一种用于微小振动轨迹测量装置及其测量方法

1.本发明涉及一种用于微小振动轨迹测量装置及其测量方法，尤其涉及一种中低频机械振动轨迹的测量系统。


背景技术：

2.在机械零件或物料颗粒的输送、清洗、磨削、筛分等工程应用中，通常需要采用特定模态的机械振动来提升工作效率；而在另外一些工程领域，需要抑制振动以防其对仪器设备产生不利影响。因此通常需要进行试验测量以获得振动的幅值、频率、相位等模态数据，为设备监测、理论分析与系统优化提供依据。
3.当前多采用间接、惯性式传感器测量机械振动的位移等参量，在正交方向上安装传感器检测振动参量，再通过信号合成与分析给出振动体的振动参量。由于惯性传感元件的不同运动方向之间的相互耦合、传感器的线性度、信号增益等方面的差异，影响测量结果的准确性和真实性，同时也存在多周期测量结果重复叠加难以区分单个振动周期内振动体上的特征点的运动状态。


技术实现要素：

4.本发明的目的旨在解决上述技术问题，提供一种用于中等强度机械振动位移与振动轨迹的非接触、高精度测量装置及其测量方法。
5.为达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现。
6.一种用于微小振动轨迹测量装置，包括激光器1，电源2，平面分束镜一3和平面分束镜二4，小孔板一5和小孔板二6，l形传振支架7，光电传感器qpd8，ccd传感器一9和ccd传感器二10，单片机11，图像采集处理系统12与计算机13。
7.所述激光器1及电源2、平面分束镜一3、平面分束镜二4、光电传感器qpd8，ccd传感器一9和ccd传感器二10安置于同一工作平面。所述平面分束镜一3隔离距离a设置于激光器1的出光口后方且与激光器1的激光束成45
°
夹角，激光器1的出射光束经平面分束镜一3分为相互垂直的两路激光束i和激光束ii；所述小孔板一5和小孔板二6相垂直且分别位于激光束i和激光束ii的通路上，小孔板一5的小孔正对激光束i，小孔板二6的小孔正对激光束ii，小孔板一5和小孔板二6隔离距离b分别固定于l形传振支架7的相互垂直的两臂上，对称分布于平面分束镜一3两侧，l形传振支架7安置于待测振动体上；所述ccd传感器一9隔离距离c设置在小孔板一5的通路上，ccd传感器一9的靶面与激光束i垂直，在ccd的拍摄范围内对小孔板一5成像，其输出与图像采集处理系统12用信号线连接；所述平面分束镜二4隔离距离d位于小孔板二6的后方并与激光束成45
°
夹角的激光束ii的通路上，激光束ii通过小孔板二6的小孔后被平面分束镜二4分为激光束iii和激光束iv，其中激光束iii与激光束ii方向相同，激光束iv与激光束ii垂直；ccd传感器二10隔离距离e位于平面分束镜二4后方激光束iii的通路上，其靶面与激光束iii垂直，在ccd传感器的拍摄范围内对小孔板二6成像，ccd传感器二10与图像采集处理系统12通过信号线连接；光电传感器qpd8隔离距离f设置在
平面分束镜二4的激光束iv的通路上且其光敏面与激光束iv垂直，其输出通过信号线与单片机11连接，所述图像采集处理系统12通过信号线连接轨迹合成的计算机13；所述ccd传感器一9和ccd传感器二10分别通过信号线连接单片机11；所述激光器1和单片机11通过信号线连接电源2。
8.进一步优选，所述的激光器1为光束经过扩束准直的半导体激光器，或氦氖激光器、或固体激光器。
9.进一步优选，所述的电源2为线性恒流驱动电源，或含有信号发生器的调制电源。
10.进一步优选，所述的光电传感器qpd8为四象限光电传感器qpd。
11.进一步优选，所述ccd传感器一9和ccd传感器二10为ccd图像传感器。
12.进一步优选，所述的图像采集处理系统12为双通道图像采集处理系统。
