激光位移范文

激光位移范文（精选6篇）

激光位移 第1篇

变电站中的管型母线(管母)极易受到冷热环境以及系统运行状态的影响而出现热胀冷缩现象,这种现象直接导致了管母与托架之间产生细微位移。此时,管母下方的支撑瓷瓶由于相对摩擦将承受较大的额外应力[1]。若长期运行在过载工况下,不仅会缩短瓷瓶使用寿命,更将造成母线支柱瓷瓶断裂的恶性安全事故。文献[2]针对GIS长母线位移现象进行了细致理论的力学分析及经验计算,指出了位移参量是管型母线运行过程中亟待监测的重要参量。随着自动化技术的发展,管母位移监测也从传统的人工观察记录逐步发展到如今的在线监测记录。文献[3]针对位移激光测距技术展开了讨论,虽然激光测距能够实现较高的精度,但这种直接测量方法无法满足现场户外安装、运行高压等客观要求[4]。为真正意义上实现电气信息隔离,文献[5]中提出的基于无线网络数据传输方式为变电站在线监测系统设计提供了良好的思路。本文为实现管母的长期监测并及时评估其与线夹之间的接触情况,研究出一种改进型管型母线在线监测系统解决方案。

1 管型母线位移监测系统整体方案

管母位移监测系统借助于各种客观参量来反映管母在一段时间内热伸冷缩的变化程度,通过建立合适的数学评估模型对其位移偏差进行实时监测计算,并将实时数据接入监测后台以供变电站维护人员及时掌握管母运行状态,同时也为设备状态检修提供真实、可靠的数据支撑。变电站管型母线在线监测系统可采用分级集成的方式,按照管母的分布情况将数据采集单元就地安装,每个单元通过一个集中数据处理系统实现管母参量数据集成。集中数据处理系统配置有通讯接口,借助于交换机将所有监测单元组成局域网,构成离散分布下管母参量的综合在线监测网络,实现数据交换的网络集成。通过配置一套工控机分析管理软件可以实现运行参量的越限报警、定性、定量分析以及深层次的设备状态评估,实现系统的功能集成。整个系统由现场控制采集单元、集中数据处理单元以及后台工控机3部分组成(见图1)。作为管母在线监测的难点,本文针对管母位移偏差检测问题进行讨论与研究。

1.1 现有管型母线监测技术分析

目前广泛应用的变电站管母在线监测方案主要有2种:1)基于位移传感器的在线监测方案;2)基于光纤传感技术的在线监测方案。第一种方案中,位移传感器的行程范围设计在40 mm左右(可测位移量±20 mm),能承受室外恶劣环境及强电场干扰[6]。其数据通过无线通讯方式发送至地面集中数据单元,并由集中数据单元存储于本地后,通过RS485数据远传接口实现后台集中监控和远程数据管理;第二种方案中,采用光纤传感器技术制作管母位移量采集装置,具有极强的抗电磁干扰能力,可方便进行光电/电光转换,易于实现全数字化信息融合[7]。通过配置精密温湿度传感器以及高清视频摄像头实现管母支柱瓷瓶以及连接金具运行工况监视。与第一种方案类似,所有采集信号均采用无线通讯方式完成交换传输,并通过在线监测管理系统,对管母的实时运行状态进行分析评估。

上述2种监测方案在功能实现上能够充分满足原有设计需要,但2种方案均缺乏在高压强磁耦合等复杂运行环境下的技术支撑。例如,方案1虽能满足较高的测量精度,但因装置孤立分布,需要借助在线取能装置方可完成测量功能,一方面增加了额外投入,另一方面也增大了在线取能装置安全运行风险。方案2的优点在于测量精度高、管母上设备量少,但其缺点是光纤传感器与管母金属支架设备间的电气绝缘问题无法妥善解决。更为重要的是,方案1及方案2均存在管母上电子设备无法维护更换的共性问题。

