CN1884979A - 运动参数测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量运动参数的运动参数测量仪。它是将光栅和光栅读数头分别固定在相对运动的物体上，光栅读数头输出从光栅读取的与运动量相关的电信号，经数据采集***转变为数字信号，经数据处理***获得运动量与时间关系曲线。本发明采用各类光栅对运动参数传感器进行校准，对转台、仿真台、摇摆台、角振动台、低频线振动台等设备的线运动量与角运动量进行现场测量；得到测量过程中任意时刻的位移、速度、加速度或者角位移、角速度、角加速度量值；并可对动态转动量以及转速波动率进行测量。本发明具有测量值分辨率高、测量值的时间分别率高、可将运动量直接溯源到时间及长度或角度等特点，适于静态或动态线运动量及角运动量的测量与校准。

Description

运动参数测量仪

技术领域

本发明涉及一种测量运动参数的运动参数测量仪。

背景技术

运动参数可分为线运动和角运动参数两类。测量运动参数的传感器种类繁多，一般采用位移传感器、速度传感器、加速度计测量线运动参数，采用角位移传感器、陀螺、转速传感器、角加速度计以及各类由惯性传感器组成的***测量角运动参数。

运动参数传感器在测量前需要校准，采用线振动标准和角振动标准对上述传感器进行校准。校准中运动参数的溯源方法主要分为两种，一种是绝对法，用激光干涉法将运动参数溯源到时间、长度或角度量，准确度较高；另一种是比较法，用经过校准的标准传感器测量运动量值，其优点是成本低、方法简单，但准确度较低。具体方法可参照《测量(Measurement)2000年28卷》文章“激光干涉法进行振动和冲击测量溯源”(H.-J.v.Martens，A.Tubner，W.Wabinski，A.Link，H.-J.Schlaak，“Traceability of vibration and shock measurements bylaser interferometry”，Measurement，28(2000)，pp.3-20.)。激光干涉仪由激光器、光学***、光电转换***及信号处理***等组成。激光干涉法进行运动参数测量的基本原理是：从运动物体表面反射的激光其相位及频率与入射光的相位及频率发生偏移，通过检测这一偏移量值，即可得到相应的运动参数。采用激光干涉法进行运动参数测量的优点是准确度高、频率响应范围宽、与被测目标非接触；缺点是***复杂、成本较高，当被测运动物体表面不理想时，信噪比低。

在工程应用中，大量的线振动台、转台、角振动台、惯性测试用仿真台及摇摆台等设备需要进行现场性能测试。目前的方法是采用各类运动参数传感器进行测量，测量准确度及分辨率较低、频响范围窄，不能满足需要。

对稳态转速的测量已经有很多成熟的方法，但对动态转速及转速波动率的测量方法还很少，目前有测速发电机法、多齿及多标记细分法等。测速发电机法利用电磁感应原理，其输出电压与转速成正比，其缺点是进行动态测量频响范围窄、准确度低。多齿及多标记细分法一般由齿盘或标记盘、电容传感器或光电传感器以及测速电路等组成，它们可以将转速测量由整周期测量转变为一个转动周期进行多次转速测量，但其细分数有限，导致瞬时转速的时间分辨率低，不能满足动态测量需要。

发明内容

本发明的目的是提供一种测量准确度高的运动参数测量仪。本发明的技术解决方案是，光栅和光栅读数头分别固定在相对运动的物体上，光栅读数头输出从光栅读取的与运动量相关的电信号，经数据采集***转变为数字信号，经数据处理***获得运动量与时间关系曲线。

其中，光栅包括直线光栅或圆光栅或可弯曲的直线光栅；一个光栅对应一个光栅读数头，或一个光栅对应一组(多个)光栅读数头。

光栅信号调理***对光栅读数头输出的信号进行调理，光栅信号调理***对光栅读数头输出信号进行调理，对一组(多个)读数头输出的多路信号进行合成，最终获得两路相位相差90°的正弦电压信号，输入数据采集***转换为数字信号。

数据采集***进行多路并行采集，包括至少2路模数转换器(ADC)、，放大器以及滤波器等。

数字信号处理***将数据采集***输出的与运动相关的数字信号转变为位移、速度、加速度以及角位移、角速度、角加速度与时间的关系，其测量值的时间分辨率与模数转换器的采样时间间隔相同。