13.进一步优选，所述的距离a为平面分束镜边缘到出光口最近距离的1-2cm；距离b为平面分束镜通光孔的半径加上最大振幅的倍；距离d限制为大于激光束ii方向上小孔板的最大振幅；距离c、距离e为ccd传感器的成像距离，距离f为光电传感器qpd的成像距离。
14.为达到上述目的，本发明采用如下另一技术方案予以实现。
15.一种用于微小振动轨迹测量装置的测量方法，包括以下步骤：
16.s1.在静态条件下多次改变小孔板一5的位置，每次分别记录ccd传感器一9以及ccd传感器二10的像平面上光斑位置以及与之对应的光电传感器qpd8象限信息，由此找到ccd传感器一9以及ccd传感器二10像面上各象限位置及其分界线；
17.s2.选择测量方位，针对动态条件下得到的图像p1和图像p2进行校正后，再进行roi提取、分割、平滑边界处理，计算图像上序列光斑中心坐标；
18.s3.按照光电传感器qpd8的象限变化顺序，分别找出图像p1、p2上各点的先后顺序并分别编号，基于图像p1平面和图像p2平面空间垂直关系，利用编号相同的点的图像坐标确定空间点的三维坐标；
19.s4.根据各空间点的顺序拟合空间曲线，计算振动参量。
20.上述所述步骤s1的具体内容和方法，步骤如下：
21.s11.在静态条件下多次改变小孔板的位置，每次分别记录ccd传感器一9以及ccd传感器二10的像平面上光斑位置以及与之对应的光电传感器qpd8象限信息；
22.s12.根据ccd传感器一9及ccd传感器二10像平面上光斑位置和对应的光电传感器qpd8象限信息，找到ccd传感器一9以及ccd传感器二10像面上各象限位置及其分界线。
23.上述所述步骤s2的具体内容和方法，包括以下子步骤：
24.s21.选出合适的测量方向，保证光斑在ccd传感器一9以及ccd传感器二10像面成像平面上不出现直线排列、交叉重叠的情况，以便判定光斑先后顺序；
25.s22.设置单片机11生成的触发信号触发边缘以及脉冲序列中的第一个脉冲与光电传感器qpd8的象限信号某一变化沿对齐、脉冲序列的长度为光电传感器qpd8的象限变化周期，设置ccd传感器一9及ccd传感器二10曝光时间大于光电传感器qpd8的象限周期，使ccd传感器能完整记录一个振动周期的光斑序列；
26.s23.一个振动周期开始，ccd传感器一9和ccd传感器二10接收到触发信号后分别采集一幅序列光斑的数字图像p1、p2后，首先对图像进行去畸变处理和去噪，校正图像各像素点的坐标，得到校正后的图像；
27.s24.对去噪后的图像进行自适应roi提取；
28.s25.用改进最小误差法对激光光斑图像进行分割处理；
29.s26.用形态学处理中的开运算对阈值分割后的光斑图像进行处理，在不明显改变光斑面积的情况下平滑其边界；
30.s27.用圆拟合算法遍历光斑轮廓的像素点即可计算出光斑几何中心坐标(a，b)。残差的平方和函数：
31.q＝∑
i∈e
ε
i2
＝∑
i∈e
ε
i2
[(x
i-a)2+(y
i-b)
2-r2]2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0032]
式中，(xi，yi)是图像边界像素坐标，r是半径。假设圆心坐标为(a，b)，将最小二乘原理与之联系得到式(2)，通过最小二乘对圆进行逼近。
[0033][0034]
对上述方程进行代入化简就可以得到圆拟合的计算公式：
[0035][0036]
上述所述步骤s3的具体内容和方法，包括以下子步骤：
[0037]
s31.计算机13接收qpd光电传感器8各所确定的象限变化顺序，由此决定图像p1、p2上的光斑是按照顺时针还是逆时针移动，判断两图像上光斑位置顺序；
[0038]
s32.结合s12所确定的图像上的象限位置，对图像p1、p2上的光斑中心坐标按照先后顺序编号，据此来实现p1、p2图像上光斑位置一一对应；
[0039]