1.2激光测距在线监测方案

基于现有的刻度指针式管母位移监测技术,本文提出一种基于激光测距的在线监测方案(见图2)。该方案的创新点在于管母端头安装一块斜面不锈钢反射板,而管母下方金属支架上安装激光测距传感器,且对准反射板发射红外激光。通过激光测距技术可得到管母端头与激光头之间的距离。若端头有伸缩,通过三角函数计算便可测得端头水平位移量。采用这种方案,激光测距传感器可露天安装,可控制测量频率。每相所测位移量通过RS485发送至三相集中数据处理单元,并由该单元通过光纤传送到主控室内工控机进行后续分析处理。

2 管母位移参量监测原理及误差分析

2.1管母移参量监测原埋

管母的安装位置及安装方式直接影响着位移参量监测的可靠性。而采用激光测距在线监测方案能有效避免高压、大电流、强电场等复杂运行环境下电子设备供电、屏蔽及绝缘问题。本方案中管母位移参量监测原理示意图如图3所示,其中,S为激光探头至反射板A点之间的距离;S'为管母观测点移动到A'点时激光探头至反射板A'点之间的距离;d为管母水平位移量;φ为激光照射路线与管母平行线之间的夹角;h为发光点至激光探头照射到A点反射板上的激光点之间的垂直距离;h'为激光探头发光点至管母下边沿之间的垂直距离:h"为激光探头照射到A点反射板上的激光点到至管母下边沿之间的垂直距离。

激光探头实时测量出激光探头发光点至反射板之间的距离是S',因此只需确定每个观察点初始距离S、夹角φ就能得到管母观察点实时位移量d(相对于设置初始距离S值所在位置),其对应关系如式(1)～式(3)所示。

2.2 管母位移参量误差分析

与传统位移监测原理不同,激光测距位移监测误差不仅受激光测距传感器精度的制约,也受到式(1)一式(3)中三角变换参量的影响。例如,工作环境中因天气变化、人为操作产生的振动都将细微改变激光探头与反射板之间的相对位置,产生无法避免的误差。。因此,有必要针对本监测方案进行细致、完善的误差分析。

根据管母位移公式,影响位移偏差d的参量包括S'、S以及夹角φ其中,S,S'为激光测距参量,存在本征精度偏差可能,而夹角φ则存在一定的随机性。若仅考虑S'与S的本征误差(即测量前后夹角φ不发生改变),最终位移参量应满足,

将式(4)与式(3)相减后可知位移误差derr与测距误差(S'err-Serr)满足比例关系,即:

由于测量夹角φ的范围始终处于[0°,90°]区间内,因此位移误差derr应总小于测距误差S'err-Serr,其对应位移误差如图4所示。因此,当不考虑夹角φ偏差的情况下,管母位移参量误差直接取决于激光测距装置的精度。

若考虑夹角φ因环境改变造成的偏差,则其位移偏差应满足,

将式(6)与式(3)相减后可得:

根据微分原理,若角度偏差较小(φerr趋近于0),其位移误差大小|derr|应满足正弦变化规律,位移误差如图5—图7所示。因此在考虑夹角φ偏差的情况下,管母位移参量误差直接取决于夹角大小,即夹角越小,误差越小,夹角越大,误差也相应增加。

3监测系统硬件及软件构成

3.1 硬件构成

本系统装置主控制处理系统控制器采用TI公司数字信号控制器TMS320F2812,它具有120 MHz高速处理能力,具备32位处理单元,单指令周期32位累加运算,可满足应用对于更快代码开发与集成高级控制器处理器性能的要求。以6个管母位移监测点为例,系统总体框图如图8所示。

(1)激光测距模块:对管母位移量进行实时记录,并把数据传送至控制单元。

(2)温湿度测量模块:实时监测环境的温湿度,把温湿度信号通过光纤通信传输至控制、处理单元。

(3)主控制、处理单元模块:除实时控制3个激光测距模块外,通过RS485总线连接各个辅助控制、处理单元模块,使管母位移监测点扩充至100个,并把各个管母位移量、温湿度通过光纤传送到主控室内工控机并进行分析。

