专利名称：微位移动态变形检测的标定装置及其方法
技术领域：
本发明涉及一种微量移动变形检测及数据传输的装置及其方法，尤其涉及一种为试验检测和标定共振型微位移传感器各项技术性能指标的检测标定装置及其方法。
背景技术：
目前，对于微位移传感器的检测标定大多是利用光栅测量原理和激光测量原理，采用光栅测量原理的标定装置，主要结构为具有一个激光尺，标定精度取决于光栅尺的精度并且受外部光源的干扰和标定装置本身的刚度以及温度变化影响较大。采用激光测量原理的微位移传感器的检测标定装置，虽然其测量精度温度变化影响较少，但是对于激光器本身来说价格比较高。两种检测标定装置虽然均已得到广泛的应用，但其不足之处是前者受外界因素影响较大，精密度较低。一般检测标定只达到在0.5-1级范围内，远远不能达到对标定微量变化的直线运动的传感器进行精密标定的作用。后者虽然检测精度提高了，但是价格昂贵的问题、日常维护保养的问题又突显出来了。为了提高检测微位移传感器的精度，使其既在精度上保证检测和标定的要求又在推广和应用上得到发展，因此，急需开发研究一种毫微米级的高精密度微位移传感器的检测标定装置及其方法。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种对物理直线微量运动进行精确测量并将测量结果传送到上位机进行数据处理的微位移动态变形的检测标定装置及其方法，该装置是通过高倍率比减速器对大弧度宽位移的机械移动量进行输入处理，从而达到毫微米量级直线机械微位移输出和对其进行标定的作用。
为了解决上述技术问题，本发明微位移动态变形检测的标定装置，包括微位移检出单元和计算机数据处理单元；所述微位移检出单元包括依次设置在底座上的变速传动机构、变速传动机构输出轴的支架、导轨；所述支架上设置有标准微位移激光传感器，所述导轨上设置有静滑块和与所述变速传动机构联接的动滑块，所述静滑块和动滑块上方设置有被测激光传感器，所述被测激光传感器内设置有传感部件和信号检出单元；在所述动滑块上还设置有测距板；所述信号检出单元由信号放大电路、信号处理电路、信号混频电路、信号调制电路、本级震荡电路和信号输出电路组成；所述信号放大电路由三极管BG1、电阻R1、R2、R3、R4和可调电阻R5、电容C1和C2组成，采用晶体管放大器结构，信号由C1输入，放大后的信号由C2输出；所述信号处理电路由放大运算器U1C、电阻R15和R16、电容C8和C9及D2组成，采用1/4LM324运算放大器将信号放大后，通过C8送V/U表进行显示；所述混频电路由放大运算器U1A和U1B、电阻R6、R7、R13和可调电阻R11、R14、电容C6和C7组成，是将本级振荡电路和信号放大电路两路信号经过U1B放大器进行叠加后，送到信号调制电路；所述信号调制电路由二极管D1和电感L1、电容C10、C11、C12和C16及电阻R17和R18组成，该电路将U1B第7脚送来的信号进行调制，然后经C12送到信号输出电路中BG2的输入端；所述本级振荡电路采用LC震荡的典型结构，将震荡频率通过R10送到信号混频电路中U1A的第2脚；所述标准微位移激光传感器通过RS232通讯接口与所述计算机数据处理单元联接。
本发明微位移动态变形检测的标定装置，其中，所述计算机数据处理单元包括电源稳压电路、信号数字放大器、高精度微位移传感器电路模块和MSC1210单片机；所述计算机数据处理单元完成微弱信号的多路切换、信号缓冲、PGA编程、放大24位∑ΔA/D转换、数字滤波、数据处理信号校准以及UART通讯功能。所述标准光学微位移传感器采用型号为LTC-120的瑞士产品，其工作频率是F＝1000/s，高静态分辨率0.01％。所述变速传动机构采用高倍率比例减速器，其变速比例在1∶40范围内。所述光学检测单元的测量分辨率小于或等于1μm。所述被测传感器采用机械连接式结构。
