一种零长弹簧自由振动周期的测量系统及方法与流程

本发明属于重力测量领域，涉及零长弹簧弹性系数随温度变化的特性研究，尤其是一种零长弹簧自由振动周期的测量系统及方法。

背景技术：

零长弹簧是高精度海洋重力仪的核心敏感元件。弹性系数是零长弹簧最主要的参数，它随温度的变化而变化。弹性系数随温度的变化反映在零长弹簧伸长量的变化，通过力反馈回路由重力敏感器的输出而直观地表现出来。测量弹簧伸长量一般可通过“静力法”来测量。所谓“静力法”是将弹簧悬挂在支架上，将弹簧拉伸一定距离，通过测量拉力与伸长量的变化，即可得到弹性系数，比较不同温度下测量结果就可得到弹性系数与温度的变化关系。

但是，“静力法”对测量仪器的要求很高，在测量过程中很难将弹簧伸长量的变化与弹簧悬挂支架的伸长量变化分离出来，将造成极大的测量误差。根据弹簧伸长量的计算公式和弹簧振动公式，经过推导可以得到不同温度下弹性系数与振动周期之间的关系式，利用此关系式即可将难以准确测量的力测量和伸长量测量转化为容易准确测量的时间测量。

目前已有的测量弹簧振动周期的仪器或装置大多采用焦利秤，人眼读取弹簧伸长量，采用霍尔传感器进行周期测量，这种方式测量精度不能达到要求，并且没有涉及在不同温度下对弹簧振动周期进行测量。

通过公开专利文献的检索，没有发现与本发明申请相关的公开专利文献的记载。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术中测量精度低缺点，提出一种零长弹簧自由振动周期的测量系统及方法，该系统及方法利用“光电法”对零长弹簧的自由振动周期进行高精度、非接触式测量，为研究零长弹簧弹性系数随温度的变化关系提供基础。

本发明实现目的的技术方案是：

一种零长弹簧自由振动周期的测量系统，包括弹簧悬挂装置、待测弹簧、弹簧挂重、光源、斯密特棱镜、成像透镜及psd，在弹簧悬挂装置下悬挂吊装待测弹簧，该待测弹簧下面同轴固装弹簧挂重，在弹簧挂重下表面抛光成反射面；在弹簧挂重下方一侧设置一激光器，在弹簧挂重下方的另一侧依次设置斯密特棱镜、成像透镜及psd，光源发射的激光经过弹簧挂重的反射面反射到斯密特棱镜上，该激光经过斯密特棱镜的反射、折射后水平射向成像透镜上，经过成像透镜的折射到达psd上，psd将光斑信号转换为电信号，该信号由信号采集及处理系统传输给上位机，经过测试软件运算后使零长弹簧自由振动周期的测量过程及结果直观地显示出来。

而且，所述弹簧挂重的大圆直径为50mm，小圆外径为40mm，下表面抛光；挂重上表面径向均匀分布3×5个螺孔，上面共旋入3个螺钉来保证质量；当挂重旋入弹簧后，若挂重发生倾斜，通过改变螺钉的位置来使挂重水平。

而且，所述斯密特棱镜底面镀高反膜以调节光线角度及对准。

而且，所述光源包含激光器及准直器，激光器发出一束功率可调的光线，通过光纤耦合到准直器，在激光器的供电电源与激光器之间串联一个电位器，调整电位器阻值，即改变激光器的驱动电压就可调节激光器的功率。

而且，所述psd选用二维psd，采用±12v供电，输出为四路±10v范围内的电压信号。

而且，所述psd，其数据采集系统是以dsp芯片tms320f28335为核心，外围包括电源模块、电压转换模块、can口控制器和串口控制器；dsptms320f28335集成包括有can总线接口、2路uart串行接口和16路12位a/d转换模块，cpu频率为150m；dsp芯片自带16路12位a/d转换模块，输入要求为0～3v，中间需要电压转换模块；dsptms320f28335将a/d转换采集到的数据进行存储，并及时通过can总线接口和串行接口发送给计算机，计算机负责最后的数据存储和处理。