s33.利用图像p1和图像p2所在平面空间垂直关系，根据编号相同的中心点的两组图像坐标确定空间点的三维坐标。
[0040]
上述所述步骤s4的具体内容和方法，包括以下子步骤：
[0041]
s41.图像传送到计算机13，首先进入程序初始化，打开线程循环，一个周期测量开始时，采集图像，利用opencv库函数对图像进行处理，进行畸变校正、去噪、自适应roi提取、分割、平滑边界和中心检测这些操作后获得光斑的图像几何中心坐标；
[0042]
s42.根据各空间点的顺序拟合空间曲线，解析振动参量；
[0043]
s43.判断线程是否结束，当没有结束，则返回线程进行下一个周期测量；当结束了，则保存振动参量数据，回收线程资源，结束程序。
[0044]
本发明有益效果在于：提供了一种用于微小振动轨迹实时测量的装置及其测量方法。以光电传感器qpd信号作为ccd传感器触发信号和图像上光斑移动方向的判定信号，通过两个ccd传感器实时记录两个正交平面上光斑的振动轨迹、判定两幅图像上光斑的移动方向，建立两幅图像上的光斑的一一对应关系，进而确定空间振动点的坐标和轨迹。本发明可以根据振动周期和测量需要控制测量脉冲序列的周期，用两个同步ccd传感器所成单幅图像对就可以完成一个周期的振动轨迹合成，可以实时记录机械振动轨迹及模态，提高了测量的速度和准确度。
附图说明
[0045]
图1是本发明的用于微小振动轨迹测量装置的构造示意图，
[0046]
图中：1为激光器，2为电源，3为平面分束镜一，4为平面分束镜二，5为小孔板一，6为小孔板二，7为l形传振支架，8为光电传感器qpd，9为ccd传感器一，10为ccd传感器二，11为单片机，12为图像采集处理系统，13为计算机。
[0047]
图2是本发明的用于微小振动轨迹测量装置的测量方法流程图。
具体实施方式
[0048]
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施案例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。
[0049]
下面将结合图1、图2详细说明一下本发明提供的一种用于微小振动轨迹测量装置及其测量方法。
[0050]
本发明的一种用于微小振动轨迹测量装置，包括激光器1及电源2，平面分束镜一3和平面分束镜二4，小孔板一5和小孔板二6，l形传振支架7，光电传感器qpd8，ccd传感器一9和ccd传感器二10，单片机11，图像采集处理系统12与计算机13。
[0051]
所述激光器1及电源2、平面分束镜一3、平面分束镜二4、光电传感器qpd8，ccd传感器一9和ccd传感器二10安置于同一工作平面。所述平面分束镜一3隔离距离a设置于激光器1的出光口后方且与激光器1的激光束成45
°
夹角，激光器1的出射光束经平面分束镜一3分为相互垂直的两路激光束i和激光束ii；所述小孔板一5和小孔板二6相垂直且分别位于激光束i和激光束ii的通路上，小孔板一5的小孔正对激光束i，小孔板二6的小孔正对激光束ii，小孔板一5和小孔板二6隔离距离b分别固定于l形传振支架7的相互垂直的两臂上，对称分布于平面分束镜一3两侧，l形传振支架7安置于待测振动体上；所述ccd传感器一9隔离距离c设置在小孔板一5的通路上，ccd传感器一9的靶面与激光束i垂直，在ccd的拍摄范围内对小孔板一5成像，其输出与图像采集系统12用信号线连接；所述平面分束镜二4隔离距离d位于小孔板二6的后方并与激光束成45
°