本发明微位移动态变形检测的标定装置，其中，所述动滑块相对零位参考点的最大移动量为0～±1000μm，刻度标志的刻度单位小于或等于ΔL，ΔL＝3/180*40毫米＝0.000417mm＝0.417um(I)公式(I)中，180的含义是在360°中每2°为一格一周为180个格；40为减速器1∶40的比例系数；3表示丝杠螺距为3mm。
本发明微位移动态变形检测的标定方法，包括以下步骤(1)预热激光传感器及数据处理系统；(2)旋动手轮调整上述装置，并将其锁定在机械零位参考点的位置上；(3)将被测传感器按照其精度要求安装固定在由所述固定座铁和移动滑铁组成的滑动台上；(4)转动所述轮盘进行预规定大弧度角位移量的输入，通过高倍率比例减速器对输入机械移动量进行控制，达到要求后锁定该位移量；将该锁定的位移量传递给标准激光微位移传感器，并作为该传感器的机械微位移的输入量；(5)用频率计检测输出频率；(6)所述微位移光学检测单元对微位移输入量进行测量；其中，假设光以速度C在空气中传播，在A、B两点间往返一次所用的时间为T，则A、B两点距离D可用公式(II)表示D＝CT/2 (II)公式(II)中，D表示激光发射点与被测物体的距离；C表示光在大气中传播的速度；T表示光往返A、B两点间所用所需的时间；
若调制光角频率为ω，在待测量距离D上往返一次产生的相位延迟为φ，则对应时间T可表示为T＝φ/ω；此时，D用公式(III)表示D＝1/2CT＝1/2C·φ/ω＝C/4f(N+ΔN) (III)公式(III)中，φ表示信号往返一次产生的总的相位延迟；ω表示调制信号的角频率，ω＝2πf；N表示A、B间所包含调制半波的个数；ΔN表示A、B间所包含调制波不足半波长的小数部分；(7)通过信号检出单元输出上述测量值，即得到被检传感器的标定参数；(8)用频率计检测输出频率。
与现有技术相比，本发明微位移动态变形检测的标定装置及其所具有的有益效果是本发明采用直线微量移动检测技术、数据传输技术及传动技术，是通过高倍率比减速器对大弧度宽位移的机械移动量进行输入处理，从而达到毫微米量级直线机械微位移输出和对其进行标定的作用。
图1是本发明微位移动态变形检测的标定装置的主视图；图2是图1所示标定装置的左视图；图3是本发明中微位移激光传感器的原理框图；图4是本发明中被测信号检出单元16的原理框图；图5是本发明中被测信号检出单元16的电路图；图6是利用本发明微位移动态变形检测的标定装置进行标定的流程图。
图7是本发明中所采用的标准微位移激光传感器6的结构示意图。
下面是本发明说明书附图中主要附图标记的说明1——变速传动机构 3——手轮4——底座 5——支脚6——标准微位移激光传感器 7——连接器8——丝杠 9——标准微位移激光传感器支架10——变速传动机构输出轴支架 11——导轨12——被测微位移激光传感器13——动滑块14——静滑块 15——测距板16——计算机数据处理单元 18——刻度盘101——信号放大电路 102——信号处理电路103——混频电路 104——信号调制电路105——本级震荡电路 106——信号输出电路
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的标定装置做进一步详细描述。
如图1和图2所示，本发明本微位移动态变形检测的标定装置，包括微位移检出单元和计算机数据处理单元；所述微位移检出单元包括依次设置在底座4上的变速传动机构1、变速传动机构1的输出轴的支架10、导轨11；所述变速传动机构采用高倍率比例减速器，其变速比例在1∶40范围内。所述支架10上设置有以标准微位移激光传感器支架9固定的标准微位移激光传感器6，所述标准光学微位移传感器采用型号为LTC-120的瑞士产品，其工作频率是F＝1000/s，高静态分辨率0.01％。所述导轨11上设置有静滑块14和与所述变速传动机构1联接的动滑块13，所述静滑块14和动滑块13的上方设置有被测激光传感器12，所述被测激光传感器12内设置有传感部件和信号检出单元，所述被测传感器采用机械连接式结构的连接器7。在所述动滑块13上还设置有测距板15作为目标。整个装置以支脚5固定在地面。
