光电六维振动位移传感器的设计

1、第22卷第1期 2002年3月振动、测试与诊断JournalofVibration,Measurement&Diagnosis Vol.22No.1Mar.2002光电六维振动位移传感器的设计鹿存跃 赵淳生(江苏省超声电机工程研究中心 南京,210016)X摘要 根据光学反射原理,采用光线转换器件和六个线阵CCD光电探测器件,设计了一个六维振动位移测量传感器系统,讨论了六维振动位移的同步测试问题。该传感器系统采用新颖的光线转换器件将被测物体的位置信息转化为投影光曲线的形状信息,线阵CCD器件将光线位置信息转化为电信号,由数据采集板送往计算机处理,得到被测物体的位移信息。该系统采用了新型

2、的光线转换器,无需复杂、精密的光学系统,即可进行一定范围内的六维位移测量。关键词 位移传感器 CCD器件 光电测量 位移测量中图分类号 TJ206引 言目前,国内外对于一维和二维振动的线位移或角位移的测量已经有了较深入的研究13,但是六个位移参数的同步测量仍有一定的难度,存在着一些问题不易解决。在既有线位移又有角位移的情况下,各参量相互影响,不容易分离测量。传统的方法是采用惯性加速度计测线位移并配合惯性角速度陀螺测角位移,由于设备过于复杂、沉重,因而不适合用于振动位移的测量。采用高速摄像机测量位移存在着成本高、数据处理困难和精度差等问题。本文根据光学反射原理,设计了一个实用的六维振动位移传感器

3、系统。该系统采用新颖的光线转换器件和六个线阵CCD光电探测器件,能够同时测出被测物体的三个角位移和三个线位移。1 光电六维振动位移传感器系统的组成和测量原理1为被测物体;2为光线转换器;3为投影屏;4为光电探测器;5为平行光源;6为信号采集及数据处理系统。图1 传感器系统结构示意图 该六维位移传感器系统由平行光源、光线转换器、光电探测器、数据采集和处理系统等组成,其结构示意图如图1所示。两个相互垂直的光线转换单元固结在一起,构成一个:50振 动、测 试 与 诊 断 第22卷完整的光线转换器。它很轻,可以固定在被测物体上,随被测物体一起运动,不会显著地影响被测物体的振动特性。平行光源发出的宽束光

4、照射到光线转换器上,被转换为两个相互垂直的光曲面。光曲面投射到投影屏上,成像为两支对称且中心线相互垂直的二次曲线。布置在投影屏上的线阵CCD光电探测器件测得两条二次曲线上六个点的坐标,通过数据采集板送往计算机,经过数据处理,得到被测振动物体的位移、速度和加速度。整个测试系统的工作原理框图如图2所示。光线转换原理如图3所示,当一束光线照射到光线转换器的光线转换单元(玻璃圆柱)上时,由于光线在圆柱表面上的反射,因而会形成一个发散的光曲面。当入射光线与光线转换单元的轴心线垂直时,所形成的光曲面为一平面,这个光平面在投影屏上的投影为一条直线。当入射光线与光线转换单元的轴心线不垂直时,经反射形成一光曲面

5、,这个光曲面在投影屏上的投影为一条二次曲线。若忽略光线转换单元的直径,反射光曲面可看作一光锥面,在投影屏上得到的二次曲线将是双曲线。当被测物体运动时,在投影屏上所形成的两条投影曲线的位置和形状也测得投影曲线上几个点的坐标,就可以求得被测物体的当前位置。图2 传感器测试系统的工作原理框图会随之发生变化,并且被测物体的振动位置与投影曲线的位置和形状有着确定的数学关系。(a)图3 光的反射和光的转换原理(b)1为入射光线;2为反射光线;3为投影屏;4为光线转换单元;5为投影二次曲线。2 数学模型的建立数学模型的作用是利用某一时刻测得的投影曲线上六个点的坐标,来解算出该时刻被测第1期 鹿存跃等:光电六

6、维振动位移传感器的设计 51 以O为原点,作定坐标系OXYZ,然后作动坐标系OXcYcZc与刚体固结。刚体的位置可由OXcYcZc相对于定坐标系OXYZ的位置来确定。在定点运动中,刚体位置的确定有许多种方法,最常用的方法有方向余弦法、欧拉-克雷洛夫角法以及罗德里格-哈密尔顿参数法。在此选用较常用的欧拉-克雷洛夫角法来确定刚体的位置。如图4所示,角度a,b,c分别是绕OZ,ON和OXc的度量,并且当对着OZ,ON和OXc各轴的正向看去时,以逆时针方向为正。这三个角称为克雷洛夫角,它们是彼此独立的,是惟一地确定动坐标系OXcYcZc(刚体)对于定坐标系OXYZ的位置。两个光线转换器互相垂直放置,忽

