專利名稱：物體微位移運(yùn)動(dòng)的高分辨率高速數(shù)字檢測(cè)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及運(yùn)動(dòng)對(duì)象的實(shí)時(shí)檢測(cè)技術(shù)，尤其涉及一種物體微位移運(yùn)動(dòng)的高 分辨率高速數(shù)字檢測(cè)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
使用CCD相機(jī)測(cè)量物體微小形變及微小位移的圖像式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已被廣泛提 出，這些系統(tǒng)的原理都是將物體狀態(tài)的變化轉(zhuǎn)換為CCD相機(jī)像面上成像位置的 變化，再通過(guò)數(shù)據(jù)處理，折算出物體實(shí)際的形變或位移量。然而這些系統(tǒng)的被 測(cè)對(duì)象是處于靜態(tài)或者是準(zhǔn)靜態(tài)情況下，因而此類系統(tǒng)的工作方式是靜態(tài)的， 即對(duì)物體的檢測(cè)時(shí)間間隔相對(duì)較長(zhǎng)。對(duì)于在小范圍位移內(nèi)以一定方式進(jìn)行運(yùn)動(dòng) 的物體，要準(zhǔn)確、高速獲得物體的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，使用上述系統(tǒng)就無(wú)法得到所需的 結(jié)果，必須設(shè)計(jì)一種新穎的檢測(cè)系統(tǒng)，提高檢測(cè)的分辨率和速度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì) 物體微位移運(yùn)動(dòng)的檢測(cè)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種物體微位移運(yùn)動(dòng)的高分辨 率高速數(shù)字檢測(cè)系統(tǒng)。
本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的 一種物體微位移運(yùn)動(dòng)的高分 辨率高速數(shù)字檢測(cè)系統(tǒng)，它主要由光源、反射鏡、探測(cè)器、同步信號(hào)電光轉(zhuǎn)換 器和計(jì)算機(jī)組成。所述探測(cè)器由線陣CCD相機(jī)與PCI數(shù)據(jù)采集卡通過(guò)數(shù)據(jù)線連 接組成，PCI數(shù)據(jù)采集卡模塊插于計(jì)算機(jī)的PCI插槽中。
進(jìn)一步地，所述光源由LED、狹縫和照相機(jī)鏡頭依次固定在結(jié)構(gòu)件上組成。
進(jìn)一步地，所述反射鏡為45度平面鏡。
進(jìn)一步地，所述同步信號(hào)電光轉(zhuǎn)換器由激光二極管及其驅(qū)動(dòng)電路組成，驅(qū) 動(dòng)電路包括直流電源、達(dá)林頓管和2個(gè)電阻。檢測(cè)的運(yùn)動(dòng)物體上具有同步電信 號(hào)，所述直流電源的正端連接到激光二極管的正端，直流電源的負(fù)端與同步電
3信號(hào)的負(fù)端一起連接到達(dá)林頓管的發(fā)射極，同步電信號(hào)的正端經(jīng)過(guò)一個(gè)電阻連 接到達(dá)林頓管的基極，激光二極管的負(fù)端經(jīng)過(guò)另一個(gè)電阻連接到達(dá)林頓管的集 電極。
本發(fā)明的有益效果是
1、 檢測(cè)速度快，時(shí)間分辨率可達(dá)O. l毫秒；
2、 檢測(cè)的位置分辨率高，可達(dá)亞微米量級(jí)；
3、 采用帶閾值的數(shù)字化求重心法計(jì)算光斑位置，檢測(cè)到的位置精度高，可 達(dá)微米量級(jí)；
4、 通過(guò)電光轉(zhuǎn)換將運(yùn)動(dòng)物體的同步電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，從而可以簡(jiǎn)便地 提取出運(yùn)動(dòng)的整周期數(shù)據(jù)；