(4)辅助控制处理单元模块:及时控制A、B、C三相管母位移监测点激光测距模块,处理相关数据,把位移量的变化情况实时传送至主控制处理单元模块。

3.2 软件开发

“变电站管母在线监测系统”软件系统除需完整记录各管母位移监测点实时位移量外,还需具有数据库管理功能,方便数据查询、生成报表等。其系统结构如图9所示。

检测软件系统运行环境需同时具备Exce12003(或以上版本)和Access数据库(或Dao Jet数据库引擎),其具体运行程序如下:

(1)数据库检查:软件运行前首先检查数据库是否存在,若存在则正常启动,不存在则出现提示信息;进入软件后在设置通信口中输入任意数作为初始密码。

(2)参数设置:初始参数的设置包括测试点仰角、初始距离和界面刷新时间。

(3)数据接收:接收数据时会根据参数里面的刷新时间进行取平均值、写数据库等操作。

(4)数据查询:查询到相应数据后会计算其位移量,并按时间绘制出来。当查询完历史数据后,可将数据导出到Excel表格中,方便用户查看和统计分析。

4 试运行工况分析

该管型母线位移监测系统现已在某220 kV变电站试运行,试运行期间工况良好,能够及时发现管母位移偏差,并发出告警信号,保证了管母的安全稳定运行。图1 0为2013年1 1月25日2号测试点1天内管母位移偏差曲线图,图11为当日某时段内系统监测情况导出表格。

由图10、图11可以看出:

(1)该系统每隔5 min采集1次数据并上报至实时数据记录系统,当检测到管母位移偏差超过设定值时,由警示报警系统发出告警信号,并准确提供位置,从而保证了系统运行的可靠性。

(2)在管母上安装温湿度传感器后,能够实时监测环境的温湿度,将温湿度信号通过光纤通信传输至控制处理单元。

(3)该管母在线监测系统的测量精度为0.1 mm,能够准确可靠地测量管母的位移偏差。

(4)在线监测管理系统能够对高压管母的实时监测数据进行分析,并对实时运行工况进行评估、判断。

5 结论

本文将传统测距方案与现代信息技术相融合,提出一种基于激光测距的管型母线位移在线监测方案。通过位移参量误差分析详细阐述了影响该管母位移监测的相关因素,在此基础上开发出相应的硬件及软件系统,该系统具有测量精度高、易于安装维护、安装设备少等优点,同时能将采集到的高压管母上的各类实时运行数据接入监测系统并进行分析,以使变电站运行维护人员及时掌握变电站管母的运行状况,为设备状态检修提供数据支撑,保障了变电站的安全可靠运行。

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激光位移 第2篇

关键词：应用光学,激光位移传感器,应用研究,展望

激光器作为一种新型光源, 与普通光源有显著的不同。它利用受激发射原理和激光腔的滤波效应, 使所发光波具有一系列新的特点。激光检测技术是最先进、应用最广泛的检测技术之一。可实现高精度、高效率、非接触在线检测。在科学研究、工业生产、空间技术、国防等领域得到了广泛应用, 是一种非常先进的测量技术。基于三角测量法的激光位移传感器近年来得到了快速发展, 在零件的尺寸测量, 三维轮廓测量, 产品质量检测等领域极大地提高了测量效率和精度[1,2,3]。利用激光位移传感器对零件进行非接触式测量是光学精密测量领域的重要研究内容, 对激光位移传感器的测量原理和应用研究作简要阐述。

1 激光位移传感器的测量原理

激光位移传感器采用激光三角法测量原理测量系统发出的激光束经过聚焦后照射到被测物体表面, 经漫反射后光线由成像透镜成像到光敏元件接受面上, 通过光电转换器转换为电信号, 电信号的输出大小仅与被测点的位置有关, 当测点高度发生变化, 像点位置随之改变, 引起传感器输出信号发生变化。该传感器可与快速的反馈跟踪系统配合使用, 能够准确快速地测出表面的形状与轮廓。它克服了接触式检测中的诸多缺点, 既提高了检测速度, 又保护了被测工件表面免受划伤及防止测量头变形。