光栅和光栅读数头分别安装在相对静止和待测运动物体上。进行线运动测量时，采用直线光栅；进行角运动测量时，采用圆光栅或可弯曲的直线光栅；圆光栅的轴线与角运动的轴线重合，可弯曲的直线光栅平整地贴在轴线与角运动轴线重合的圆柱体侧面。

U_x＝h+acosφ                                                 (1)

U_y＝k+bsin(φ-φ₀)                (2)

式中，h和k-直流分量；a和b-交流分量的幅值；φ₀-两路信号的非正交相位。

信号调理器中可包含增益、零位、相位调节电路，通过自动或手动的方式调节，使得式(1)(2)中的交流分量的幅值a和b相等，直流分量h和k为零，非正交相位φ₀为零。也可通过数据处理软件方式进行补偿，使得

U′_x＝a′cosφ                     (3)

U′_y＝a′sinφ                     (4)

光栅测量得到的正交信号的相位可以表示为：

$s\left[n\right]=({\tan }^{-1}\frac{U_y^{\′}\left[n\right]}{U_x^{\′}\left[n\right]}+\mathrm{k\π})---\left(5\right)$

式中，n-采样序列号；k-0，1，2，3，…

光栅的一个栅距的距离为λ时，对应的正交信号相位变化为2π，位移值可表示为：

$D\left[\mathrm{n\Δt}\right]=\frac{\mathrm{\λ}}{2\mathrm{\π}}\×s\left[\mathrm{n\Δt}\right]---\left(6\right)$

式中，Δt-ADC采样时间间隔。

由(6)获得每个测量时刻位移与时间的关系。

光栅的一个栅距的角度为θ时，对应的正交信号相位变化为2π，角位移值可表示为：

$\mathrm{\Φ}\left[\mathrm{n\Δt}\right]=\frac{\mathrm{\θ}}{2\mathrm{\π}}\×s\left[\mathrm{n\Δt}\right]---\left(7\right)$

式中，Δt-ADC采样时间间隔。

由(7)获得每个测量时刻角位移与时间的关系。

对应每个时刻的速度和加速度值由位移的一阶差分和二阶差分求出；对应每个时刻的角速度和角加速度值由角位移的一阶差分和二阶差分求出。

本发明采用各类光栅对运动参数进行测量，对转台、仿真台、摇摆台、角振动台、低频线振动台等设备的线运动量与角运动量进行现场测量与校准；得到测量过程中任意时刻的位移、速度、加速度或者角位移、角速度、角加速度量值；并可对动态转动量以及转速波动率进行测量。

本发明具有如下的优良效果：

1.运动参数测量仪采用光栅和光栅读数头的准确度可以直接溯源到长度和角度标准，A/D转换器的采样频率可以直接溯源的时间标准，因而最终测量的运动量值可以直接溯源到时间、长度或角度量等。

2.采用光栅和光栅读数头作为运动参数的敏感元件，光栅和光栅读数头分别固定在不同的物体上，当物体相对运动时，光栅读数头输出与运动量相关的电信号，经数据采集***转换为数字信号，经数据处理***处理后获得运动量与时间关系曲线。采用不同精度等级的光栅可以获得所需的线位移或角位移的测量准确度；采用位数较多的A/D转换器件使运动量的测量分辨率大大提高；采用采样频率较高的A/D转换器件使运动量的时间分辨率大大提高。鉴于速度、加速度以及角速度、角加速度是采用对位移或角位移求导得出，因而运动量值的及其随时间变化分辨率的提高为获得高准确度的运动参数测量值奠定了基础。

3.运动参数测量仪用于校准时，采用一个光栅多个读数头进行测量不仅可以减少光栅的刻划误差和安装误差对测量准确度的影响，而且对线运动台或角运动台的非理想运动引入的误差分量进行补偿，从而提高测量准确度。

4.与激光干涉法相比，采用光栅+读数头的测量方式由于不依赖于被测运动体表面对光的反射特征，因而信噪比高，且信号质量稳定。

附图说明

图1是运动参数测量仪原理示意图；

图2是本发明线运动测量原理示意图；

图3是对角运动模拟台进行校准原理示意图。

具体实施方式

运动参数测量仪，如图1示，它用于测量至少在一个方向线运动量或角运动量与时间的关系，含位移、速度、加速度以及角位移、角速度、角加速度等。它包括至少一个光栅1，若干个光栅读数头2，光栅信号调理***3，数据采集***4和数据处理***5，光栅1和光栅读数头2分别固定在不同的物体上，当物体相对运动时，光栅读数头2输出与运动量相关的电信号，经数据采集***转变为数字信号，经数据处理***处理后获得运动量与时间关系曲线。

