專利名稱：固體速度及長度非接觸測量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種用于測量固體速度及長度的系統(tǒng)，屬于固體速度及長度非接觸測量的創(chuàng)新技術(shù)。
現(xiàn)有用于測量速度及長度的方法，大多采用先測量驅(qū)動輥輪的轉(zhuǎn)速，再求出固體速度及長度的間接測量方法，由于輥輪與工件之間的打滑及輥輪摩擦等因素的影響，故其測量精度低，還必須經(jīng)常校準(zhǔn)，且效率不高，不能與現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的要求相適應(yīng)，特別是工業(yè)生產(chǎn)中許多貴重物品的速度及長度測量，迫切需要精度高，效率高的測量系統(tǒng)。
本發(fā)明的目的在于考慮上述問題而提供一種不僅測量精度高，測速范圍廣，而且分辨率高，可測信噪比較低的固體速度及長度非接觸測量系統(tǒng)。
本發(fā)明的原理框圖如

圖1所示，包括有測量傳感器和信號處理裝置，測量傳感器包括激光傳感器(1)和信號調(diào)理裝置(2)，信號處理裝置包括數(shù)據(jù)采集卡(3)和互相關(guān)分析儀(4)，其中信號調(diào)理裝置(2)的輸入端與激光傳感器(1)的輸出端連接，信號調(diào)理裝置(2)的輸出端與數(shù)據(jù)采集卡(3)的輸入端連接，數(shù)據(jù)采集卡(3)的輸出端與互相關(guān)分析儀(4)的輸入端連接。
下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)及工作情況圖1為本發(fā)明的原理框圖；圖2為本發(fā)明中測量傳感器的原理框圖3為本發(fā)明中信號調(diào)理裝置(2)的電路原理圖；圖4為本發(fā)明中互相關(guān)分析儀(4)的原理框圖。
本發(fā)明的原理框圖如圖1所示，包括有測量傳感器和信號處理裝置，測量傳感器包括激光傳感器(1)和信號調(diào)理裝置(2)，信號處理裝置包括數(shù)據(jù)采集卡(3)和互相關(guān)分析儀(4)，其中信號調(diào)理裝置(2)的輸入端與激光傳感器(1)的輸出端連接，信號調(diào)理裝置(2)的輸出端與數(shù)據(jù)采集卡(3)的輸入端連接，數(shù)據(jù)采集卡(3)的輸出端與互相關(guān)分析儀(4)的輸入端連接。上述激光傳感器(1)包括有發(fā)射部分和接收部分，其中發(fā)射部分包括有半導(dǎo)體激光器(11)、準(zhǔn)直鏡(12)、分束器(13)、整形鏡(14)，接收部分包括有接收透鏡(15)和PIN光電二極管(16、17)，準(zhǔn)直鏡(12)置于半導(dǎo)體激光器(11)與分束器(13)之間，整形鏡(14)置于分束器(13)與被測物體之間，接收透鏡(15)置于能接收到被測物體表面反射光的位置，PIN光電二極管(16、17)置于接收透鏡(15)與信號調(diào)理裝置(2)之間。上述半導(dǎo)體激光器(11)為紅光半導(dǎo)體激光器。另外，為避免半導(dǎo)體激光器輸出功率受溫度、電流等因素影響，上述半導(dǎo)體激光器(11)的供電電源為穩(wěn)功率電源(18)。為保證相關(guān)測量兩束光的光強保持一致，以提高測量的精度，上述分束器(13)為將一束光平均分為兩束平行光的分束器。為能保證系統(tǒng)的統(tǒng)計測量精度，保持反映被測物體速度及長度特征信息的兩個隨機噪聲信號的相關(guān)性，且使測量傳感器光路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)盡可能簡單，上述分束器(13)輸出光束的間距h為4～8mm，而且上述整形鏡(14)聚焦輸出的光斑為兩個相互平行的線光斑，上述接收透鏡(15)為單個透鏡。為保證激光傳感器(1)的輸出信號滿足數(shù)據(jù)采集卡(3)輸入端的要求，系統(tǒng)設(shè)計了信號調(diào)理裝置(2)，信號調(diào)理裝置(2)可為兩路若干級前置放大電路，在實際應(yīng)用中采用兩路單級前置放大電路即可，前置放大電路包括光電二極管D、三極管T、調(diào)幅電阻R、去偶電容C，三極管T的基極與光電二極管D的陰極連接，三極管T的發(fā)射極分別與光電二極管D的陽極及去偶電容C的一端連接，并與+5V直流穩(wěn)壓電源連接，三極管T的集電極與調(diào)幅電阻R的一端連接，調(diào)幅電阻R、去偶電容C的另一端均接地。