CN202048888U

CN202048888U - 一种高速位移激光检测***

Info

Publication number: CN202048888U
Application number: CN2010206695247U
Authority: CN
Inventors: 孙建华; 袁科; 何先灯
Original assignee: Xian Huanic Optoelectronic Corp Ltd
Current assignee: Xian Huanic Optoelectronic Corp Ltd
Priority date: 2010-12-19
Filing date: 2010-12-19
Publication date: 2011-11-23
Anticipated expiration: 2020-12-19

Abstract

本实用新型涉及一种高速位移激光的检测***。该***包括一字线激光器以及设置一字线激光器出射光路上的采集盒。运用本实用新型可以对激光线束的绝对和相对位置检测，以及线束的线宽检测等；也可以转化为对位移、长度、角位移等的测量；如应用对一字线激光进行线直度测量(如激光线束检测仪)，激光仪器的综合检测等等。尤其适合应用于平台的变形检测，建筑上悬梁震动测试、铁轨桥梁的震动测试、***对平台的震动测试等等。

Description

一种高速位移激光检测***

技术领域

本实用新型涉及一种高速位移激光的检测***。

背景技术

在现代测量***中，常需要测量桥梁、悬梁和平台等的形变情况，以检验设计的可靠性。现有的测量方式大多都采用静态方式测量，仅仅能够测量桥梁、悬梁和平台等在一定负荷下的静态形变情况。实际上，在使用这些设备时，不可避免的存在动态形变过程，这些动态形变可能对设备造成毁灭性的损害。

而在目前平台的变形检测，建筑上悬梁震动测试、铁轨桥梁的震动测试、***对平台的震动测试等等的检测应用的论文和相关文章中，常提到通过面阵CCD来对激光线束进行成像，通过图像采集、数字图像处理，提取激光线束在CCD上的投影位置信息的变化，从而实现激光位移检测的目的。然而其开发和应用复杂，而且测量精度较低，只能作为静态检测，动态实时检测效果不佳等原因而没有得到实际应用。

实用新型内容

本实用新型是在通过一种用线阵CCD测量激光束位置与线宽的检测方法在高速CCD的应用，来测量高速位移激光的***。利用这一***可以得到激光束位置与线宽信息后；可以转化为对位移、长度、角位移等的测量；如应用此方法进行平台的变形和振幅检测，对一字线激光进行线弯曲度检测(如激光线束检测仪)，激光仪器的综合检测，光学不平行度检测，轨道直线度检测、轨道变化量检测等等。(我想把范围做些拓展，其余挺好)

本实用新型的技术解决方案是：本实用新型为一种高速位移激光的检测***，其特殊之处在于：该***包括一字线激光器以及设置一字线激光器出射光路上的采集盒。

上述采集盒是一个或多个。

上述采集盒包括高速线阵CCD，可编程器件(FPGA)和存储器，所述高速线阵CCD设置在一字线激光器的出射光路上，所述高速线阵CCD、存储器分别和可编程器件(FPGA)连接，应用高速线阵CCD做激光位移检测，实现数据的高速采集和传输。

上述采集盒还包括放大电路和整形与数字处理电路，可编程器件(FPGA)发出驱动信号，驱动高速线阵CCD工作；高速线阵CCD对打在其感光面上的的激光光信号转化为电信号输出；电信号通过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)。

上述放大电路主要由运放器和高速模拟选择器构成，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。

上述高速线阵CCD采用东芝的高速线阵CCD--TCD2703D，所述可编程器件采用EP1C6T144C6，所述存储器采用SDRAM。

该***还包括PC机，所述采集盒与PC机连接。

该***还包括控制盒，所述采集盒通过控制盒和计算机连接。

上述控制盒采用MSP430F247，所述控制盒通过RS485总线与采集盒连接，通过USB口与PC机连接。

本实用新型通过入射到高速线阵CCD感光面的激光束的高斯曲线的两边沿做激光线束的边缘判断，取两边沿内像元点的个数为激光的相对线宽。并取相对线宽的中心作为激光线束的位置中心，从而得到激光线束的在CCD感光面得绝对位置。由于CCD是高速驱动，从而实现激光线束的高速位移测量。同时本实用新型采用高速线阵CCD，其结构简单，成本较低，并且由于高速线阵CCD实时传输光电变换信号和自扫描速度非常快、频率响应非常高，能够实现的非接触、高速、动态形变测量***。本实用新型还通过用高速线阵CCD在一种用线阵CCD测量激光束在CCD感光面的激光线宽与位置的方法的应用，通过应用测量入射到线阵CCD感光面的激光位置与线宽的判断，从而得到激光在CCD感光面的绝对位置的光电检测方法，及运用这一方法对激光线束的绝对和相对位置检测，以及线束的线宽检测等；也可以转化为对位移、长度、角位移等的测量；如应用对一字线激光进行线直度测量(如激光线束检测仪)，激光仪器的综合检测等等。尤其适合应用于平台的变形检测，建筑上悬梁震动测试、铁轨桥梁的震动测试、***对平台的震动测试等等，

附图说明

图1为本实用新型具体实施例的结构示意图；

图2为本实用新型采集盒的原理框图。

图3为本实用新型采集盒采用的放大电路的电路原理图；

图4为本实用新型采集盒采用的整形与数字处理电路的电路原理图；

图5为本实用新型数据传送框图。

具体实施方式

参见图1，本实用新型的一个较佳实施例的结构由一个PC机4、一个控制盒3、一个一字线激光器1和5个采集盒2构成，在远离被测试***5的固壁上安装一字线激光器1，在被测试***5的计划测量点上布置采集盒2，测点可为一个或多个，采集盒2位于一字线激光器1出射的激光线6上。

