一种基于激光测速仪的滚轮直径检测系统及检测方法与流程

1.本发明属于滚轮检测技术领域，具体涉及一种基于激光测速仪的滚轮直径检测系统及检测方法。


背景技术：

2.随着人们生活水平的不断提高，对于出行的需求越来越大，这就导致人们对于车辆的依赖也越来越高。在车辆的使用过程中，为了保证其使用过程中的安全性和可靠性，往往需要定期对其进行检修，其中便重点包括对车轮系统的检修。
3.目前，在对车辆的车轮系统进行检修时，往往会用到滚轮式检定装置，由其配合车辆车轮来完成相应的检测过程。通常情况下，上述滚轮式检定装置包括一对滚轮，即主滚轮和副滚轮，利用汽车车轮在两两滚轮之间的设置和转动，完成相应的检修过程。例如，完成出租车计价器的检定、校准过程。
4.但是，主滚轮在长时间使用后，其表面容易产生磨损、变形等现象，导致主滚轮的直径发生变化，进而直接影响车辆检测过程中车辆速度、惯量、充分发出时间、寄生功率等参数检定结果的准确性。因此，在滚轮式检定装置的使用过程中，需要定期对主滚轮或者副滚轮的直径进行测量，保证两者的直径满足标准检测的需要。在现有的检测过程中，应用较多的方式为人工检测，即人工采用π尺缠绕主滚轮一圈的方式来测量其周长，或者通过卡尺对主滚轮的直径进行测量。上述方式虽然能一定程度上实现主滚轮直径的测量，但是其测量精度较差，对测量人员的作业水平要求较高，存在较大的测量误差，无法准确完成主滚轮的直径检测过程，导致检测装置无法正常过程，且现场操作难度角度，检测成本较高。


技术实现要素：

5.针对现有技术的以上缺陷或改进需求中的一种或者多种，本发明提供了一种基于激光测速仪的滚轮直径检测系统及检测方法，能快速、准确地实现对滚轮直径的测量，确保滚轮式检定装置在工作时的可靠性和准确性，降低车辆车轮系统检测过程中的误差。
6.为实现上述目的，本发明的一个方面，提供一种基于激光测速仪的滚轮直径检测系统，用于轴线水平设置的被测滚轮的直径检测；其包括对应被测滚轮设置的激光测速仪和旋转角度测量单元；
7.所述激光测速仪设置在所述被测滚轮的上方，用于实时检测该被测滚轮顶部的切向线速度；
8.所述旋转角度测量单元与所述激光测速仪电连接，其设置在所述被测滚轮的一侧，用于检测该被测滚轮转过的角度；同时，在所述被测滚轮上设置有靶标，使得所述被测滚轮每旋转一周该靶标可被所述旋转角度测量单元识别一次，以此得到一个脉冲信号；
9.相应地，所述被测滚轮正对所述激光测速仪部位的直径通过下式进行计算：
[0010][0011]
式(1)中，d为被测滚轮的直径，r为被测滚轮的半径；v
t
为被测滚轮表面在t时刻的瞬时线速度；n为旋转角度测量单元检测到的脉冲信号数量；t1～t2为测得n个脉冲信号而经历的时间。
[0012]
作为本发明的进一步改进，所述激光测速仪包括发射组件和接收组件；
[0013]
所述发射组件包括沿光路依次设置的激光器、旋转光栅和会聚透镜；所述激光器用于产生激光束并发射至旋转光栅；所述旋转光栅与所述激光器同轴设置，并可进行绕轴旋转，使得激光束穿过该旋转光栅后转换为两束光，即与所述激光束同轴的0级光和与该激光束呈一定角度的+1级衍射光；相应地，所述发射组件中还对应所述+1级衍射光设置有第一全反镜，使得所述+1级衍射光经过反射后与所述0级光平行入射到所述会聚透镜，并在所述被测滚轮的表面完成会聚；
[0014]
所述接收组件包括第二全反镜、光阑、收集透镜、光电探测器和信号处理单元；所述0级光和所述+1级衍射光会聚于所述被测滚轮顶部表面后产生的散射光穿过所述会聚透镜后转换为平行光束，依次经过所述第二全反镜、所述光阑后被所述收集透镜会聚在所述光电探测器上，由所述光电探测器和所述信号处理单元解算出检测点的线速度并输出。