如图3所示，所述被测激光传感器12的工作过程是信号由激光器(光源)发出经调制器调制经目标反射后接收、再经过信号解调，最终输出并显示，从而完成了一个工作周期，即，如图3中标出的信号由A→B→C的传输过程。
所述信号检出单元由信号放大电路101、信号处理电路102、信号混频电路103、信号调制电路104、本级震荡电路105和信号输出电路106组成；所述信号放大电路101由三极管BG1、电阻R1、R2、R3、R4和可调电阻R5、电容C1和C2组成，采用晶体管放大器结构，信号由C1输入，放大后的信号由C2输出；所述信号处理电路102由放大运算器U1C、电阻R15和R16、电容C8和C9及D2组成，采用1/4LM324运算放大器将信号放大后，通过C8送V/U表进行显示；所述混频电路103由放大运算器U1A和U1B、电阻R6、R7、R13和可调电阻R11、R14、电容C6和C7组成，是将本级振荡电路105和信号放大电路101两路信号经过U1B放大器进行叠加后，送到信号调制电路104；所述信号调制电路104由二极管D1和电感L1、电容C10、C11、C12和C16及电阻R17和R18组成，该电路将U1B第7脚送来的信号进行调制，然后经C12送到信号输出电路106中BG2的输入端；所述本级振荡电路105采用LC震荡的典型结构，将震荡频率通过R10送到信号混频电路103中U1A的第2脚；所述信号输出电路106由电感RFC、电容C13和C14及BG2组成，将C12送来的混频后的信号送至BG2的栅极由BG2的漏极输出。
如图7所示，所述标准微位移激光传感器6将激光器(光源)、调制器、反射(信号接收)、信号解调器、数据处理输出单元组装在一起，信号通过RS485/RS232口输出。由于所述标准光学微位移传感器6的输出信号具有数字量和模拟量接口，所以通过RS232通讯接口将数据送入计算机进行数据处理，即所述标准微位移激光传感器6通过RS232通讯接口与所述计算机数据处理单元16联接。所述计算机数据处理单元16包括电源稳压电路、信号数字放大器、高精度微位移传感器电路模块和MSC1210单片机；所述信号数字放大器和高精度微位移传感器电路模块均采用北京奥杰龙科技有限公司生产的PCI-1713数据采集信号数字放大及高精度微位移传感器电路模块，其A/D转换器采样速率可达100KS/s；所述电源稳压电路采用常州城联电源制造有限公司生产的CL-C-25-J型。所述计算机数据处理单元完成微弱信号的多路切换、信号缓冲、PGA编程、放大24位∑ΔA/D转换、数字滤波、数据处理信号校准以及UART通讯功能。所述光学检测单元的测量分辨率小于或等于1μm。
本发明微位移动态变形检测的标定装置的工作原理是采用标准计量仪器比对法。即通过对激光传感器的微位移量的调整，消除机械装置各个连接部件之间的间隙，校正被测微位移传感器的绝对位移量。其位移量的计算如公式(I)所示ΔL＝3/180*40毫米＝0.000417mm＝0.417um(I)公式(I)中，180的含义是在360°中每2°为一格一周为180个格；40为减速器1∶40的比例系数；3表示丝杠8的螺距为3mm；因此，由公式(I)得出手轮3每转动一格，则动滑块13的直线运动近似等于0.417um。也就是，本发明中，所述动滑块相对零位参考点的最大移动量为0～±1000μm，刻度标志的刻度单位小于或等于0.417um。