图1为激光位移传感器的原理, 用一束激光以某一角度聚焦在被测物体表面, 然后从另一角度对物体表面上的激光光斑进行成像, 物体表面激光照射点的位置不同, 所接受散射或反射光线的角度也不同, 用CCD或PSD (位敏探测器) 测出光斑像的位置, 即可计算出物体表面激光照射点的位置。当物体沿激光线方向发生移动时, 测量结果则将发生改变, 从而实现用激光测量物体的位移。

2 激光位移传感器的应用研究进展

高精度激光位移传感器基本的应用有诸如对偏移、间隙、厚度、弯曲、变形、尺寸、公差测量及生产过程质量控制和尺寸检验等[1,2,3]。但随着计算机技术的发展, 学者们已经研究的另一些更复杂的形貌测量技术, 利用激光位移传感器测量工件上点的二维坐标, 从而实现物体形状的高精度测量。通过一维电位移平台带动激光位移传感器扫描物体的表面, 然后对测量的数据进行处理, 进而得到物体的表面形貌。根据被测物体表面情况以及所要求的测量精度, 可以选择不同参数的激光位移传感器实现测量[4,5]。

由于激光三角位移传感器属于非接触测量, 因此对被测材料无特殊要求, 既可测金属材料, 也可测

孙渝平等在对充分应用激光、计算机等先进技术于公路路面平整度和车辙快速、连续、自动检测的原理、方法和实现技术开展了深入系统研究的基础之上, 根据路面检测的实际需要, 集成路面平整度和车辙两项重要指标的检测功能, 研究开发了多功能激光路面检测系统, 用于高等级公路路面平整度和路面车辙的快速、自动检测。

计算机在测量中的应用, 使得激光位移传感器在动态扫描测量方面也有长足的发展。文献[9]介绍了基于激光位移传感器与电涡流位移传感器的位移差动法在线检测纸坯厚度的原理及测量系统的软硬件设计, 该测量原理完全消除了造纸机卷纸滚筒的径向跳动对测量结果的影响, 通过对各个传感器标定, 并采用最小二乘法线性拟合标定数据, 进一步提高系统的测量精度。万真真等人采用双激光器实时深度测量系统对锌合金标准样品进行了溅射深度的实时测量, 给出了实时深度测量曲线。通过将溅射面测量曲线与参考面曲线进行叠加, 得到了样品溅射坑深度的实际值[10]。文献[11]分析了数控机床误差源和各误差项目的归类, 在此基础上使用Renishaw激光干涉仪和高精度位移传感器实现了机床线性定位误差和主轴热误差的测量和数据分析。

3 展望

激光位移传感器主要应用在高灵敏度、高精度的位移、角度、同轴度的非接触测量与校准领域。随着工业生产的发展, 激光位移传感器将向着高速度、高精度、多功能、多参数、小尺寸的方向发展。它将在机器视觉、自动加工、工业在线检测、产品质量控制、实物仿形、生物医学等领域具有重要的意义和广阔的应用前景。

参考文献

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激光位移 第3篇

车轮是保证轨道列车安全运行的关键部件, 不仅承载着列车的全部重量而且承受运行中产生的动作用力, 因此必须保持良好的技术状态[1]。轮缘是车轮的重要组成部分, 保证列车安全可靠地通过弯道和道岔, 对列车行驶的安全性及平稳性具有重要作用。在列车运行过程中, 车轮随着营运里程的增加而产生磨耗, 从而造成轮轨关系的变化, 降低车辆动力性能和乘车舒适度[2], 因此应定期对车轮参数进行测量, 获取轮缘高和轮缘厚等数值, 判断是否超过检修限度, 对超标车轮依据维修决策进行镟修或更换, 从而保障列车行车的安全性与舒适性[3]。