5、 記錄并顯示物體運(yùn)動(dòng)的高分辨率時(shí)間-位移曲線，從而既可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、 計(jì)算物體的運(yùn)動(dòng)特性，也可以一次采集若干時(shí)間的數(shù)據(jù)供事后分析。


圖1是本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意及檢測(cè)原理圖2是本發(fā)明光源部分結(jié)構(gòu)示意圖3是本發(fā)明中同步信號(hào)電光轉(zhuǎn)換器電路示意圖4是本發(fā)明中所述運(yùn)動(dòng)物體的時(shí)間-位移曲線圖5是本發(fā)明中計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)的流程圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，本發(fā)明由光源、反射鏡、探測(cè)器、同步信號(hào)電光轉(zhuǎn)換器、計(jì) 算機(jī)五個(gè)部分組成。探測(cè)器由線陣CCD相機(jī)與PCI數(shù)據(jù)采集卡通過(guò)數(shù)據(jù)線連接 組成，PCI數(shù)據(jù)采集卡模塊插于計(jì)算機(jī)的PCI插槽中。
光源可采用PR0LIGHT公司的5W大功率平板白光LED，如圖2所示，LED使 用直流穩(wěn)壓電源供電，與狹縫一起安裝于光源結(jié)構(gòu)件上，前端安裝照相機(jī)鏡頭 以調(diào)節(jié)出射光的形狀和強(qiáng)度。
反射鏡為45度平面鏡。
探測(cè)器部分的線陣CCD相機(jī)可采用DALSA公司的P2-22-4K30型號(hào)CCD相機(jī)， PCI數(shù)據(jù)采集卡可采用CORECO公司的0C-6犯0-IPROO X64-CL iPro型號(hào)PCI數(shù) 據(jù)采集卡，該CCD相機(jī)與數(shù)據(jù)采集卡為配套產(chǎn)品，附有專用數(shù)據(jù)線，連接CCD相機(jī)與數(shù)據(jù)采集卡。
同步信號(hào)電光轉(zhuǎn)換器由激光二極管及其驅(qū)動(dòng)電路組成。如圖3所示，12V直 流電源的正端連接到激光二極管的正端，12V直流電源的負(fù)端與同步電信號(hào)的負(fù) 端-起連接到達(dá)林頓管的發(fā)射極，同步電信號(hào)的正端經(jīng)過(guò)一個(gè)10K歐的電阻R 連接到達(dá)林頓管的基極，激光二極管的負(fù)端經(jīng)過(guò)一個(gè)470歐電阻連接到達(dá)林頓 管的集電極。當(dāng)運(yùn)動(dòng)物體的同步電信號(hào)到達(dá)時(shí)，達(dá)林頓管導(dǎo)通，激光二極管被 點(diǎn)亮，產(chǎn)生同步光信號(hào)；無(wú)同步信號(hào)時(shí)，達(dá)林頓管截止，激光二極管熄滅。同 步信號(hào)電光轉(zhuǎn)換器部分的電氣系統(tǒng)與探測(cè)器部分的電氣系統(tǒng)完全隔離，并使得 探測(cè)器部分簡(jiǎn)便的獲取了同步電信號(hào)的時(shí)間信息，極大的簡(jiǎn)化了后續(xù)處理。
系統(tǒng)檢測(cè)原理如圖1所示，將光源安裝在物體上方，反射鏡粘貼在物體表 面。光源發(fā)射的光線入射到移動(dòng)中的物體上，并由反射鏡反射到CCD相機(jī)像面 形成隨物體移動(dòng)而移動(dòng)的光斑。CCD相機(jī)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后輸出表示線陣上各像素 光強(qiáng)的數(shù)字量值到數(shù)據(jù)采集卡，通過(guò)更改線陣CCD相機(jī)的曝光時(shí)間可以得到不 同的檢測(cè)速度，本系統(tǒng)設(shè)置檢測(cè)頻率為10KHz，時(shí)間分辨率為O. l毫秒。數(shù)據(jù)采 集卡將收集到的光強(qiáng)信息置于計(jì)算機(jī)內(nèi)存中，再由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，分析 光強(qiáng)信號(hào)的變化，即得到物體的運(yùn)動(dòng)信息并可對(duì)之進(jìn)行進(jìn)一步分析。