[0015]
作为本发明的进一步改进，所述被测滚轮表面在t时刻的瞬时线速度v
t
为：
[0016][0017]
式(2)中，f
dt
为被测滚轮在t时刻的表面运动产生的多普勒频率，由所述光电探测器提取；λ为激光测速仪的光源波长；θ为0级光与+1级衍射光在被测滚轮表面的入射夹角。
[0018]
作为本发明的进一步改进，所述旋转角度测量单元与所述激光测速仪一体设置或者分别独立设置。
[0019]
作为本发明的进一步改进，所述靶标可拆卸设置在所述被测滚轮的外周表面上或者所述被测滚轮的一侧端面上。
[0020]
作为本发明的进一步改进，所述激光测速仪活动设置，其测速位置可沿被测滚轮的轴向往复变换。
[0021]
本发明的另一个方面，提供一种基于激光测速仪的滚轮直径检测方法，其利用所述的基于激光测速仪的滚轮直径检测系统来实现，包括如下步骤：
[0022]
(1)清洁被测滚轮的外周表面，在被测滚轮上方设置激光测速仪，使得该激光测速仪测量所述被测滚轮顶部最高处的切向线速度；
[0023]
(2)在所述被测滚轮上设置靶标和旋转角度测量单元，使得所述旋转角度测量单元先后检测到两次所述靶标时，所述被测滚轮刚好旋转一周；
[0024]
(3)控制所述被测滚轮转动，当所述旋转角度测量单元在t1时刻检测到一次脉冲信号上沿时，控制所述激光测速仪开始工作；当旋转角度测量单元在时间t2检测到第n个脉冲信号上沿时，停止激光测速仪的测量；
[0025]
(4)根据所述激光测速仪测得的线速度对时间进行积分，得到所述被测滚轮在时间t1～t2内转过的距离，结合公式(1)得出测量位置处的滚轮直径。
[0026]
作为本发明的进一步改进，在步骤(4)后，还进行有如下步骤：
[0027]
(5)更换所述激光测速仪正对所述被测滚轮外周的位置，重复步骤(3)、(4)，测量被测滚轮不同位置处的滚轮直径。
[0028]
作为本发明的进一步改进，通过所述激光测速仪输出的信号频率fs与固定频差fb的大小关系来判断滚筒转动的方向；
[0029]
所述固定频差fb为0级光与+1级衍射光之间的频率差，且fs与fb的差即为测量所述切向线速度所需的多普勒频率fd。
[0030]
作为本发明的进一步改进，步骤(1)中，控制所述激光测速仪测量位置为被测滚轮顶部最高处的方法为：
[0031]
打开所述激光测速仪，控制所述被测滚轮匀速转动，使的激光测速仪的测量激光处于竖直平面中并作用在被测滚轮的外周表面，沿垂直于被测滚轮轴向的水平方向移动所述激光测速仪，并查看移动过程中激光测速仪输出的速度大小；当速度输出值最大时，激光测速仪的测量位置为被测滚轮的顶部最高处。
[0032]
上述改进技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0033]
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有的有益效果包括：
[0034]
(1)本发明的基于激光测速仪的滚轮直径检测系统，其通过对应轴线水平设置的被测滚轮设置由激光测速仪、旋转角度测量单元组成的检测体系，利用激光测速仪检测被测滚轮转动时的顶部切向线速度，并利用旋转角度测量单元测量被测滚轮在对应时间内转过的角度，结合被测滚轮转动过程中的线速度和角度，通过相应的公式进行计算，继而准确得到被测滚轮的直径，提升滚轮直径测量过程的效率和精度，保证滚轮式校准装置工作的准确性。
[0035]
(2)本发明的基于激光测速仪的滚轮直径检测系统，其通过优选设计激光测速仪的结构，利用发射组件和接收组件的对应设置，使得激光测速仪可以生成互成一定角度的0级光和+1级衍射光，利用两者之间入射角度、光源波长、被测滚轮表面运动产生的多普勒频率等参数的组合计算，可以准确得到被测滚轮在相应时刻的瞬时线速度，为被测滚轮直径的计算提供了保障。