夹角的激光束ii的通路上，激光束ii通过小孔板二6的小孔后被平面分束镜二4分为激光束iii和激光束iv，其中激光束iii与激光束ii方向相同，激光束iv与激光束ii垂直；ccd传感器二10隔离距离e位于平面分束镜二4后方激光束iii的通路上，其靶面与激光束iii垂直，在ccd传感器的拍摄范围内对小孔板二6成像，ccd传感器二10与图像采集处理系统12通过信号线连接；光电传感器qpd8隔离距离f设置在平面分束镜二4的激光束iv的通路上且其光敏面与激光束iv垂直，其输出通过信号线与单片机11连接，所述图像采集处理系统12通过信号线连接轨迹合成的计算机13；所述ccd传感器一9和ccd传感器二10分别通过信号线连接单片机11；所述激光器1和单片机11通过信号线连接电源2。
[0052]
上述所述的激光器1为光束经过扩束准直的半导体激光器、或氦氖激光器、或固体激光器。
[0053]
上述所述的电源2为线性恒流驱动电源，或高压电源，或含有信号发生器的调制电源。
[0054]
上述所述的光电传感器qpd8为四象限光电传感器qpd。
[0055]
上述所述ccd传感器一9和ccd传感器二10为ccd图像传感器。
[0056]
上述所述的图像采集处理系统12为双通道图像采集处理系统。
[0057]
上述所述的距离a为平面分束镜边缘到出光口最近距离的1-2cm；距离b为平面分束镜通光孔的半径加上最大振幅的倍；距离d限制为大于激光束ii方向上小孔板的最大振幅；距离c、距离e为ccd传感器的成像距离，距离f为光电传感器qpd的成像距离。
[0058]
本发明的一种用于微小振动轨迹测量装置的测量方法，包括以下步骤：
[0059]
s1.在静态条件下多次改变小孔板一5的位置，每次分别记录ccd传感器一9以及ccd传感器二10的像平面上光斑位置以及与之对应的光电传感器qpd8象限信息，由此找到ccd传感器一9以及ccd传感器二10像面上各象限位置及其分界线，具体内容和步骤如下：
[0060]
s11.在静态条件下多次改变小孔板一5的位置，每次分别记录ccd传感器一9以及ccd传感器二10的像平面上光斑位置以及与之对应的光电传感器qpd8象限信息；
[0061]
s12.根据ccd传感器一9及ccd传感器二10像平面上光斑位置和对应的光电传感器qpd8象限信息，找到ccd传感器一9以及ccd传感器二10像面上各象限位置及其分界线。
[0062]
s2.选择测量方位，针对动态条件下得到的图像p1和图像p2进行校正后，再进行roi提取、分割、平滑边界处理，计算图像上序列光斑中心坐标，具体内容和步骤如下：
[0063]
s21.选出合适的测量方向，保证光斑在ccd传感器一9以及ccd传感器二10像面成像平面上不出现直线排列、交叉重叠的情况，以便判定光斑先后顺序；
[0064]
s22.设置单片机11生成的触发信号触发边缘以及脉冲序列中的第一个脉冲与光电传感器qpd8的象限信号某一变化沿对齐、脉冲序列的长度为光电传感器qpd8的象限变化周期，设置ccd传感器一9及ccd传感器二10曝光时间大于光电传感器qpd8的象限周期，使ccd传感器能完整记录一个振动周期的光斑序列；
[0065]
s23.一个振动周期开始，ccd传感器一9和ccd传感器二10接收到触发信号后分别采集一幅序列光斑的数字图像p1、p2后，首先对图像进行去畸变处理和去噪，校正图像各像素点的坐标，得到校正后的图像；
[0066]
s24.对去噪后的图像进行自适应roi提取；
[0067]
s25.用改进最小误差法对激光光斑图像进行分割处理；
[0068]
s26.用形态学处理中的开运算对阈值分割后的光斑图像进行处理，在不明显改变光斑面积的情况下平滑其边界；
[0069]
s27.用圆拟合算法遍历光斑轮廓的像素点即可计算出光斑几何中心坐标(α，b)。残差的平方和函数：
[0070]
q＝∑
i∈e
ε
i2
＝∑
i∈e
ε
i2
[(x
i-a)2+(y
i-b)
2-r2]2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0071]
式中，(xi，yi)是图像边界像素坐标，r是半径。假设圆心坐标为(a，b)，将最小二乘原理与之联系得到式(2)，通过最小二乘对圆进行逼近。