一种零长弹簧自由振动周期的测量方法，步骤是：

⑴将待测弹簧安装在弹簧悬挂装置上，在弹簧挂重下表面抛光成反射面；当待测弹簧振动时，弹簧挂重下表面随弹簧上下振动；

⑵激光器发出的激光与水平方向成45°角射向已抛光成反射面的挂重下表面，反射后射到psd的光敏面上；

⑶在挂重反射面与psd之间增加一个成像透镜，当弹簧振幅较大时，调节成像透镜的位置，使激光在挂重下表面形成的光斑范围在1平面的z-z0之间，使psd所在的1’平面在1倍焦距和2倍焦距之间，将光斑范围缩小到z’-z0’之间；同理，当弹簧振幅较小时，z-z0范围变小，调节成像透镜的位置，使激光在挂重下表面形成的光斑范围在1’平面的z-z0之间，使psd所在的2’平面在2倍焦距以外，将光斑范围放大到z’-z0’之间；

⑷在挂重下方一侧与成像透镜之间增加一个斯密特棱镜，其作用是使得出射光线偏转45°，这样就将光轴变为水平方向；

⑸激光器的激光经挂重下表面的镜面反射后光斑成像到psd的光敏面上，psd将光斑信号转换为电信号，测量信息由信号采集及处理系统传输给上位机；测试软件经过运算后使测量过程及结果直观地显示出来。

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明利用光电法测量零长弹簧振动周期，而且是高精度、非接触式测量，消除了对弹簧伸长量测量的要求。

2、本发明对psd采集到的波形进行频谱分析，可有效降低位置误差带来的测量误差，从原理上提高测量精度。

附图说明

图1为本发明各部件连接结构示意图；

图2为本发明的工作基本原理示意图；

图3为本发明光斑范围调节原理示意图；

图4为本发明成像透镜外形示意图；

图5为本发明斯密特棱镜工作原理示意图；

图6为本发明斯密特棱镜结构尺寸图中棱镜的主视图；

图7为本发明斯密特棱镜结构尺寸图中棱镜的的左视图；

图8为本发明弹簧挂重的截面剖视图；

图9为本发明弹簧挂重的俯视图；

图10为本发明psd信号原理图；

图11为本发明数据采集系统原理框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例做进一步详述；本实施例是描述性的，不是限定性的，不能由此限定本发明的保护范围。

一种零长弹簧自由振动周期的测量系统，参见图1、2、6、7、8、9、10、11，包括弹簧悬挂装置1、待测弹簧2、弹簧挂重3、光源7、斯密特棱镜4、成像透镜5及psd6，在弹簧悬挂装置下悬挂吊装待测弹簧，该待测弹簧下面同轴固装弹簧挂重，在弹簧挂重下表面抛光成反射面；在弹簧挂重下方一侧设置一激光器，在弹簧挂重下方的另一侧依次设置斯密特棱镜、成像透镜及psd，光源发射的激光经过弹簧挂重的反射面反射到斯密特棱镜上，该激光经过斯密特棱镜的反射、折射后水平射向成像透镜上，经过成像透镜的折射到达psd(光电位置敏感器件)上，psd将光斑信号转换为电信号，该信号由信号采集及处理系统传输给上位机，经过测试软件运算后使零长弹簧自由振动周期的测量过程及结果直观地显示出来。

本实施例中，所述图8、9为弹簧挂重的结构示意图，图中大圆直径为50mm，小圆外径分别为40mm，要求下表面抛光；挂重上表面径向均匀分布3×5个螺孔，上面共旋入3个螺钉来保证质量。当挂重旋入弹簧后，若挂重发生倾斜，可通过改变螺钉的位置来使挂重水平。

本实施例中，所述斯密特棱镜的结构如图6、7所示，左图中底面镀高反膜是为了减小光线在棱镜内部折反时的功率损失，右图上面阴影部分镀高反膜是为了调节光线角度及对准时的需要。

本实施例中，所述光源包含激光器及准直器，激光器发出一束功率可调的光线，通过光纤耦合到准直器。准直器既可以发出光线，也可以接收反射回来的光线，通过检测接收光的功率，可以调整光线的入射角度；在测量过程中，准直器仅用来发出光线，作为测量光。激光器波长需结合psd的光谱响应曲线确定，激光器功率由psd的饱和光功率φsat确定。在激光器的供电电源与激光器之间可以串联一个电位器，调整电位器阻值，即改变激光器的驱动电压就可调节激光器的功率。激光波长应与psd光谱响应曲线匹配，尽可能选择可见光的光谱范围内，推荐选择635nm或650nm波长的激光器。