此外，將CCD相機(jī)像面分為兩塊，使用機(jī)械結(jié)構(gòu)隔離。 一部分用于接收測(cè) 試光，即光源出射的平行光由反射鏡反射到CCD相機(jī)的像面形成的位移信號(hào)光 斑，如上文所述，該光斑的位置隨物體的運(yùn)動(dòng)而改變；另一部分用于接收同步 光信號(hào)，即同步電信號(hào)到來(lái)時(shí)，激光二極管照亮CCD相機(jī)的像面形成的同步信 號(hào)光斑，該光斑的位置不隨物體的運(yùn)動(dòng)改變，且與反映物體運(yùn)動(dòng)形成的位移信 號(hào)光斑不相關(guān)。
平行狹縫光在CCD像面上的形成的光斑一般覆蓋數(shù)百個(gè)像素點(diǎn)，對(duì)于每個(gè) 特定采樣時(shí)刻，CCD均輸出一組代表各像素點(diǎn)光強(qiáng)的數(shù)字量值，采用數(shù)字化求重 心法對(duì)這組數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，提取光斑的重心點(diǎn)，代表這一時(shí)刻光斑的位置。數(shù) 字化求重心法的特點(diǎn)是精度很高，分辨率可達(dá)亞微米量級(jí)，為了使得重心計(jì)算 更為準(zhǔn)確，還可引入光強(qiáng)閾值作為輔助手段，在測(cè)試前，首先對(duì)背景光進(jìn)行測(cè) 試，得到平均光強(qiáng)，以平均光強(qiáng)加一倍標(biāo)準(zhǔn)差作為光強(qiáng)閾值。實(shí)際計(jì)算中，光 強(qiáng)低于閾值的像素點(diǎn)將不參與計(jì)算。光強(qiáng)高于閾值的像素點(diǎn)，將實(shí)際光強(qiáng)減去 光強(qiáng)閾值后參加計(jì)算。引入光強(qiáng)閾值輔助后，去除了噪聲和干擾等原因所造成 的非目標(biāo)信號(hào)的影響，提取光斑重心的誤差可以抑制在微米量級(jí)。
假設(shè)線陣CCD相機(jī)有4096個(gè)像素，每個(gè)像素點(diǎn)測(cè)量的光強(qiáng)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后 數(shù)字量值為W(i為像素號(hào))，則數(shù)字化求重心法的計(jì)算公式為
54096
Xc = ^^ 。在Tk時(shí)刻提取的光強(qiáng)重心值X。k代表Tk時(shí)刻光斑的位置，
那么以時(shí)間值Tk (k=l，2，3……n)作為橫坐標(biāo)，光強(qiáng)重心值X。k (k二l，2，3……n) 作為縱坐標(biāo)作圖，就得到L時(shí)刻到TJ寸刻時(shí)間范圍內(nèi)光斑的運(yùn)動(dòng)軌跡，也就是
物體的運(yùn)動(dòng)軌跡，其效果如圖4所示。
圖5示出了計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理流程。程序的核心功能是按照給定的采 樣參數(shù)，采集CCD各像素點(diǎn)的光強(qiáng)分布、計(jì)算一段時(shí)間內(nèi)CCD線陣上光強(qiáng)重心 點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，顯示于計(jì)算機(jī)屏幕上，同時(shí)記錄數(shù)據(jù)文件于計(jì)算機(jī)硬盤中，再 根據(jù)時(shí)間基準(zhǔn)計(jì)算該運(yùn)動(dòng)軌跡的特性。工作方式可以是實(shí)時(shí)采集并顯示，也可 以是一次采集若干時(shí)間的數(shù)據(jù)供事后分析。
標(biāo)定測(cè)試結(jié)果證明，該系統(tǒng)可以高速(典型值如10KHz)記錄并顯示物體在 小范圍位移(典型值如2mm)內(nèi)的時(shí)間-位置曲線，進(jìn)而分析物體的運(yùn)動(dòng)特性， 位置精度可優(yōu)于2微米。