[0072][0073]
对上述方程进行代入化简就可以得到圆拟合的计算公式：
[0074][0075]
s3.按照光电传感器qpd8的象限变化顺序，分别找出图像p1、p2上各点的先后顺序并分别编号，基于图像p1平面和图像p2平面空间垂直关系，利用编号相同的点的图像坐标确定空间点的三维坐标，具体内容和步骤如下：
[0076]
s31.计算机13接收光电传感器qpd8各所确定的象限变化顺序，由此决定图像p1、p2上的光斑是按照顺时针还是逆时针移动，判断两图像上光斑位置顺序；
[0077]
s32.结合s12所确定的图像上的象限位置，对图像p1、p2上的光斑中心坐标按照先后顺序编号，据此来实现p1、p2图像上光斑位置一一对应；
[0078]
s33.利用图像p1和图像p2所在平面空间垂直关系，根据编号相同的中心点的两组图像坐标确定空间点的三维坐标。
[0079]
s4.根据各空间点的顺序拟合空间曲线，计算振动参量，具体内容和步骤如下：
[0080]
s41.图像传送到计算机13，首先进入程序初始化，打开线程循环，一个周期测量开始时，采集图像，利用opencv库函数对图像进行处理，进行畸变校正、去噪、自适应roi提取、分割、平滑边界和中心检测这些操作后获得光斑的图像几何中心坐标；
[0081]
s42.根据各空间点的顺序拟合空间曲线，解析振动参量；
[0082]
s43.判断线程是否结束，当没有结束，则返回线程进行下一个周期测量；当结束了，则保存振动参量数据，回收线程资源，结束程序。还可以用matlab软件绘制振动曲线。
[0083]
本发明说明书中未做详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

技术特征：
1.一种用于微小振动轨迹测量装置，其特征在于：包括激光器(1)及电源(2)，平面分束镜一(3)和平面分束镜二(4)，小孔板一(5)和小孔板二(6)，l形传振支架(7)，光电传感器qpd(8)，ccd传感器一(9)和ccd传感器二(10)，单片机(11)，图像采集处理系统(12)与计算机(13)；所述激光器(1)及电源(2)、平面分束镜一(3)、平面分束镜二(4)、光电传感器qpd(8)，ccd传感器一(9)和ccd传感器二(10)安置于同一工作平面；所述平面分束镜一(3)隔离距离a设置于激光器(1)的出光口后方且与激光器(1)的激光束成45
°
夹角，激光器(1)的出射光束经平面分束镜一(3)分为相互垂直的两路激光束i和激光束ii；所述小孔板一(5)和小孔板二(6)相垂直且分别位于激光束i和激光束ii的通路上，小孔板一(5)的小孔正对激光束i，小孔板二(6)的小孔正对激光束ii，小孔板一(5)和小孔板二(6)隔离距离b分别固定于l形传振支架(7)的相互垂直的两臂上，对称分布于平面分束镜一(3)两侧，l形传振支架(7)安置于待测振动体上；所述ccd传感器一(9)隔离距离c设置在小孔板一(5)的通路上，ccd传感器一(9)的靶面与激光束i垂直，在ccd传感器的拍摄范围内对小孔板一(5)成像，其输出与图像采集系统(12)用信号线连接；所述平面分束镜二(4)隔离距离d位于小孔板二(6)的后方并与激光束成45
°