7、略其半径。其中一个光线转换器的轴心线与Y轴重合,另一个的轴心线与Z轴重合。平行光束沿着X轴反方向入射,光线转换器与动坐标系固结在一起,随动坐标系旋转,如图5所示。当入射光线转过一定的角度时,沿Yc轴方向放置的光线转换器在定坐标系中产生的光锥面方程为y2(y*2-x*2)+z2(z*2-x*2)+2xyx*y*+2xzx*z*+2yzy*z*=0x其中y*图4 欧拉-克雷洛夫角(1)(2)=cosasinbsinc-sinacosc=sinasinbsinc+cosacosc 图5 轴心线与Yc轴重合的光线转换器反射形成的光锥面z=cosbsinc沿Zc方向放置的光线转换器产生的光锥面方程为2*

8、22*2*2*y2(y*=01-x1)+z(z1-x1)+2xyx1y1+2xzx1z1+2yzy1z1(3)其中x1*=cosasinbcosc+sinasinc(4)y1*=sinasinbsinc-cosasincz1*=cosbcosc考虑到刚体的运动既有转动也有平动,假设刚体沿定坐标系中X,Y和Z方向的位移分别是x0,y0和z0,则沿Yc轴方向的光线转换器产生的光锥面方程变为(y-y0)(y2*2-x*2)+(z-z0)(z*2*2-x*2)+2(x-x0)(y-y0)xy+*2(x-x0)(z-z0)xz+2(y-y0)(z-z0)yz=0(5)沿Zc轴方向的光线转换器产生的光锥面

9、方程变为(y-y0)2(y1*2-x1*2)+(z-z0)2(z1*2-x1*2)+2(x-x0)(y-y0)x1*y1*+2(x-x0)(z-z0)x1*z1*+2(y-y0)(z-z0)y1*z1*=0(6)152振 动、测 试 与 诊 断 第22卷六个CCD探测器件来探测投影曲线上六个点的坐标,将六个点的坐标分别代入光锥面方程式(5和式(6)中,得到非线性方程组式(7)2*2*22*2*2*(y1-y0)(y-x)+(z1-z0)(z-x)+2(x-x0)(y1-y0)xy+2(x-x0)(z1-z0)xz+2(y1-y0)(z1-z0)yz=0(y2-y0)2(y*2-x*2)+(z2

10、-z0)2(z*2-x*2)+2(x-x0)(y2-y0)x*y*+ 2(x-x0)(z2-z0)x*z*+2(y2-y0)(z2-z0)y*z*=0(y3-y0)2(y*2-x*2)+(z3-z0)2(z*2-x*2)+2(x-x0)(y3-y0)x*y*+ 2(x-x0)(z3-z0)x*z*+2(y3-y0)(z3-z0)y*z*=0(y4-y0)2(y1*2-x1*2)+(z4-z0)2(z1*2-x1*2)+2(x-x0)(y4-y0)x1*y1*+ 2(x-x0)(z4-z0)x1*z1*+2(y4-y0)(z4-z0)y1*z1*=0(y5-y0)2(y1*2-x1*2)+(z5

11、-z0)2(z1*2-x1*2)+2(x-x0)(y5-y0)x1*y1*+ 2(x-x0)(z5-z0)x1*z1*+2(y5-y0)(z5-z0)y1*z1*=0(y6-y0)2(y1*2-x1*2)+(z6-z0)2(z1*2-x1*2)+2(x-x0)(y6-y0)x1*y1*+ 2(x-x0)(z6-z0)x1z1+2(y6-y0)(z6-z0)y1z1其中:x*,y*,z*,x1*,y1*和z1*=0(7)如式(2)和式(4)所示。式(7)是一个关于角位移a,b,c和线位移x0,y0,z0的六元非线性方程组。y1,y2,y3,z4,z5和z6为可以由测试获得的坐标量。应用Matla

12、b软件中提供的解算非线性方程组的Levenberg-Marquardt方法可以方便地求得a,b,c,x0,y0和z0。由于受到解算速度的限制,不能进行数据的实时处理,因此数据的采集和处理需分开来进行。3 测试精度分析本传感器系统采用1024像元的线阵CCD器件对光曲线的位置进行采样。主要的误差来源有CCD采样点的测量误差和其带入数学模型的解算误差。CCD对坐标的采样误差若是由安装或环境因素而造成的系统误差,可以通过对模型解算结果进行修正,但是CCD采样误差中的随机误差对模型解算结果造成的误差则无法修正。本文采用计算机对随机误差的情况进行模拟的方法。用一个像元的尺寸(01014mm)作为CCD随