為每一步確保測量的精確度，上述互相關(guān)分析儀(4)的互相關(guān)分析運算采用在線直接計算法。其為在相應(yīng)工業(yè)微型計算機硬、軟件環(huán)境下，采用開環(huán)逐點運算的方法，以一定的步長逐點計算出測量范圍內(nèi)各延遲時間點處互相關(guān)函數(shù)的值，并進行峰值檢測，搜索互相關(guān)函數(shù)的峰值位置，從而獲取渡越時間τ。由上述光束的間距h和渡越時間τ，則可求出被測物體的速度V＝h/τ及長度L＝VT。這種在線互相關(guān)分析儀在硬件及軟件的結(jié)構(gòu)設(shè)計上保證了測量系統(tǒng)的統(tǒng)計測量精度和系統(tǒng)的響應(yīng)速度。為能順利地完成對兩路隨機相關(guān)噪聲信號的數(shù)據(jù)采集和存儲，上述數(shù)據(jù)采集卡(3)為PCI-1200多功能卡。
本發(fā)明用于測量物體的速度及長度時，將激光傳感器(1)的發(fā)射部分和接收部分置于分別能照射到被測物體表面和能接收到被測物體表面反射光的位置上，開啟穩(wěn)功率電源(18)，則半導(dǎo)體激光器(11)輸出的具有一定發(fā)散角的光束經(jīng)準(zhǔn)直鏡(12)后將其準(zhǔn)直為一個發(fā)散角僅為0.5mrad的平面波束，隨之分束器(13)將一束光平均分為兩束平行光，隨后整形鏡(14)將兩個圓形光斑修整為兩個寬度僅為0.15mm，長度為2mm的狹長橢圓光斑而照射在被測物體表面上，兩束狹長橢圓光斑在采樣上不僅使得被測物體的微細(xì)結(jié)構(gòu)不會由于光斑卷積作用而被平均化，以充分獲取速度信息的高頻成份，而且保證了前后兩個光斑已有足夠多的重疊軌跡，從而降低了沿速度方向的安裝精度要求，確保了兩束光采樣信號的相關(guān)性。由于接收透鏡(15)采用單個透鏡，故可擴大接收孔徑，增加接收的光能量以提高接收信噪比。PIN光電二極管(16、17)的面積為3×3mm2，與狹長橢圓光斑的大小相仿，故光路結(jié)構(gòu)采用4f成象系統(tǒng)，以將兩束光之間的信號竄擾降至可以接受的程度。數(shù)據(jù)采集卡(3)在其驅(qū)動程序的控制下完成對來自兩路一級前置放大電路的隨機相關(guān)噪聲信號的高速數(shù)據(jù)采集和存儲，并隨之將數(shù)據(jù)送到互相關(guān)分析儀(4)進行互相關(guān)分析運算，互相關(guān)分析儀(4)對兩個隨機相關(guān)噪聲信號的采樣數(shù)據(jù)，采用在線開環(huán)逐點運算的方法，分析獲取渡越時間τ，從而由上述光束的間距h和渡越時間τ，求出被測物體的速度V及長度L。由于采樣信號既保留了原始信號的相位信息，同時又保留了幅值信息，因而這種算法在相同的在線測量的響應(yīng)速度前提下，其統(tǒng)計測量精度肯定優(yōu)于極性相關(guān)分析算法。
本發(fā)明由于采用了激光傳感器，因平行光束的入射點就是測量探頭，故其測量過程中對被測物體沒有干擾，不受環(huán)境條件的限制，因此，本測量系統(tǒng)可用于各種場合進行測量，尤其是可以方便地用在有毒、高溫或具有腐蝕性的場合；另外，本發(fā)明中測量用兩束光采用單激光器的結(jié)構(gòu)，所以當(dāng)光源功率即使發(fā)生漂移，也能保證兩束光漂移的大小與方向相同，漂移產(chǎn)生的誤差會在互相關(guān)運算分析中加以抵消，從而保證測量的精確度；同時，由于激光束可以聚焦在很小的區(qū)域內(nèi)，其能量幾乎可以集中在空間的一條直線或一個點處，當(dāng)被測物體相對于敏感器件運動時，固體表面隨機噪聲引起的隨機調(diào)制作用所受到的空間低通濾波效應(yīng)將會大大減弱，從而保證隨機信號有較寬的頻帶及有較高的空間和時間分辨率。