[0036]
(3)本发明的基于激光测速仪的滚轮直径检测方法，其系统结构简单，检测方法简便，操作过程不受使用环境的限制，与被测滚轮的检测表面无接触，能够精确测量出滚轮的直径，为车辆车轮系统检测装置的正常工作提供了保证，避免了传统检测方法中因读数误差、位置倾斜误差等因素造成的检测误差，提升了滚轮直径检测的效率和精度，具有实时、高效、全面等优点。
附图说明
[0037]
图1是本发明实施例中基于激光测速仪的滚轮直径检测系统的原理示意图；
[0038]
图2是本发明实施例中滚轮直径检测方法中使用的激光测速仪的结构示意图；
[0039]
图3是本发明实施例中基于激光测速仪的滚轮直径检测系统的结构侧视图；
[0040]
图4是本发明实施例中滚轮直径检测系统的角速度测量单元的信号接收示意图；
[0041]
在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：
[0042]
1、激光测速仪；2、被测滚轮；3、旋转角度测量单元；
[0043]
101、激光器；102、旋转光栅；103、会聚透镜；104、第一全反镜；105、第二全反镜；106、光阑；107、收集透镜；108、光电探测器；109、信号处理单元；110、安装支架；301、靶标。
具体实施方式
[0044]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0045]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0046]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0047]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0048]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0049]
实施例：
[0050]
请参阅图1，本发明优选实施例中的滚轮直径检测方法采用滚轮直径检测系统来实现，该系统包括对应被测滚轮2设置的激光测速仪1和旋转角度测量单元3，由前者实现被测滚轮2表面的线速度测量，并由后者完成被测滚轮2转过角度的测量。
[0051]
具体地，优选实施例中的被测滚轮2为图1所示的筒状结构，其底部嵌设在地面以下的凹坑中，并以其顶部凸出于地面，进而以其顶面与待校准车辆的车轮抵接匹配，在实际工作时，优选在被测滚轮2的一侧还设置有副滚轮，两者搭配完成对待校准车辆车轮的支撑，使得车轮底部的外周面分别抵接被测滚轮2和副滚轮，进而完成该车轮的转动驱动。
[0052]
进一步地，优选实施例中的激光测速仪1通过安装支架110安装于被测滚轮2的上
方，如图3中所示，由其对应测量被测滚轮2顶部的线速度。在实际测量时，激光测速仪1的测量位置为被测滚轮2的顶部最高处。
[0053]
在优选实施例中，为了判断激光测速仪1的测量位置是否为被测滚轮2的顶部最高处，优选通过平移激光测速仪1的测量位置来实现，当被测滚轮2的转动速度一定时，若沿垂直于滚轮轴线的水平方向平移激光测速仪1的位置，则其速度输出值会对应发生变化，且当激光测速仪1的速度输出值最大时，其速度测量位置刚好为被测滚轮2的顶部最高处。
[0054]