在列车运行过程中, 不同车轮的轮缘磨耗不尽相同, 且同一列车中车轮的服役时间也存在差异, 因此车轮的轮缘形状变化较大, 使得轮缘测量成为车轮尺寸测量中的难题。在现有检测方法中, 主要分为接触式测量和非接触式测量两种方式。接触式测量在国内主要是第四种检查器[4]或多连杆磁爬式工具[5], 其测量原理简单但劳动轻度大、人为误差难以消除。国外厂家采用激光位移传感器研制的便携式轮缘参数测量仪, 通过横向平移的机械传动装置使激光传感器依次扫描整个踏面, 获取完整的踏面轮廓线, 从而实现轮缘参数的计算[6]。非接触式测量主要是采用PSD或CCD激光法[7,8,9,10], 采用图像识别的方式获取踏面轮廓线, 但该方法结构复杂, 受环境影响大, 可靠性较差。

本研究提出一种基于2D激光位移传感器的非接触式在线测量方法。激光位移传感器安装在轨道内外两侧, 其输出经过坐标变换与数据融合等算法处理后, 得到车轮踏面轮廓线, 并经轮廓线几何关系得到轮缘尺寸。

1 车轮轮廓线与检测方案

1.1 车轮轮廓线与轮缘尺寸

列车车轮轮廓线为车轮圆心垂向的表面曲线, 由踏面和轮缘两部分组成, 车轮轮廓线示意图如图1所示。

车轮滚压在钢轨上的接触部分称为踏面, 车轮踏面内侧有一沿圆周突起的凸缘称为轮缘。距离轮缘内侧基准线70 mm处踏面上的点被称为基点。基点和轮缘之间的高度称为轮缘高, 距离基点12 mm高处轮缘的厚度称为轮缘厚[11]。

在检修车轮时, 主要通过测量车轮外形参数来判断车轮的磨耗程度, 这些参数包括车轮直径、轮缘厚度、踏面磨耗和垂直磨耗等, 其中以轮缘厚度、踏面磨耗最为关键。为了及时掌握轮缘厚、轮缘高等尺寸的变化情况, 对轮缘尺寸进行精确检测就显得尤为必要。

1.2 检测方案

安装于轨道内外侧的两组2D激光位移传感器以一定的几何关系镜面对称安装于轨道两侧, 每个2D激光位移传感器与轨道的相对距离L1、L2均为100 mm~450 mm, 两组传感器的激光探测面处于同一平面并使得整体装置低于轨面, 每个传感器与垂线的夹角β1、β2为45°。

其安装示意图如图2所示。

2 轮缘尺寸检测算法

轮缘尺寸测量及数据处理流程如图3所示。

系统开始工作时, 传感器采集并保存数据, 将获取的数据进行踏面数据分段、数据预处理、坐标变换、数据融合、关键数据组选择等步骤的算法处理。

2.1 数据分段

列车通过检测区域时, 激光传感器处于连续采样工作状态, 因此无法直接区分每个车轮所对应的原始数据。本研究所选用的激光传感器, 其有效测量范围为特定的距离区间, 距离过近或过远时传感器均不输出数据, 因此笔者依据该特性对采集到的原始数据进行数据分段:车轮进入激光传感器有效测量范围时传感器输出数据, 离开其有效测量范围时传感器停止输出数据, 则该段数据为对应车轮的有效数据段。针对车轮润滑装置或其他异物触发的传感器数据, 由于与车轮数据明显不一致, 可在数据分段时直接滤除, 实现数据预处理。

2.2 坐标变换

激光位移传感器的安装位置与水平面及轨向均存在一定的角度, 因此直接测得的部分轮廓线曲线会存在畸变, 应对传感器输出的有效数据进行坐标变换以矫正变形的曲线。为便于理解, 本研究将传感器本身的坐标系称为物理坐标系, 坐标变换之后的坐标系称为中间坐标系, 数据融合之后的坐标系称为融合坐标系。

