒个数可在1一16之间选择。当将线状激光器固定，各采集盒与被测位置固定时，可以高速同步测量各个被测位置的位移，精度可达士0. 1mm。综上所述，本系统具有结构与光路简单，测量响应频率较高，测量幅度值精确；安装简单易于操作的优点。以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种机械振动的幅度曲线测量方法，其特征在于，包括以下步骤1)、设定初始标准值；2)、数据采集；3)、数据保存并清零。
2.如权利要求1所述的机械振动的幅度曲线测量方法，其特征在于，所述步骤1)的实现过程是1. 1)、在远离测试系统的固壁上安装一字线激光模组；1. 2)、在被测试系统的测量轴线上的计划测量点上依次设置多个采集盒，该计划测量点沿该测量轴线呈近似直线分布，并避免该多个采集盒的高速线阵CCD的感光面的测点互相遮挡接受的激光；1. 3)、将一字线激光模组发射的一字激光束同时照射到各个采集盒的高速线阵CCD的测点区域内，该高速线阵CCD对打在其感光面上的激光光信号转化为电信号输出给放大电路进行信号的放大；放大后的电信号通过整形与数字处理电路，将模拟信号转换为数字信号，并将此数字信号传输给可编程器件FPGA，实现该可编程器件FPGA对该高速线阵CCD的驱动及入射光中心位置的实时计算，并将计算结果存储到大容量SDRAM中，同时利用可编程器件FPGA实现MAX485芯片的驱动，并通过RS485总线将最后的计算结果传输给控制盒， 由该控制盒将最后的计算结果上传至PC机保存，完成初始标准值的采集和设定。
3.如权利要求1所述的机械振动的幅度曲线测量方法，其特征在于，所述步骤2)的实现过程是当被测试系统受振动、安装面沉降、外力发生形变等原因影响时，一字激光束在高速线阵CCD测量点的感光面的位置会发生变化，该高速线阵CCD以每秒采集5000个一字激光束在高速线阵CCD测量点的感光面的位置信息，并将该位置信息转化为电信号输出给放大电路进行信号的放大；放大后的电信号通过整形与数字处理电路，将模拟信号转换为数字信号，并将此数字信号传输给可编程器件FPGA，由该可编程器件FPGA对该数字信号进行实时计算，并将计算结果存储到大容量SDRAM中，同时通过RS485总线将最后的计算结果传输给控制盒，由该控制盒将最后的计算结果上传至PC机，从而完成数据的采集。
4.如权利要求1所述的机械振动的幅度曲线测量方法，其特征在于，所述步骤3)的实现过程是PC机将来自所述控制盒传输来的数据，分类保存到各个txt文档中，并且绘制出机械振动幅度曲线，同时实现数据清零，该数据清零是指将所有采集到的数据减去所述初始标准值；此处的数据是指由控制盒传输给该PC机的最后的计算结果。
5.如权利要求1或2所述的机械振动的幅度曲线测量方法，其特征在于，所述步骤2) 的实现过程是当被测试系统受振动、安装面沉降或外力发生形变时，一字激光束在高速线阵CCD测量点的感光面的位置会发生变化，该高速线阵CCD以每秒采集5000个一字激光束在高速线阵CCD测量点的感光面的位置信息，并将该位置信息转化为电信号输出给放大电路进行信号的放大；放大后的电信号通过整形与数字处理电路，将模拟信号转换为数字信号，并将此数字信号传输给可编程器件FPGA，由该可编程器件FPGA对该数字信号进行实时计算，并将计算结果存储到大容量SDRAM中，同时通过RS485总线将最后的计算结果传输给控制盒，由该控制盒将最后的计算结果上传至PC机，从而完成数据的采集。
6.如权利要求1或2或3所述的机械振动的幅度曲线测量方法，其特征在于，所述步骤 3)的实现过程是PC机将来自所述控制盒传输来的数据，分类保存到各个txt文档中，并且绘制出机械振动幅度曲线，同时实现数据清零，该数据清零是指将所有采集到的数据减去所述初始标准值；此处的数据是指由控制盒传输给该PC机的最后的计算结果。
7.如权利要求5所述的机械振动的幅度曲线测量方法，其特征在于，所述步骤3)的实现过程是PC机将来自所述控制盒传输来的数据，分类保存到各个txt文档中，并且绘制出机械振动幅度曲线，同时实现数据清零，该数据清零是指将所有采集到的数据减去所述初始标准值；此处的数据是指由控制盒传输给该PC机的最后的计算结果。
8.一种机械振动的幅度曲线测量系统，其特征在于包括一字线激光模组，设置在该一字线激光模组的出射光光路上的采集盒，主要完成PC机命令的接收和对该采集盒的控制、数据的传送以及电源的管理的控制盒；所述采集盒是多个，在被测试系统的测量轴线上的计划测量点上依次设置，且近似直线分布，并避免该多个采集盒的高速线阵CCD的感光面的测点互相遮挡接受的激光；所述采集盒包括高速线阵CCD、可编程器件FPGA和存储器、放大电路和整形与数字处理电路，该高速线阵CCD、存储器分别和可编程器件FPGA电连接；所述高速线阵CCD对打在其感光面上的激光光信号转化为电信号输出给所述放大电路进行信号的放大；放大后的信号通过整形与数字处理电路，将模拟信号转换为数字信号；并将此数字信号送入可编程器件FPGA，由该可编程器件FPGA对该数字信号进行实时计算，并将计算结果存储到所述存储器中，同时通过RS485总线将最后的计算结果传输给控制盒，由该控制盒将最后的计算结果上传至PC机。
9.如权利要求8所述的机械振动的幅度曲线测量系统，其特征在于所述高速线阵CCD 选用东芝的高速线阵CCD-TCD2703D，所述可编程器件FPGA采用EP1C6T144C6，所述存储器采用SDRAM，所述控制盒采用MSP430FM7，所述控制盒通过USB 口与所述PC机连接；所述放大电路主要由运放器和高速模拟选择器构成，所述整形与数字处理电路主要由比较器构成。
10.根据权利要求9所述的机械振动的幅度曲线测量系统，其特征在于所述运放器采用AD8011AN，高速模拟选择器采用74hc4051，比较器采用AD8561。
全文摘要
本发明属于激光测量技术领域，提供了机械振动的幅度曲线测量方法，包括步骤1)设定初始标准值；2)数据采集；3)数据保存并清零。本发明还提供了机械振动的幅度曲线测量系统，该系统包括一字激光模组，设置在该一字激光模组的出射光光路上的采集盒，主要完成PC机命令的接收和对该采集盒的控制、数据传送及电源管理的控制盒，采集盒是多个，在被测试系统的测量轴线上的计划测量点上依次设置，且近似直线分布，并避免多个采集盒的高速线阵CCD的感光面的测点互相遮挡接受的激光；解决了现有机械振动的幅度曲线测量方法所存在的精度差和响应频率低的问题，具有结构与光路较为简单，测量响应频率较高，测量幅度值精确；安装简单易于操作。
文档编号G01H9/00GK102445265SQ20111039283
公开日2012年5月9日 申请日期2011年12月1日 优先权日2011年12月1日
发明者孙建华, 袁科 申请人:西安华科光电有限公司
专业数控铣床产品供应商
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