当然，除了上述方式外，在优选实施例中，还可以设置别的功能组件来识别被测滚轮2的速度测量位置，例如在激光测速仪1中对应设置激光测距仪，其可以沿竖向发射激光，并接收来自被测滚轮2反射后的激光，以此来判断测速位置是否为被测滚轮2的顶部最高处。当测速位置并非是被测滚轮2的顶部最高处时，激光测距仪发出的激光无法通过反射射回激光测距仪，即便有少量的光束射回，测出的距离也较大；而当测速位置为被测滚轮2的顶部最高处时，激光测距仪能够收到发出的激光，且此时测出的距离最小。
[0055]
进一步地，优选实施例中的旋转角度测量单元3也可通过安装支架110设置在被测滚轮2的上方，如图1中所示，相应地，在被测滚轮2的外周表面设置有靶标301。实际工作时，当旋转角度测量单元3先后检测到两个脉冲时，表明被测滚轮2旋转一周。
[0056]
具体而言，被测滚轮2的旋转角度测量过程优选为：
[0057]
旋转角度测量单元3发出的光沿滚轮径向入射到被测滚轮2的表面，出射光经过被测滚轮2反射后再由旋转角度测量单元3中的光电探测器108接收。通过在被测滚轮2表面上粘贴一高反射率的靶标301，如图1中所示，如此，当被测滚轮2旋转时，每转一圈，旋转角度测量单元3将会输出一个脉冲信号。经过整形处理后，旋转角度测量单元3接收到的脉冲信号如图4所示。
[0058]
在测量时间t内，存在如下计算关系t为从接收到第一个脉冲信号上升沿时刻t1到接收到第n个脉冲信号上升沿时刻t2的时间间隔：
[0059][0060]
式中，ω
t
为主滚轮在t时刻的瞬时角速度，n为旋转角度测量单元3接收到的脉冲个数。
[0061]
进一步地，被测滚轮2表面一点的线速度测量过程优选为：
[0062]
在旋转角度测量单元3接收到第一个脉冲信号上升沿的时刻t1时，激光测速仪1开始测量被测滚轮2顶部表面的线速度，在旋转角度测量单元3接收到第n个脉冲信号上升沿的时刻t2停止测量。根据多普勒效应可得，滚轮表面在t时刻的瞬时线速度v
t
为：
[0063][0064]
式中，f
dt
为被测滚轮2在t时刻的表面运动产生的多普勒频率；λ为激光测速仪1的光源波长；θ为两束入射光之间的夹角。
[0065]
相应地，在t
1-t2时刻内，被测滚轮2转过的长度为：
[0066][0067]
由公式v＝ω
·
r可得：
[0068]v·
t＝ω
·
t
·
r (4)
[0069]
结合公式(1)、公式(2)、公式(3)、公式(4)可知，被测滚轮2的直径d为：
[0070][0071]
式中，r为被测滚轮2的半径。
[0072]
进一步地，在优选实施例中，激光测速仪1的结构原理图如图2中所示，其包括发射组件和接收组件；其中，发射组件包括激光器101、旋转光栅102、会聚透镜103和第一全反镜104；接收组件包括第二全反镜105、光阑106、收集透镜107、光电探测器108和信号处理单元109。
[0073]
具体而言，激光器101发出一束激光并入射到旋转光栅102上，得到0级光和+1级衍射光，此时，0级光与激光器101发出激光时的光路同轴，进一步与旋转光栅102同轴设置；相应地，+1级衍射光与旋转光栅102的轴线呈一定角度传输，即与0级光之间呈一定角度。之后，+1级衍射光经由第一全反镜104反射偏转，其与0级光平行，得到两组平行光束。两组平行光书经由会聚透镜103会聚到被测滚轮2的顶部表面，且两组平行光汇聚时的夹角为θ，如图3中所示。
[0074]
进一步地，由会聚透镜103收集来自被测滚轮2的散射光，各散射光穿过会聚透镜103后变位平行光束，并由第二全反镜105转向，之后经由光阑106和收集透镜107会聚到光电探测器108的光敏面上，最后由信号处理单元109对光电探测器108输出的原始多普勒电流信号进行处理，提取多普勒频率，从而解算被测滚轮2上检测点的切向运动速度v并进行输出。
[0075]