其中，光栅包括直线光栅或圆光栅或可弯曲的直线光栅；一个光栅对应一个光栅读数头，或一个光栅对应一组(多个)光栅读数头。

光栅信号调理***对光栅读数头输出的信号进行调理，光栅信号调理***对光栅读数头输出信号进行调理，对一组(多个)读数头输出的多路信号进行合成，最终获得两路相位相90°的正弦电压信号，输入数据采集***转换为数字信号。

数据采集***进行多路并行采集，包括至少2路模数转换器(ADC)、，放大器以及滤波器等。

数字信号处理***将数据采集***输出的与运动相关的数字信号转变为位移、速度、加速度以及角位移、角速度、角加速度与时间的关系，其测量值的时间分辨率与模数转换器的采样时间间隔相同。

光栅和光栅读数头分别安装在相对静止和待测运动物体上。进行线运动测量时，采用直线光栅；进行角运动测量时，采用圆光栅或可弯曲的直线光栅；圆光栅的轴线与角运动的轴线重合，可弯曲的直线光栅平整地贴在轴线与角运动轴线重合的圆柱体侧面。

U_x＝h+acosφ                                                 (1)

U_y＝k+bsin(φ-φ₀)                (2)

式中，h和k-直流分量；a和b-交流分量的幅值；φ₀-两路信号的非正交相位。

信号调理器中可包含增益、零位、相位调节电路，通过自动或手动的方式调节，使得式(1)(2)中的交流分量的幅值a和b相等，直流分量h和k为零，非正交相位φ₀为零。也可通过数据处理软件方式进行补偿，使得

U′_x＝a′cosφ                             (3)

U′_y＝a′sinφ                             (4)

光栅测量得到的正交信号的相位可以表示为：

$s\left[n\right]=({\tan }^{-1}\frac{U_y^{\′}\left[n\right]}{U_x^{\′}\left[n\right]}+\mathrm{k\π})---\left(5\right)$

式中，n-采样序列号；k-0，1，2，3，…

光栅的一个栅距的距离为λ时，对应的正交信号相位变化为2π，位移值可表示为：

$D\left[\mathrm{n\Δt}\right]=\frac{\mathrm{\λ}}{2\mathrm{\π}}\×s\left[\mathrm{n\Δt}\right]---\left(6\right)$

式中，Δt-ADC采样时间间隔。

由(6)获得每个测量时刻位移与时间的关系。

光栅的一个栅距的角度为θ时，对应的正交信号相位变化为2π，角位移值可表示为：

$\mathrm{\Φ}\left[\mathrm{n\Δt}\right]=\frac{\mathrm{\θ}}{2\mathrm{\π}}\×s\left[\mathrm{n\Δt}\right]---\left(7\right)$

式中，Δt-ADC采样时间间隔。

由(7)获得每个测量时刻角位移与时间的关系。

对应每个时刻的速度和加速度值由位移的一阶差分和二阶差分求出；对应每个时刻的角速度和角加速度值由角位移的一阶差分和二阶差分求出。

实施例一，线运动测量

如图2，将直线光栅1安装在线运动台6静止机座上，读数头2安装运动部件上；也可将读数头2安装在线运动台6静止机座上，直线光栅1安装运动部件上。调整直线光栅与运动方向平行，调整读数头2与光栅1的相对位置，使读数头2信号输出正常。运动参数测量仪中的数据采集***4用于采集光栅和被校传感器的电信号。

线光栅读数头输出的两路相位差为90°的正交电信号，经信号调理器后可以表示为式(1)和(2)，按式(3)、(4)和(5)进行非线性补偿及位移计算，获得一系列由式(6)或(7)获得的位移与时间关系的测量结果，对应每个时刻的速度和加速度值由位移的一阶差分和二阶差分求出速度、加速度与时间关系的测量结果。