本实施例中，所述psd(光电位置敏感器件)选用二维psd，其目的是为了减弱弹簧扰动对测量的影响，降低测量难度，其工作原理如图10所示。

本实施例中，所述psd的数据采集系统框图如图11所示，以dsp芯片tms320f28335为核心，外围包括电源模块、电压转换模块、can口控制器和串口控制器等。dsptms320f28335集成有can总线接口，2路uart串行接口和16路12位a/d转换模块等，cpu频率为150m，完全满足本系统的需要。psd模块采用±12v供电，输出为四路±10v范围内的电压信号。dsp芯片自带16路12位a/d转换，输入要求为0～3v，所以psd模块输出不能直接输入到dsp进行a/d转换，中间需要电压转换模块。dsptms320f28335将a/d转换采集到的数据进行存储，并及时通过can总线接口和串行接口发送给计算机。计算机负责最后的数据存储和处理。

一种零长弹簧自由振动周期的测量方法，步骤是：

⑴将待测弹簧安装在弹簧悬挂装置上，在弹簧挂重下表面抛光成反射面；当待测弹簧振动时，弹簧挂重下表面随弹簧上下振动；

⑵激光器发出的激光与水平方向成45°角射向挂重下表面，该激光以45°斜射到已抛光成反射面的挂重下表面，反射后射到光电位置敏感器件(psd)的光敏面上，参见图2；当弹簧振动时，挂重下表面在竖直方向上振动；若τ0时刻挂重下表面处于z0位置，则光斑落到psd的p0位置；当τ时刻挂重下表面处于z位置时，光斑则落到psd的p位置；

⑶为了适应在弹簧振幅不同的条件下，光斑都能落入psd的光敏面上，需要在挂重反射面与psd之间增加一个成像透镜，工作原理如图3所示，图中，1表示大振幅时物平面，1’表示大振幅时像平面，2表示小振幅时物平面，2’表示小振幅时像平面，3表示成像透镜。当弹簧振幅较大时，激光在挂重下表面形成的光斑范围在1平面的z-z0之间，调节成像透镜3的位置，使1’平面在1倍焦距和2倍焦距之间，可将光斑范围缩小到z’-z0’之间；同理，当弹簧振幅较小时，z-z0范围变小，调节成像透镜3的位置，使2’平面在2倍焦距以外，可将光斑范围放大到z’-z0’之间。成像透镜的外形示意图如图4所示，其中1表示直径，2表示有效焦距，3表示后焦距，4表示中心厚度，5表示边缘厚度。

⑷为了便于调节成像透镜的位置，在挂重下方一侧与成像透镜之间增加一个斯密特棱镜，其作用是使得出射光线偏转45°，这样就可以将光轴变为水平方向，斯密特棱镜的工作原理如图5所示。

⑸激光器的激光经挂重下表面的镜面反射后光斑成像到psd的光敏面上，psd将光斑信号转换为电信号，测量信息由信号采集及处理系统传输给上位机；测试软件经过运算后使测量过程及结果直观地显示出来。

根据模块的输出电压，可利用下式进行计算得到光斑在psd光敏面上的坐标(x,y)，坐标原点为psd光敏面的中心位置。

式中l为psd光敏面的边长，l＝10mm。

信号采集及处理系统要对psd模块的输出信号进行同步采集并传输到上位机。已知psd的输出信号为四路模拟电压，要求a/d分别率不低于1/2048，输出频率不低于2500hz。

psd数据采集系统框图如图11所示，以dsp芯片tms320f28335为核心，外围包括电源模块、电压转换模块、can口控制器和串口控制器等。dsptms320f28335集成有can总线接口，2路uart串行接口和16路12位a/d转换模块等，cpu频率为150m，完全满足本系统的需要。psd模块采用±12v供电，输出为四路±10v范围内的电压信号。dsp芯片自带16路12位a/d转换，输入要求为0～3v，所以psd模块输出不能直接输入到dsp进行a/d转换，中间需要电压转换模块。dsptms320f28335将a/d转换采集到的数据进行存储，并及时通过can总线接口和串行接口发送给计算机。计算机负责最后的数据存储和处理。

本发明的原理是：当弹簧振动时，光斑在psd光敏面的位置变化代表了挂重下表面的位置变化。利用信号采集和放大电路将psd的输出信号转换成光斑位置信号，即可获得弹簧振动过程的位置信息，绘出振动曲线，理论上该曲线为一条正弦曲线，对得到的数据进行频谱分析，即可得到弹簧振动的周期。