外侧激光传感器1和内侧激光传感器2的物理坐标系分别表示为x (1) o (1) y (1) 和x (2) o (2) y (2) , 其相对位置关系如图4所示。

外侧激光传感器1和内侧激光传感器2的中间坐标系分别表示为u (1) o (1) v (1) 和u (2) o (2) v (2) , 则外侧激光传感器1的坐标变换如图5所示。

其坐标变换公式为:

式中: (xn (1) , yn (1) ) —物理坐标系x (1) o (1) y (1) 内任意一点;θ—该点与y (1) 轴的夹角; (un (1) , vn (1) ) —该点在中间坐标系u (1) o (1) v (1) 内的坐标值。

内侧激光传感器2的坐标变换如图6所示。

其坐标变换公式为:

式中: (xn (2) , yn (2) ) —物理坐标系x (2) o (2) y (2) 内任意一点;θ'—该点与y (2) 轴的夹角; (un (2) , vn (2) ) —该点中间坐标系在u (2) o (2) v (2) 内的坐标值。

2.3 数据融合

单个激光传感器只能获取车轮轮廓线的部分, 因此需要将两个传感器的测量数据进行融合, 从而在融合坐标系中得到完整的轮廓线数据。外侧激光传感器1和内侧激光传感器2的中间坐标系u (1) o (1) v (1) 、u (2) o (2) v (2) 与融合坐标系的关系如图7所示。

其数据融合公式为:

式中:a, b—o (1) 在融合坐标系u (0) o (0) v (0) 下的横纵坐标;c, d—o (2) 在融合坐标系u (0) o (0) v (0) 下的横纵坐标。

2.4 关键数据组选择

车轮在通过传感器有效检测区域时, 随着列车运行速度及传感器采样频率的不同, 激光传感器会输出数量不等的多组数据。通过数据融合后即可得到完成踏面轮廓线, 可根据踏面几何关系得出每组数据的轮缘尺寸。对多组数据的处理应以传感器发射的激光线穿过车轮圆心时刻所对应的一组数据为关键数据组, 根据该组数据进行轮对尺寸计算。

设激光探测面过轮心时刻所测的轮缘高为h, 其他时刻所测的轮缘高为h', 激光线过轮心示意图如图8所示。

由图8可见, h'均产生了拉伸变形, h'>h, 因此在不同时刻中所测轮缘高最小值对应着关键数据组, 以该时刻的轮缘尺寸计算值作为车轮的最终轮缘尺寸值。

3 试验与分析

为了验证本研究提出的轮缘尺寸检测方法的有效性和检测精度, 笔者在广州市地下铁道总公司赤沙车辆段运转库19道进行了现场试验, 包括轮对试验和过车试验两部分。

在轮对试验中, 笔者将单独一个轮对放置在轨道上, 人工推动轮对匀速通过检测系统。该车轮的轮缘尺寸由首先由人工进行测量, 其中轮缘高为28.2 mm, 轮缘厚为32.1 mm, 然后人工推动进行6次自动系统测量, 其结果如表1所示。可见系统测量误差为±0.1 mm。

(单位:mm)

第1次测量时激光位移传感器采集的原始数据如图9所示。经过算法处理后得到的融合坐标系下的车轮轮廓线如图10所示。

2014年6月30日至7月9日, 本研究对6162车的BC车的8个车轮进行了10次轮缘厚测量试验。每次试验均进行人工测量与系统自动测量, 10次测量结果求取平均值作为测量值如图11、表2所示。轮缘厚的人工测量值和系统测量值的偏差均在0.2 mm范围之内, 证明了本研究提出的检测系统具有很高的精度;10次测量得到的轮缘厚最大值与最小值如图12所示。可见针对8个测试车轮, 人工测量的最大最小值偏差均大于检测系统的偏差, 从而证明了本研究提出的检测系统一致性优于人工测量。

(单位:mm)

