专利名称：立式机组轴系轴线直线度检测装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于直线度测量技术领域，涉及一种直线度的测量装置，具 体涉及一种立式机组轴系轴线直线度检测装置。
背景技术：
在水电机组安装过程中，有一个非常重要的环节就是盘车，通过盘车我 们可以检査机组转动部分安装完后或大修完后，机组转动部分的轴线是否是 自由垂直的，检査机组各转动部件摆度、同心度、定转子空气间隙及机组轴 线垂直度。而在水力发电机组轴线盘车检査时，使用的常规方法就是在所要 测量的部位用百分表监视各转动部分摆度，在测量机组轴线垂直度时仍使用 非常传统的方法，即钢琴线重锤耳机测量法。这些测盘方法虽然简单，但精 度不足，数据处理能力低。
目前，传统的水轮机直线度测量方法已不能满足高精度、自动化测量的 需要，而且，随着微电子技术、光电技术和计算机技术发展，研究新型水电 机组轴线直线度检测方法己成为必要。 发明内容
本实用新型的目的是提供一种立式机组轴系轴线直线度检测装置，解决 了现有技术中存在的精度低、自动化测量程度低的问题。
本实用新型所采用的技术方案是，一种立式机组轴系轴线直线度检测装
置，包括安装在水轮机组转轴上的安装座，安装座上安装有CCD器件，在CCD器件的光照区设置有基准测量垂线，CCD器件与图像处理电路连接，图像处 理电路与状态控制电路连接，CCD器件和状态控制电路同时与驱动电路连接， 状态控制电路与单片机双向连接，单片机与计数器双向连接，单片机通过串 口通信电路与上位机连接。
CCD器件选用TCD141 ARC线阵CCD。
单片机选用AT89C51。
图象处理电路包括信号的求和放大、低通滤波、二值化处理、A/D转换 器依次连接。
串口通信电路选用RS-232。 上位机选用PC机。
本实用新型的有益效果是具有非接触、测量速度快、精度适中的特点， 是解决大型轴系物体直线度测量的有效手段。
图1是本实用新型的结构示意图2是本实用新型实施例的图像处理电路的流程图3是图2实施例的求和放大电路示意图4是图2实施例的信号的低通滤波电路示意图5是图2实施例的二值化电路示意图。
图中，1、安装座，2、基准测量垂线，3、 CCD器件，4、图像处理电 路，5、状态控制电路，6、单片机，7、串口通信电路，8、计数器，9、驱 动电路，10、上位机，11、水轮机组转轴，12、 A/D转换器，13、求和放大 电路，14、低通滤波电路，15、 二值化电路。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式
对本实用新型进行详细说明。
CCD器件即电荷耦合器件，是以电荷为信号的载体，不同于-大多数以 电流或电压为信号载体的器件。CCD器件的基本功能是电荷的存储和电荷 的转移。因此，CCD器件的基本工作过程主要是信号电荷的产生、存储、 转移和检测。CCD传感器是系统的核心，其性能的优劣直接影响系统的功 能和使用效果，CCD的像素数从128位到5000位已构成一个系列，可以根 据工作视场、距离、物方分辨率、测量精度的不同选择不同型号的CCD器 件，除了像素数量、尺寸分辨率外，还有CCD器件的光谱灵敏度、光谱特 性、时钟频率、动态范围等问题。
CCD器件有线型和面型两大类。两者都需要用光学成像系统将景物图 像成像在CCD的像敏面上。像敏面将入射到每个像敏单元上的光照度分布 信号(EX， Y)转变为少数载流子密度分布信号(NX， Y)，存储在像敏单 元(MOS电容)中。然后，在通过驱动脉冲的驱动，使其从CCD的移位寄 存器中转移出来，形成时序的视频信号。
对于线阵CCD器件，可直接将接收到的一维光信号转换成时序的电信 号输出，获得一维的图像信号。线阵CCD器件现已有256、 1024、 2048、 2160、 2700、 5000、 5340、 7500等多种像素数。像敏单元位数越高的器件 具有更高的分辨率。与其它光电探测器相比较，线阵CCD器件具有以F优 点体积小，重量轻，便亍安装，工作电压及功耗低，可靠性高，寿命长， 具有良好的抗烧毁能力。具有理想的'扫描'线性，可进行行像素寻址，可 变换扫描速度，畸变小，尺寸重现性好，特别适用尺寸测量、定位和成像传 感等方面。像素间距的几何尺寸精确，可以获得很高的定位精度和测量精度。 有数字"扫描"能力，像素的位置可由数字代码确定，便于和计算机结合。测量范围大，灵敏度高，且通过高频脉冲细分电路细分或软件细分，其像素位 移当量可获得较高的位移分辨力。实时传输光电变换信号和自扫描速度快，
频率响应高，能够实现动态测量。采用线阵CCD器件作为探测器，利用垂 线在CCD上的投影成像位置变化，间接测量出轴直线度的偏差。
如图1所示，为本实用新型的结构示意图。包括安装在水轮机组转轴11 上的安装座1，安装座1上安装有CCD器件3，在CCD器件3的光照区设 置有基准测量垂线2， CCD器件3与图像处理电路4连接，图像处理电路4 与状态控制电路5连接，CCD器件3和状态控制电路5同时与驱动电路9 连接，状态控制电路5与单片机6双向连接，单片机6与计数器8双向连接， 单片机6通过串口通信电路7与上位机10连接。