13、机采样误差,代入数学模型解算,由此产生计算误差,得到位移的最大误差达到012039mm,这对测量精度的影响还是比较大的。在静态测量中,为了追求测量精度,人们从硬件及软件上采取了各种各样的方法对CCD像元进行细分,而且分到亚像元级已经不成问题。然而,对于动态测量来说,为了追求精度,仅仅采取细分措施是不够的,必须相应缩短CCD器件的积分时间,这就应该采用更高频率的线阵CCD器件,以求得到更高的采样精度,从而获得更小的模型解算误差。为了保证测试的精度,对仪器的安装和制造精度进行了严格的要求。4 结 论,第1期 鹿存跃等:光电六维振动位移传感器的设计 53 维振动位移测量。该传感器系统对光线转换器件的

14、安装位置要求不严格,有效地避免了在多传感器测量时遇到的被测物体的安装与校准不方便,以及复杂光学系统造成的成本上升等问题。参 考 文 献1 石庚辰,郭庆阳,王 俊.枪械振动测试传感器研究.北京理工大学学报,1998,19(2):34362 石庚辰,王忠洲.二维传感器测量物体多维运动.测试技术学报,1994,18(12B):43473 刘广璞.机枪振动响应测试.测试技术学报,1998,112(2):4094124 王庆有,孙学珠.CCD应用技术.天津:天津大学出版社,19935 黄俊钦.测试误差分析与数学模型.北京:国防工业出版社,19996 李劲松.CCD图像传感器在动态位移测试中的应用.测试技

15、术学报,1998,12(3):8284第一作者简介:鹿存跃 男,1971年1月生,博士生。主要研究方向为传感与测控及超声电机技术。E-mail:lucunyue欢迎订阅5振动、测试与诊断65振动、测试与诊断6是由国防科工委主管,全国高校机械工程测试技术研究会和南京航空航天大学联合主办的季刊,是反映振动、动态测试及故障诊断学科领域的科研成果及其应用情况的技术性刊物。主要介绍国内外以振动测试与故障诊断为中心的动态测试理论、方法和手段的研究及应用方面的技术文献、专题报告和学术动态,包括实验测试技术、测试仪器的研制、方法和系统组成、信号分析、数据处理、参数识别与故障诊断以及有关装置的设计、使用、控制、

16、标定和校准等等。不拘泥于行业(如机械、交通、农业、生物、能源、航空、航天、航海、建筑、地震等)和测试项目(如振动、冲击、力、位移、噪声等)。本刊是中国科技论文统计用刊,在国内外公开发行。刊号ISSN1004-6801,CN32-1361/V,CODENZCZHFY,邮发代号:28-239。广告经营许可证:江苏94工商广临字041号。从1998年第1期起,本刊被美国5EI6杂志收录在PageOne数据库中。本刊为季刊,每季末出版,每本6元,全年定价24元。凡订阅本刊的单位和个人可在各地邮局订购,错过邮局订期的朋友可直接汇款至本刊编辑部订阅。5振动、测试与诊断6愿谒诚为广大从事测试领域的科技工作者

17、、大专院校、研究院(所)、企业及公司提供服务和帮助,欢迎刊登各类广告和科技信息,欢迎投稿,欢迎订阅。编辑部地址:南京市御道街29号; 邮政编码:210016。电 话:(025)4893332;E-mail:qchen电 传:(025)4893075。No.1 AbstractinEnglish 71OptimumDesignofRubberElementsinSuspensionSystemofaCarforReducingItsInteriorNoisePengHui(ShanghaiVolkswagenCompanyLtd Shanghai,201805,China)JingXiaoxio

18、ng LiuYi(InstituteofAutomotivedesign,TongjiUniversity Shanghai,200092,China)Abstract Afiniteelementmodeloftheoverallstructure-acousticcavitycoupledsystemofacarwasdevelopedforthedesignbyusingthesoftwarepackageANSYS.Wetookthepressureatagivenacousticelementinthecavityastheobjectivefunction,andthepressu

19、reatallotherelementsinthecavityastheconstrainedfunctioninthesensethatastheobjectivefunctionapproachesitsminimum,thereisnoanyincreasesinthepressureatanyotheracousticelements.Takingtheroadexcitationatgiventravellingspeedsofthecarastheinputsofthemodel,wecarriedoutthedesignofthecharacteristicsoftherubbe

20、relements.Resultsshowthattheacousticnoiseatthegivenele-mentdecreaseseffectively.Themethodpresentedinthepaperopensanalternativewayforim-provingtheperformancesofacar.Keywords noisereduction rubberelement optimizationdesign suspensionsystemDesignofNovelPhotoelectricSensorSystemforSix-dimensionalVibrationDisplacementMe