本发明微位移动态变形检测的标定方法，如图6所示，包括以下步骤(1)预热激光传感器及数据处理系统，步骤601；(2)旋动手轮调整上述装置，并将其锁定在机械零位参考点的位置上，602步骤；(3)将被测传感器按照其精度要求安装固定在由所述固定座铁和移动滑铁组成的滑动台上，步骤603；(4)转动所述轮盘进行预规定大弧度角位移量的输入，通过高倍率比例减速器对输入机械移动量进行控制，达到要求后锁定该位移量；将该锁定的位移量传递给标准激光微位移传感器，并作为该传感器的机械微位移的输入量，步骤604；(5)用频率计检测输出频率，步骤605；(6)所述微位移光学检测单元对微位移输入量进行测量，步骤606；其中，假设光以速度C在空气中传播，在A、B两点间往返一次所用的时间为T，则A、B两点距离D可用公式(II)表示D＝CT/2 (II)公式(II)中，D表示激光发射点与测距板15之间的距离；C表示光在大气中传播的速度；T表示光往返A、B两点间所用所需的时间；若调制光角频率为ω，在待测量距离D上往返一次产生的相位延迟为φ，则对应时间T可表示为T＝φ/ω；此时，D用公式(III)表示D＝1/2CT＝1/2C·φ/ω＝C/4f(N+ΔN) (III)公式(III)中，φ表示信号往返一次产生的总的相位延迟；ω表示调制信号的角频率，ω＝2πf；N表示A、B间所包含调制半波的个数；ΔN表示A、B间所包含调制波不足半波长的小数部分；(7)通过信号检出单元输出上述测量值，即得到被检传感器的标定参数，步骤607；(8)用频率计检测输出频率，步骤608。
至此，完成了微位移的检测过程。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式
，上述的具体实施方式
仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
权利要求
1.一种微位移动态变形检测的标定装置，其特征在于，包括微位移检出单元和计算机数据处理单元；所述微位移检出单元包括依次设置在底座上的变速传动机构、变速传动机构输出轴的支架、导轨；所述支架上设置有标准微位移激光传感器，所述导轨上设置有静滑块和与所述变速传动机构联接的动滑块，所述静滑块和动滑块上方设置有被测激光传感器，所述被测激光传感器内设置有传感部件和信号检出单元；在所述动滑块上还设置有测距板；所述信号检出单元由信号放大电路、信号处理电路、信号混频电路、信号调制电路、本级震荡电路和信号输出电路组成；所述信号放大电路由三极管BG1、电阻R1、R2、R3、R4和可调电阻R5、电容C1和C2组成，采用晶体管放大器结构，信号由C1输入，放大后的信号由C2输出；所述信号处理电路由放大运算器U1C、电阻R15和R16、电容C8和C9及D2组成，采用1/4LM324运算放大器将信号放大后，通过C8送V/U表进行显示；所述混频电路由放大运算器U1A和U1B、电阻R6、R7、R13和可调电阻R11、R14、电容C6和C7组成，是将本级振荡电路和信号放大电路两路信号经过U1B放大器进行叠加后，送到信号调制电路；所述信号调制电路由二极管D1和电感L1、电容C10、C11、C12和C16及电阻R17和R18组成，该电路将U1B第7脚送来的信号进行调制，然后经C12送到信号输出电路中BG2的输入端；所述本级振荡电路采用LC震荡的典型结构，将震荡频率通过R10送到信号混频电路中U1A的第2脚；所述标准微位移激光传感器通过RS232通讯接口与所述计算机数据处理单元联接。
2.根据权利要求1所述的微位移动态变形检测的标定装置，其中，所述计算机数据处理单元包括电源稳压电路、信号数字放大器、高精度微位移传感器电路模块和MSC1210单片机；所述计算机数据处理单元完成微弱信号的多路切换、信号缓冲、PGA编程、放大24位∑ΔA/D转换、数字滤波、数据处理信号校准以及UART通讯功能。