本实用新型主要利用了线阵CCD测距，以垂线为基准，CCD器件与水 轮机机组轴通过底座固定，这样，当轴有偏移时，基准线在CCD上的投影 位置就会有相应的变化，通过对CCD器件输出的信号进行采集处理，利用 线阵CCD测距原理公式计算出实际距离。
本实用新型的实施例在测量时，沿机组轴体方向t均匀悬挂垂线。这样 以悬挂的垂线为基准，采用线阵CCD器件作为探测器，在不同高度位置检 测便可以得到沿轴方向，基准线与轴间距离的相对变化，即为该点的直线度 偏差。为了测量的准确度，可以在X， Y正负轴的方向上分别挂垂线作为基 准，在同--高度上，便可以得到分别沿X， Y正负方向上的四个位移偏量。 将所得结果做矢量和，就得到精确的偏移方向和偏移距离。光源发出的光束 照射在基准线上，并成像在CCD器件上，在驱动电路的作用下，CCD器 件将内部像素信号顺序输出，图像处理电路对CCD器件输出信号进行调理 和采集，实现模拟信号数字化，然后由状态控制电路控制单片机读取信号，再由单片机控制计数器计数，结果送回单片机处理，最后传入上位机，在上 位机内进行数据处理和显示。
CCD器件3选用日本东芝的TCD141ARC线阵CCD, TCD141ARC为 5000个像素的高灵敏度线阵CCD。其像素尺寸为7x7nm，相邻像素中心距 为7拜，像素阵列长为35mm，采用的是22引脚DIP封装形式，
如图2所示，本实用新型的线阵CCD的图象处理电路4包括信号的求 和放大电路13、低通滤波电路14、 二值化处理电路15、 A/D转换器16依次 连接。采用CCD器件需要五路驱动脉冲，有两路模拟输出，分别为奇数像 素输出和偶数像素输出，CCD器件驱动电路9可利用晶体振荡器和门电路 搭建而成来实现'。由于CCD器件输出奇偶两路信号，为了数据釆集必须先 将两路信号合并放大，再滤波去除噪声，这部分由CCD处理电路完成。采 用了应用较广泛的二值化处理法，即将信号送入电压比较器，将模拟信号数 字化，再对数据进行采集时，由状态控制电路5将控制信号送入争片机6， 然后再由单片机6控制计数器8计数，计数值送回单片机6处理。结果从单 片机6的串口通信输出口输出，连接到串行通信电路7。
如图3所示，为本实用新型实施例的求和放大电路示意图，进行奇偶视 频信号叠加电路信号的求和放大处理。由于TCD141ARC输出的是奇偶两路 视频信号，要得到完整的5000位有效信号，就得把奇偶两路信号按序叠加 起来，同时在CCD输出的原始信号很微弱，信号中常混杂有幅度较大的复 位脉冲干扰，必须进行适当的处理和一定的放大，才能i^入数字电路做进一 步处理。为此采用集成电路加法器，实现这两个功能。此电路只用-'-支运算 放大器就对两路CCD输出信号OS1和0S2作加法运算和放大，使奇偶两 路信号叠加，由于两路原始视频信号中复位脉冲幅度基本相同，而相位相反，从而在加法其中得到了明显的抑制；同时，由于CCD输出是负极性的，反 向加法后端恰好得到输入信号倒相，更易于信号处理。运算放大器的正相端 通过电位器调解可以去除CCD输出和信号中的直流偏置，在运算放大器的 反馈回路上并联一个30P左右的电容，可用来防止反馈的高频千扰如图3所 示。输出信号由下式表示为
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Vo="^"x(Vos，+ V啦)
该电路采用THS3001高速运算放大器，TH3001是美国德州仪器公司生 产的超高速运算放大器，它采用电流模技术制造，是一种电流负反馈运算放 大器。THS3001具有高达6500V4is的转换速率。该电路不但得到了完整的 5000位信号，且具有一定的放大作用，还明显减小了复位信号对视频信号的 容性干扰。驱动电路板中的CCD输出视频信号稳定，经奇偶叠加电路处理， 最后在THS3001输出端得到了清晰的5000位视频信号。
如图4所示，为本实用新型实施例的信号的低通滤波电路示意图，采用 无线增益多路反馈型低通滤波电路。求和后的视频信号经过低通滤波处理， 进一步滤除各种干扰信号，提高信噪比。此部分电路选用低通滤波釆用无线 增益多路反馈型低通滤波的方式。充线增益型滤波的特点是比较稳定，当电 路中元器件参数发生变化时，对电路影响不大。在电路中，Rl、 R2、 R3都 选用1K的电阻，Cl、 C2分别选lpF和0.47mF，就得到了一路求和放大并 调理好的CCD视频输出信号。
如图5所示，为本实用新型实施例的二值化电路示意图，采用电压比较 器，进行信号的二值化处理。滤波后采用二值化处理方法。二值化电平法是 通过设置阈值电平，将CCD输出信号与阈值电平比较，从而得出二值化电 平的方法。二值化电路根据二值化电平法将CCD视频信号输入比较器与值电压比较，输出二值化方波信号。CCD输出信号中包含有被测物体信息 时，选择适当的阈值电压，可使获得的方波脉冲宽度和位置与被测物体的对 应关系。若以二值化方波脉冲的上升沿为触发开始，下降沿为触发结束，将 CCD转移脉冲作为计数脉冲，可计数出在二值化方波高电平中包含的CCD 驱动脉冲个数，即有效信号中覆盖CCD像素个数，通过将计数结果与CCD 像素尺寸相乘即可得出被测物体的尺寸。这种方法简捷易行，有着广泛的应 用，如测物体尺寸和位置信息。二值化处理方法中最关键的问题是图像边缘 特征点的确立，即阈值电平的取值问题。阈值电平E设置的高低不同，经变 换后得到的图像边缘出入很大，但通过标定的方法可以很好地解决，因此， 二值化处理法的精度是能够得到一定保证的。