参见图2，采集盒2以高速硬件处理器FPGA为主控器，实现CCD信号驱动、CCD输出信号整形、CCD信号的同步采集、CCD信号的处理、数据的存储以及数据的上传。数据采用485总线进行上传。

实现高速采集的方法是

FPGA通过数字逻辑信号驱动后高速线阵CCD对打在其感光面上的的激光光信号转化为电信号输出；电信号通过放大电路进行信号的放大；放大后的信号通过数字整形电路，将模拟信号转换为数字信号；将此数字信号送入FPGA进行计算，得出线宽和位置信息。

高速线阵CCD：高速线阵CCD选用TCD2703C，该器件为高速彩色CCD，像元点数为7500*3个，像元间距为9.325um，采用奇偶方式并行驱动，最高工作始终未25MHz，能够支持的最高扫描速率为4.05us+(7500+142)/(2*25)us＝156.89us，即6.37k。在单片机以5K速率控制FPGA对CCD扫描时，FPGA仍可有200us-156.89us＝43.11us进行其他数据处理。我们采用其奇数行输出进行运算，象元点距为9.325us*2＝18.65us，测量精度可达微米级，可满足***测量距离0.1mm的精度要求。该CCD的总长度为7500*9.325＝69937.5us＝69.9375mm，可满足***测量范围为±30mm的要求。

主控：FPGA选择EP1C6T144C6，该芯片内部运行速率最高可达166MHz，可满足对CCD输出型号进行数字信号处理即存储。

参见图3，放大电路：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，本实用新型选用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。即通过送给FPGA信号判断信号的强弱，再通过对高速模拟选择器74hc4051得控制来选择运放的增益电阻(如图3的R22\R24\R26\R28)来控制运放AD8011AR的放大倍率，从而使弱信号得到较大倍率的放大，强信号得到较小的放大；从而给后续电路更精确的判断信号。也使我们更有效的利用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。

参见图4，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5k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x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***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。

参见图5，控制盒3主要完成PC机4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3采用MSP430F247作为主控器，利用USB口与PC机4通信，利用RS485总线与采集盒2通信。采集盒2在接收到控制盒3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1ppm(即每秒偏移1us)，则100s内各采集盒2采样时钟最大偏移差为0.2ms，不到一个采样点，可保证各采集盒2的准同步采集。

PC机4的应用软件负责接收控制盒3传输来的数据，并将该数据分类保存到各个txt文档中。利用PC机4的应用软件实现数据的“清零”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)。***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4。***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***各采集盒2的采集速率可在500Hz、1KHz、2.5KHz、5KHz选择，采样时间长度可在5s-100s之间选择，采集盒2个数可在1-16之间选择。当将一字线激光器1固定，各采集盒2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±0.1mm。

本实用新型在使用时，将激光束同时照射到采集盒2的各个线阵CCD敏感区域内，***读取出线束相对高度位置信息，作为测量标尺高度输出。当被测试***受振动、安装面沉降、外力发生形变等原因影响时，激光束在***线阵CCD敏感区的位置发生变化，该***每秒最多可以采集5000个数据，即支持频率为5K的形变量，从而实现了对测试***的动态的检测和测量。

本实用新型是一种非接触、形变量测量***。该***可以快速测量并记录动态形变过程中的微小形变量，从而为测量建筑上悬梁震动、铁轨桥梁的震动、***对平台的震动等的动态过程提供了手段，具有很强的使用性。而且本实用新型也可同样应用于激光线束检测，激光位移检测、激光仪器检测等方面。

Claims

1.一种高速位移激光的检测***，其特征在于：该***包括一字线激光器以及设置一字线激光器出射光路上的采集盒。

2.根据权利要求1所述的高速位移激光的检测***，其特征在于：所述采集盒是一个或多个。

3.根据权利要求2所述的高速位移激光的检测***，其特征在于：所述采集盒包括高速线阵CCD，可编程器件FPGA和存储器，所述高速线阵CCD设置在一字线激光器的出射光路上，所述高速线阵CCD、存储器分别和可编程器件FPGA连接。

4.根据权利要求3所述的高速位移激光的检测***，其特征在于：所述采集盒还包括放大电路和整形与数字处理电路，可编程器件FPGA发出驱动信号，驱动高速线阵CCD工作；高速线阵CCD对打在其感光面上的的激光光信号转化为电信号输出；电信号通过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。

5.根据权利要求4所述的高速位移激光的检测***，其特征在于：所述放大电路主要由运放器和高速模拟选择器构成，整形与数字处理电路主要由比较器构成。

6.根据权利要求5所述的高速位移激光的检测***，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。

7.根据权利要求3或4或5或6所述的高速位移激光的检测***，其特征在于：所述高速线阵CCD采用东芝的高速线阵CCD--TCD2703D，所述可编程器件采用EP1C6T144C6，所述存储器采用SDRAM。

8.根据权利要求7所述的高速位移激光的检测***，其特征在于：该***还包括PC机，所述采集盒与PC机连接。

9.根据权利要求8所述的高速位移激光的检测***，其特征在于：该***还包括控制盒，所述采集盒通过控制盒和计算机连接。

10.根据权利要求9所述的高速位移激光的检测***，其特征在于：所述控制盒采用MSP430F247，所述控制盒通过RS485总线与采集盒连接，通过USB口与PC机连接。