權(quán)利要求
1、一種物體微位移運(yùn)動(dòng)的高分辨率高速數(shù)字檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，它主要由光源、反射鏡、探測(cè)器、同步信號(hào)電光轉(zhuǎn)換器和計(jì)算機(jī)組成。所述探測(cè)器由線陣CCD相機(jī)與PCI數(shù)據(jù)采集卡通過(guò)數(shù)據(jù)線連接組成，PCI數(shù)據(jù)采集卡模塊插于計(jì)算機(jī)的PCI插槽中。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述物體微位移運(yùn)動(dòng)的高分辨率高速數(shù)字檢測(cè)系統(tǒng)，其特征 在于，所述光源由LED、狹縫和照相機(jī)鏡頭依次固定在結(jié)構(gòu)件上組成。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述物體微位移運(yùn)動(dòng)的高分辨率高速數(shù)字檢測(cè)系統(tǒng)，其特征 在于，所述反射鏡為45度平面鏡。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述物體微位移運(yùn)動(dòng)的高分辨率高速數(shù)字檢測(cè)系統(tǒng)，其特征 在于，所述同步信號(hào)電光轉(zhuǎn)換器由激光二極管及其驅(qū)動(dòng)電路組成，驅(qū)動(dòng)電路包 括直流電源、達(dá)林頓管和2個(gè)電阻。所述直流電源的正端連接到激光二極管的 正端，直流電源的負(fù)端與運(yùn)動(dòng)物體同步電信號(hào)的負(fù)端一起連接到達(dá)林頓管的發(fā) 射極，運(yùn)動(dòng)物體同步電信號(hào)的正端經(jīng)過(guò)一個(gè)電阻連接到達(dá)林頓管的基極，激光 二極管的負(fù)端經(jīng)過(guò)另一個(gè)電阻連接到達(dá)林頓管的集電極。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種物體微位移運(yùn)動(dòng)的高分辨率高速數(shù)字檢測(cè)系統(tǒng)，它主要由光源、反射鏡、探測(cè)器、同步信號(hào)電光轉(zhuǎn)換器和計(jì)算機(jī)組成；所述探測(cè)器由線陣CCD相機(jī)與PCI數(shù)據(jù)采集卡通過(guò)數(shù)據(jù)線連接組成，PCI數(shù)據(jù)采集卡模塊插于計(jì)算機(jī)的PCI插槽中；本發(fā)明檢測(cè)速度快，時(shí)間分辨率可達(dá)0.1毫秒；檢測(cè)的位置分辨率高，可達(dá)亞微米量級(jí)；采用帶閾值的數(shù)字化求重心法計(jì)算光斑位置，檢測(cè)到的位置精度高，可達(dá)微米量級(jí)；通過(guò)電光轉(zhuǎn)換將運(yùn)動(dòng)物體的同步電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，從而可以簡(jiǎn)便地提取出運(yùn)動(dòng)的整周期數(shù)據(jù)；記錄并顯示物體運(yùn)動(dòng)的高分辨率時(shí)間-位移曲線，從而既可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、計(jì)算物體的運(yùn)動(dòng)特性，也可以一次采集若干時(shí)間的數(shù)據(jù)供事后分析。
文檔編號(hào)G01B11/02GK101514887SQ20091009675
公開(kāi)日2009年8月26日 申請(qǐng)日期2009年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月16日
發(fā)明者承 劉, 周一覽, 楊建華, 舒曉武 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)