夹角的激光束ii的通路上，激光束ii通过小孔板二(6)的小孔后被平面分束镜二(4)分为激光束iii和激光束iv，其中激光束iii与激光束ii方向相同，激光束iv与激光束ii垂直；ccd传感器二(10)隔离距离e位于平面分束镜二(4)后方激光束iii的通路上，其靶面与激光束iii垂直，在ccd的拍摄范围内对小孔板二(6)成像，ccd传感器二(10)与图像采集处理系统(12)通过信号线连接；光电传感器qpd(8)隔离距离f设置在平面分束镜二(4)的激光束iv的通路上且其光敏面与激光束iv垂直，其输出通过信号线与单片机(11)连接，所述图像采集处理系统(12)通过信号线连接轨迹合成的计算机(13)；所述ccd传感器一(9)和ccd传感器二(10)分别通过信号线连接单片机(11)；所述激光器1和单片机(11)通过信号线连接电源(2)。2.根据权利要求1所述的用于微小振动轨迹测量装置，其特征在于：所述的激光器(1)为光束经过扩束准直的半导体激光器，或氦氖激光器、或固体激光器。3.根据权利要求1所述的用于微小振动轨迹测量装置，其特征在于：所述的电源2为线性恒流驱动电源，或含有信号发生器的调制电源。4.根据权利要求1所述的用于微小振动轨迹测量装置，其特征在于：所述的光电传感器qpd(8)为四象限光电传感器qpd。5.根据权利要求1所述的用于微小振动轨迹测量装置，其特征在于：所述ccd传感器一(9)和ccd传感器二(10)均为ccd图像传感器。6.根据权利要求1所述的用于微小振动轨迹测量装置，其特征在于：所述的图像采集处理系统(12)为双通道图像采集处理系统。7.根据权利要求1所述的用于微小振动轨迹测量装置，其特征在于：所述的距离a为平面分束镜边缘到出光口最近距离的1-2cm；距离b为平面分束镜通光孔的半径加上最大振幅的倍；距离d限制为大于激光束ii方向上小孔板的最大振幅；距离c、距离e为ccd传感器的成像距离，距离f为光电传感器qpd的成像距离。8.一种根据权利要求1-6任一所述的用于微小振动轨迹测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
s1.在静态条件下多次改变小孔板一(5)的位置，每次分别记录ccd传感器一(9)以及ccd传感器二(10)的像平面上光斑位置以及与之对应的光电传感器qpd(8)象限信息，由此找到ccd传感器一(9)以及ccd传感器二(10)像面上各象限位置及其分界线；s2.选择测量方位，针对动态条件下得到的图像p1和图像p2进行校正后，再进行roi提取、分割、平滑边界处理，计算图像上序列光斑中心坐标；s3.按照光电传感器qpd(8)的象限变化顺序，分别找出图像p1、p2上各点的先后顺序并分别编号，基于图像p1平面和图像p2平面空间垂直关系，利用编号相同的点的图像坐标确定空间点的三维坐标；s4.根据各空间点的顺序拟合空间曲线，计算振动参量。9.根据权利要求8所述的用于微小振动轨迹测量装置的测量方法，其特征在于：所述步骤s4的具体内容和方法包括以下步骤：s41.图像传送到计算机(13)，首先进入程序初始化，打开线程循环，一个周期测量开始时，采集图像，利用opencv库函数对图像进行处理，进行畸变校正、去噪、自适应roi提取、分割、平滑边界和中心检测这些操作后获得光斑的图像几何中心坐标；s42.根据各空间点的顺序拟合空间曲线，解析振动参量；s43.判断线程是否结束，当没有结束，则返回线程进行下一个周期测量；当结束了，则保存振动参量数据，回收线程资源，结束程序。

技术总结
本发明公开了一种用于微小振动轨迹测量装置及其测量方法，属于振动轨迹的测量领域。本发明利用分束镜将激光分为相互垂直的两路，分别通过固定于同一传振支架上的两个互相垂直的小孔板照射CCD传感器和光电传感器QPD上。单片机接收光电传感器QPD输出的象限位置信号并根据其变化周期生成脉冲序列信号和触发信号，电源接收脉冲序列信号用于驱动激光器发出激光脉冲，CCD传感器接收单片机发送的触发信号然后记录图像信息。本发明通过两个同步CCD传感器所成单幅图像对就可以完成一个周期的振动轨迹合成，无需惯性测振元件且避免了多周期测量结果重复叠加，提高了测量的实时性和准确度。确度。确度。


技术研发人员：李锋 施凯敏 郭小芳 许袁 李垣江 彭珊珊 李培坤 葛忠显
受保护的技术使用者：江苏科技大学
技术研发日：2023.06.13
技术公布日：2023/9/22