3.根据权利要求2所述的微位移动态变形检测的标定装置，其中，所述信号数字放大器和高精度微位移传感器电路模块均采用中国北京奥杰龙科技有限公司的产品，所述信号数字放大器的型号为PCI-1713，其A/D转换器的采样速率为100KS/s，所述电源稳压电路采用中国常州城联电源制造有限公司生产的CL-C-25-J型。
4.根据权利要求1所述的微位移动态变形检测的标定装置，其中，所述标准光学微位移传感器采用型号为LTC-120的瑞士产品，其工作频率是F＝1000/s，高静态分辨率0.01％。
5.根据权利要求1所述的微位移动态变形检测的标定装置，其中，所述变速传动机构采用高倍率比例减速器，其变速比例在1∶40范围内。
6.根据权利要求1所述的微位移动态变形检测的标定装置，其中，所述光学检测单元的测量分辨率小于或等于1μm。
7.根据权利要求1所述的微位移动态变形检测的标定装置，其中，所述被测传感器采用机械连接式结构。
8.根据权利要求1所述的微位移动态变形检测的标定装置，其中，所述动滑块相对零位参考点的最大移动量为0～±1000μm，刻度标志的刻度单位小于或等于ΔL，ΔL＝3/180*40毫米＝0.000417mm＝0.417um (I)公式(I)中，180的含义是在360°中每2°为一格一周为180个格；40为减速器1∶40的比例系数；3表示丝杠螺距为3mm。
9.采用如权利要求1所述微位移动态变形检测的标定装置进行检测的方法，其特征在于，包括以下步骤(1)预热激光传感器及数据处理系统；(2)旋动手轮调整上述装置，并将其锁定在机械零位参考点的位置上；(3)将被测传感器按照其精度要求安装固定在由所述固定座铁和移动滑铁组成的滑动台上；(4)转动所述轮盘进行预规定大弧度角位移量的输入，通过高倍率比例减速器对输入机械移动量进行控制，达到要求后锁定该位移量；将该锁定的位移量传递给标准激光微位移传感器，并作为该传感器的机械微位移的输入量；(5)用频率计检测输出频率；(6)所述微位移光学检测单元对微位移输入量进行测量；其中，假设光以速度C在空气中传播，在A、B两点间往返一次所用的时间为T，则A、B两点距离D可用公式(II)表示D＝CT/2 (II)公式(II)中，D表示激光发射点与被测物体的距离；C表示光在大气中传播的速度；T表示光往返A、B两点间所用所需的时间；若调制光角频率为ω，在待测量距离D上往返一次产生的相位延迟为φ，则对应时间T可表示为T＝φ/ω；此时，D用公式(III)表示D＝1/2CT＝1/2C·φ/ω＝C/4f(N+ΔN)(III)公式(III)中，φ表示信号往返一次产生的总的相位延迟；ω表示调制信号的角频率，ω＝2πf；N表示A、B间所包含调制半波的个数；ΔN表示A、B间所包含调制波不足半波长的小数部分；(7)通过信号检出单元输出上述测量值，即得到被检传感器的标定参数；(8)用频率计检测输出频率。
全文摘要
本发明公开了一种微位移动态变形检测的标定装置，包括微位移检出单元和计算机数据处理单元；微位移检出单元包括设置在底座上的变速传动机构、变速传动机构输出轴的支架、导轨；所述支架上设置有标准微位移激光传感器，导轨上设置有静滑块和与所述变速传动机构联接的动滑块，所述静滑块和动滑块上方设置有被测激光传感器，所述被测激光传感器内设置有传感部件和信号检出单元；在动滑块上还设置有测距板；所述信号检出单元由信号放大电路、信号处理电路、信号混频电路、信号调制电路、本级震荡电路和信号输出电路组成；所述标准微位移激光传感器通过RS232通讯接口与计算机数据处理单元联接。本发明中还公开了微位移动态变形检测的标定方法。
文档编号G01B11/16GK1776359SQ20051012216
公开日2006年5月24日 申请日期2005年12月5日 优先权日2005年12月5日
发明者姜印平, 卫立珩, 张健, 金文 , 郝莹 申请人:天津大学