4 结束语

本研究提出了一种基于2D激光位移传感的轮对轮缘尺寸测量方法, 实现了轮缘尺寸的在线非接触式测量。在轨道两侧安装激光位移传感器进行车辆踏面数据采集, 并经过分析处理获取车轮轮廓线, 从而计算得到轮缘尺寸值。

通过现场进行的轮对试验和过车试验两组试验结果, 得出该测量方法的偏差为±0.2 mm, 系统测量的一致性优于人工测量, 即系统工作的可靠性和稳定性都较好, 能满足现场实际测量要求, 为及时掌握轮缘尺寸的变化提供了保障。与传统的人工测量或图像识别法相比, 该系统具有结构简单、可靠性高和测量准确等优点, 是轨道交通车辆轮缘测量应用的有益尝试。

摘要：针对城轨列车轮缘磨耗日益严重, 人工测量轮缘尺寸工作量大精度低等问题, 采用2D激光位移传感器设计了一种在线非接触式轮缘尺寸测量方法。通过在轨道内、外两侧安装激光位移传感器进行了车辆踏面数据采集;然后采用数据分段、数据预处理、坐标变换、数据融合等算法进行了数据处理, 获取了车轮轮廓线, 并根据踏面几何关系计算了轮缘尺寸值。轮对试验和过车试验结果表明, 所提出测量方法的偏差为±0.2 mm, 测量一致性优于人工测量, 测量系统工作稳定可靠, 能够满足城轨车轮轮缘测量的实际要求。

关键词：城轨列车,轮缘尺寸,非接触式测量

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[10]王丽艳.地铁车辆轮对尺寸在线监测系统[J].现代城市轨道交通, 2009 (2) :23-24.

[11]中华人民共和国铁道部.TB/T 449-2003机车车辆车轮轮缘踏面外形[S].北京:铁道部标准计量研究所, 2004.

激光位移 第4篇

在路面检测领域中,路面平整度的检测占有了重要的地位,也是路面检测的难点和重点。路面平整度反应的是路面上的凹凸不平或者高程变化,是客观存在的。路面的凹凸不平影响到行驶车辆的动力特性,驾驶的操作稳定性,及路面所承受的动载荷。路面平整度的检测和评价对道路施工质量验收,养护质量及路面技术状况评定都是非常重要的指标。因此本文实现了一种可以在多功能道路检测车上装在的双激光位移传感器检测路面平整度的系统,可以实时,高速,全天候检测路面平整[5]。

2、CCD激光位移传感器测距原理

CCD激光位移传感器测量原理如图1所示。激光二极管发出的光束经会聚透镜聚焦后垂直入射到被测物体表面上,激光在被测物体表发生散射,接收透镜接收被测物体表面的散射光,将其成像在CCD敏感面上的不同位置,从而测量出物体的位移值。由于只有一个准确的调焦位置,其余位置的像都处于不同程度的离焦状态,降低了测量准确度。因而在结构设计时,可使CCD平面与接收透镜平面成一倾角θ2来满足Scheimpflug条件[3][4],即:

(1)式中,β为接收透镜光学系统横向放大率。这样使一定测量范围内的被测点都能聚焦成像在线阵CCD上,扩大了系统的检测量程,保证了测量的准确度。

若光点在CCD成像面上相对于基准点位移为

则被测面的位移x可按下式求出:

(2)式中L为激光束光轴和接收光轴的交点到接收透镜前主面的距离;L'为接收透镜后主面到CCD成像面的距离;θ1为激光束光轴与接收透镜光轴之间的夹角;θ2为CCD平面与接收透镜光轴之间的夹角[6]。

3、系统硬件结构

系统的整体结构如图2所示。

从图2可以看出,整个系统的硬件部分主要包括两台激光位移传感器,两只加速度计,信号采集器,编码器和分频器,工控机,以及24V电源系统(未标出)。系统的部分结构实物图如图3所示,