如图5， 二值化电路一般用电压比较器来实现，经解调处理后的电压信 号Vi从运算放大器的反相端送入，阈值电平E从同相端送入，稳压管D2 用来钳制输出电压，电阻R为输出的限流电阻，输出信号Vo再经和高频精 密脉冲相与后，由计数器计出脉冲值做一数学运算，就可以得到被测对象的 测量结果。
单片机6选用AT89C51， AT89C51是一种低功耗、高性能的片，内含有 4KB快闪可编程/擦除只读存储器的8位CMOS微控制器。该器件采用 ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集 和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片 中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供
了一种灵活性高且价廉的方案。
串口通信电路7选用RS-232,是IBM-PC及其兼容机上的串行连接标准。 可用于许多用途，比如连接鼠标、打印机或者Modem,同时也可以接工业仪器仪表。用于驱动和连线的改进，实际应用中RS-232的传输长度或者速 度常常超过标准的值，RS-232只限于PC串口和设备间点对点的通信。RS-232 串口通信最远距离是50英尺。
上位机10选用PC机，AT89C51与PC机的接口电路采用芯片MAX232。 MAX232是德州仪器公司(TI)推出的一款兼容RS-232标准的芯片。该器 件包含2个驱动器、2个接收器和1个电压发生器电路提供电平。MAX232 芯片起电平转换的功能，使单片机的电平与PC的RS-232电平达到匹配。
本实用新型针对传统水轮机直线度测量原理和机械提出了采用线阵 CCD作为探测器件，结合机械技术、电子技术、计算机技术研制水轮机组 轴系轴线直线度的非接触测量系统，建立一套针对立式机组轴线的静态直线 度非接触测量的测量方法。根据水轮机机械结构设计了测量装置的结构，具 有非接触、测量速度快、精度适中的特点，是解决大型轴系物体直线度测量 的有效手段。新颖的测量方法，将给业界带来更广泛的思路。
权利要求1、一种立式机组轴系轴线直线度检测装置，其特征在于，包括安装在水轮机组转轴(11)上的安装座(1)，安装座(1)上安装有CCD器件(3)，在CCD器件(3)的光照区设置有基准测量垂线(2)，CCD器件(3)与图像处理电路(4)连接，图像处理电路(4)与状态控制电路(5)连接，CCD器件(3)和状态控制电路(5)同时与驱动电路(9)连接，状态控制电路(5)与单片机(6)双向连接，单片机(6)与计数器(8)双向连接，单片机(6)通过串口通信电路(7)与上位机(10)连接。
2、 根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述的CCD器件(3) 选用TCD141ARC线阵CCD。
3、 根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述的单片机(6) 选用AT89C51。
4、 根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述的图象处理电 路(4)包括信号的求和放大(13)、低通滤波(14)、 二值化处理(15)、 A/D 转换器(16)依次连接。
5、 根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述的串口通信电 路(7)选用RS國232。
6、 根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述的上位机(10) 选用PC机。
专利摘要本实用新型公开了一种立式机组轴系轴线直线度检测装置，包括安装在水轮机组转轴上的安装座，安装座上安装有CCD器件，在CCD器件的光照区设置有基准测量垂线，CCD器件与图像处理电路连接，图像处理电路与状态控制电路连接，CCD器件和状态控制电路同时与驱动电路连接，状态控制电路与单片机双向连接，单片机与计数器双向连接，单片机通过串口通信电路与上位机连接。本实用新型采用线阵CCD作为探测器件，具有非接触、测量速度快、精度适中的特点，是解决大型轴系物体直线度测量的有效手段。
文档编号G01B11/27GK201141762SQ20082002806
公开日2008年10月29日 申请日期2008年1月8日 优先权日2008年1月8日
发明者乔卫东, 于殿泓, 房卓婷, 薇 马 申请人:西安理工大学