此外，由于互相關(guān)分析儀采用數(shù)字式直接計算法，因此，在相同在線測量的響應(yīng)速度前提下，其統(tǒng)計測量精度明顯優(yōu)于極性相關(guān)分析，且可降低可測信噪比。本發(fā)明是一種測速及測長精度高，測量范圍廣，而且分辨率高，可測信噪比低的固體速度及長度非接觸測量系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1.一種固體速度及長度非接觸測量系統(tǒng)，包括有測量傳感器和信號處理裝置，其特征在于測量傳感器包括激光傳感器(1)和信號調(diào)理裝置(2)，信號處理裝置包括有數(shù)據(jù)采集卡(3)和互相關(guān)分析儀(4)，其中信號調(diào)理裝置(2)的輸入端與激光傳感器(1)的輸出端連接，信號調(diào)理裝置(2)的輸出端與數(shù)據(jù)采集卡(3)的輸入端連接，數(shù)據(jù)采集卡(3)的輸出端與互相關(guān)分析儀(4)的輸入端連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量系統(tǒng)，其特征在于上述激光傳感器(1)包括有發(fā)射部分和接收部分，其中發(fā)射部分包括有半導(dǎo)體激光器(11)、準(zhǔn)直鏡(12)、分束器(13)、整形鏡(14)，接收部分包括有接收透鏡(15)和PIN光電二極管(16、17)，準(zhǔn)直鏡(12)置于半導(dǎo)體激光器(11)與分束器(13)之間，整形鏡(14)置于分束器(13)與被測物體之間，接收透鏡(15)置于能接收到被測物體表面反射光的位置，PIN光電二極管(16、17)置于接收透鏡(15)與信號調(diào)理裝置(2)之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的測量系統(tǒng)，其特征在于上述半導(dǎo)體激光器(11)為紅光半導(dǎo)體激光器，其供電電源為穩(wěn)功率電源(18)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的測量系統(tǒng)，其特征在于上述分束器(13)為將一束光平均分為兩束平行光的分束器。
5.根據(jù)權(quán)利要求5所述的測量系統(tǒng)，其特征在于上述分束器(13)輸出光束的間距h為4～8mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的測量系統(tǒng)，其特征在于上述整形鏡(14)聚焦輸出的光斑為兩個相互平行的線光斑。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的測量系統(tǒng)，其特征在于上述接收透鏡(15)為單個透鏡。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量系統(tǒng)，其特征在于上述數(shù)據(jù)采集卡(3)為PCI-1200多功能卡。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量系統(tǒng)，其特征在于上述互相關(guān)分析儀(4)的互相關(guān)分析運算采用在線直接計算法。
全文摘要
本發(fā)明是一種用于測量固體速度及長度的系統(tǒng)。包括有測量傳感器和信號處理裝置,其中測量傳感器包括激光傳感器和信號調(diào)理裝置,信號處理裝置包括有數(shù)據(jù)采集卡和互相關(guān)分析儀。本發(fā)明由于采用了激光傳感器,因兩平行光束的入射點就是測量探頭,故其測量過程中對被測物體沒有干擾,不受環(huán)境條件的限制,可用于各種場合進行測量;此外,由于互相關(guān)分析儀采用在線數(shù)字式直接計算法,因此,在相同的在線測量響應(yīng)速度前提下,其統(tǒng)計測量精度明顯優(yōu)于極性相關(guān)分析,且可降低可測信噪比。
文檔編號G01B11/04GK1249420SQ99116050
公開日2000年4月5日 申請日期1999年2月4日 優(yōu)先權(quán)日1999年2月4日
發(fā)明者鄭瑩娜, 劉強, 陳長纓, 李揚, 司徒忠, 李定華, 吳黎明, 唐露新 申請人:廣東工業(yè)大學(xué)