需要说明的是，光路中利用旋转光栅102输出的0级光和+1级衍射光，考虑到衍射效应以及光栅是旋转运动的，则这两路光本身就存在一个固定的频差fb，以此可以用来判别被测滚轮2的转动方向。也正是因为旋转光栅102的设置和上述固定频差fb的存在，使得激光测速仪1可以通过识别被测滚轮2的转动方向来规避被测滚轮2抖动(相当于滚轮回转一定角度)时引入的误差或者干扰信号，进一步保证检测结果的准确性。
[0076]
具体的判定原理为：被测滚轮2转动导致光电探测器108输出信号的频率fs是在固定频差fb的基础上变化多普勒频率fd，不同的方向对应着fb+fd或f
b-fd，这样即可根据最终输出信号的频率fs与固定频差fb的大小关系来判断滚筒转动的方向，而fs与fb的差即为测量所需的多普勒频率fd。
[0077]
进一步地，优选实施例中的旋转角度测量单元3可以与激光测速仪1集成设置，也可以与激光测速仪1分别设置。例如，在一个优选实施例中，旋转角度测量单元3单独设置在被测滚轮2一侧的地面上，其正对被测滚轮2的外周或者端面的某一位置，相应地，在被测滚轮2的外周或者端面上设置有靶标301。为了避免靶标设置对被测滚轮2检定工作的影响，优选实施例中的靶标301设置为可拆卸的形式，例如设置为磁吸式结构或者嵌入式结构，保证
其设置位置的被测滚轮2表面不会出现凸起而干扰被测滚轮2的正常工作。
[0078]
显然，在实际设置时，可以将靶标301设置在被测滚轮2两端面上，使得其设置位置与被测滚轮2的工作周面隔开，保证旋转角度测量单元3工作的准确性。
[0079]
此外，对于优选实施例中的激光测速仪1而言，其安装支架110的底部优选为活动设置，使得激光测速仪1的测速位置可在被测滚轮2的轴向上对应切换，从而测定被测滚轮2轴向上不同部位的直径，准确判断被测滚轮2各部位的直径。
[0080]
综上，优选实施例中基于激光测速仪1的滚轮直径检测方法包括如下步骤：
[0081]
(1)清理被测滚轮2表面的杂质，确保被测滚轮2各部位的清洁性；
[0082]
(2)在被测滚轮2的表面或者端面上设置高反射率的靶标301，并对应该靶标301设置旋转角度测量单元3，使得被测滚轮2旋转一圈时，靶标301被识别一次，以此测定被测滚轮2转过的角度；相应地，在被测滚轮2的上方设置激光测速仪1，使得其会聚透镜103刚好正对被测滚轮2的顶部最高处，即使得测量点的线速度方向为水平方向。
[0083]
(3)开启被测滚轮2旋转，使得其以固定的速度旋转；当旋转角度测量单元3在时间t1检测到一次脉冲信号上沿时，激光测速仪1开始工作，由其对被测滚轮2的表面线速度进行测量；当旋转角度测量单元3在时间t2检测到第n个脉冲信号上沿时，停止激光测速仪1的测量；
[0084]
(4)根据激光测速仪1所得到的线速度对时间进行积分，可以得到被测滚轮2在时间t内转过的距离；同时，根据旋转角度测量单元3测定的被测滚轮2在时间t内转过的角度，结合公式(5)，便可得到测量位置的滚轮直径；
[0085]
(5)更换激光测速仪1正对被测滚轮2外周的位置，重复步骤(3)、(4)，测量被测滚轮2不同位置处的滚轮直径，判断被测滚轮2各部位的直径是否在正常范围内。
[0086]
本发明中的基于激光测速仪的滚轮直径检测系统及检测方法，其系统结构简单，检测方法简便，操作过程不受使用环境的限制，与被测滚轮的检测表面无接触，能够精确测量出滚轮的直径，为车辆车轮系统检测装置的正常工作提供了保证，避免了传统检测方法中因读数误差、位置倾斜误差等因素造成的检测误差，提升了滚轮直径检测的效率和精度，具有实时、高效、全面等优点。
[0087]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。