实施例二，角运动模拟台的校准及转速波动、动态转速测量

本发明可以用于对各类角运动模拟转台(以下简称转台)进行校准。如图3，利用转台台面7或轴端螺钉孔安装芯轴8。转动转台，调整芯轴，使其回转轴线与转台轴的回转轴线重合。在芯轴8上安装光栅1，用压帽9将光栅固定在芯轴8上。将光栅读数头2安装在相对转动轴静止的地方。调整读数头2与光栅1的距离和角度位置，使读数头输出信号正常。采用运动参数测量仪(信号处理部分)测量光栅及转台的控制信号，并进行处理。按照式(3)、(4)和(7)进行非线性补偿及角位移计算，获得一系列如(7)的角位移与时间关系的测量结果，对应每个时刻的角速度和角加速度值由角位移的一阶差分和二阶差分求出角速度、角加速度与时间关系的测量结果。通过与转台控制信号进行比较，校准转台。

进行转速波动及动态转速测量时将光栅与转动轴同轴安装，由式(7)的测量结果按角速度和角加速度值由角位移的一阶差分和二阶差分进行处理，获得转速随时间变化的关系(即动态转速量)，根据需要进行处理获得转速波动值。

Claims (10)

1.一种运动参数测量仪，其特征是，光栅和光栅读数头分别固定在两个相对运动的物体上，光栅读数头输出从光栅读取的与运动量相关的电信号，经数据采集***转变为数字信号，经数据处理***获得运动量与时间关系曲线。

2.根据权利要求1所述的运动参数测量仪，其特征是，光栅包括直线光栅或圆光栅或可弯曲的直线光栅；一个光栅对应一个光栅读数头，或一个光栅对应一组光栅读数头。

3.根据权利要求1所述的运动参数测量仪，其特征是，光栅信号调理***对光栅读数头输出信号进行调理，对一组读数头输出的多路信号进行合成，最终获得两路相位相差90°的正弦电压信号，输入数据采集***转换为数字信号。

4.根据权利要求1所述的运动参数测量仪，其特征是，数据采集***是多路并行采集，包括至少2路模数转换器、放大器以及滤波器。

5.根据权利要求1所述的运动参数测量仪，其特征是，数字信号处理***将数据采集***输出的与运动相关的数字信号转变为位移、速度、加速度以及角位移、角速度、角加速度与时间的关系，其测量值的时间分辨率与模数转换器的采样时间间隔相同；数字信号处理***是指各类计算机、数字信号处理器或其它具有数字信号处理能力的电路单元。

6.根据权利要求2所述的运动参数测量仪，其特征是，光栅和光栅读数头分别安装在相对静止和待测运动物体上。进行线运动测量时，采用直线光栅；进行角运动测量时，采用圆光栅或可弯曲的直线光栅；圆光栅的轴线与角运动的轴线重合，直线光栅平整地贴在轴线与角运动轴线重合的圆柱体侧面。

7.根据权利要求3所述的运动参数测量仪，其特征是，光栅信号调理***输出两路相位间隔为90°的正弦电压信号可表示为：

              U_x＝h+a cos φ

              U_y＝k+b sin (φ-φ₀)

信号调理***中包含增益、零位、相位调节电路，通过自动或手动的方式调节；或通过数据处理软件方式进行补偿，使得

     U_x′＝a′cos φ

     U_y′＝a′sin φ光栅测量得到的正交信号的相位表示为：

$s\left[n\right]=(\mathrm{ta}{n}^{-1}\frac{U_y^{\′}\left[n\right]}{U_x^{\′}\left[n\right]}+\mathrm{k\π})$

8.按权利要求3所述的运动参数测量仪，光栅的一个栅距的距离为λ时，对应的正交信号相位变化为2π，某一时刻nΔt的位移值表示为：

$D\left[\mathrm{n\Δt}\right]=\frac{\mathrm{\λ}}{2\mathrm{\π}}\×s\left[\mathrm{n\Δt}\right]$

9.按权利要求3所述的运动参数测量仪，光栅的一个栅距的角度为θ时，对应的正交信号相位变化为2π，某一时刻nΔt的角位移值表示为：

$\mathrm{\Φ}\left[\mathrm{n\Δt}\right]=\frac{\mathrm{\θ}}{2\mathrm{\π}}\×s\left[\mathrm{n\Δt}\right]$

10.根据权利要求3所述的运动参数测量仪，其特征是，对应每个时刻的速度和加速度值由位移的一阶差分和二阶差分求出；对应每个时刻的角速度和角加速度值由角位移的一阶差分和二阶差分求出。

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