图4给出了激光位移传感器测量实物的原理图,KL-G400激光传感器取样周期20～1000μs,镜头距地面的距离400mm,测量的范围在+-100mm,测量精度0.1mm。

两路激光位移传感器将测得的距离信号传送到各自的控制器中,控制器再将实时采集到的距离信息传送到信号采集器中;加速度计测得车辆的振动偏离信息送到放大器中放大,再传到信号采集相中,信号采集箱将各路的信号数据存放,编码器同时测到车辆行驶的速度和距离,再由设置好的分频器,按照规定的距离段,给采集箱发出传送信号的指令,从而将信号传送到工控机中,工控机的平整度系统软件将数据处理,得到可视化的曲线和报表。以满足不同检测条件的需要。

由于车辆的前后俯仰以及车身自身的振动对检测路面平整度的精度影响很大,因此在激光位移传感器上方加装了加速度计,加速度计可以实时的采集到激光位移传感器的上下位移以及左右位移的变化,加速度计的安装必须安装在激光器的正上方,以保证在车辆发生振动时,测得的距离准确,精度更高。

4、双激光位移传感器检测路面平整度在多功能道路检测车上的算法实现

按照路面平整度的评价指标IRI的计算方法可知道,检测平整度必须计算出路面的相对纵断面高程。采用激光位移传感器和加速度计组合的方法一一惯性基准法可以测出被测路面的相对纵断面的高度,即激光位移传感器测出车体到路面的高度变化,加速度计测出车辆的振动颠簸变化量,通过数据处理可以测出被测路面相对纵断面的高程,由此可以按照定义直接计算国际平整度指数IRI。

4.1 加速度计检测车辆垂直振动距离原理

加速度计用于检测车体的垂直加速度,通过二次积分车体的动态垂直震动和颠簸位移。图5是激光位移传感器在多功能道路检测车上的安装结构。

一般情况下,可以通过对加速度计信号二次积分得到车体的动态垂直震动和颠簸位移,但实际上所测得的加速度信号的均值不为零,经过二次积分后,位移振幅值将产生严重偏移趋势,极大的影响了测量结果的准确程度。虽然零均值处理可以在一定程度上改变这种情况,但由于在采样的一个样本中一般包含多个幅值的偏移,为了克服对加速度信号直接积分得到位移的不足,可采用频谱转换法,即加速度频谱转化为位移频谱来测量振动位移信号。

一个样本长度为T的时域信号x(t)经数据采集后,形成离散数据x(n)。如果在时间T内采集N个数据,则x(t)归一化的离散傅里叶变换(DFT)为:

X (k)=DFT[X(n]

根据信号叠加原理,任何周期信号都是若干简谐信号的叠加。

加速度信号可用式(5)表示:

其相应的位移公式:

两者幅值和相位之间的关系如式(8)

通过上式转换即可得到振动位移信号的时间经历。再得到车身振动位移d,激光位移传感器实时检测到的距离h,

H是振动消除后的车身到路面的距离。

4.2 双激光位移传感器检测道路纵断面高度原理

双激光位移传感器检测路面平整度的原理如图6所示。传感器1和传感器2同等高度,并固定在多功能道路检测车大梁上的同一个钢梁上,设钢梁不发生任何形变,传感器1和传感器2之间的距离是▽,传感器1测得的路面距传感器接收器的距离为H11,并设路面距基准平面的距离为y1,传感器2测得的路面距传感器接收器的距离为H12,与路面距基准面的距离为y2,该基准水平面保持不变,且与刚性梁平行,可以计算出在位置1时:

同样在位置2时,也可以计算出:

式中的▽为高度变化因子,反映了路面平整度高度变化程度的大小。

式中的yi表示检测的每个检测点距离基准水平面的距离,Δi表示第i个检测点的高度变化因子,从上式可以看出该计算方法可以有效的消除车辆自身的振动所引起的检测距离值的变化,当已知的开始位置点一定,我们就可以计算出任意的步长▽处的距离,从而可以计算出每个检测点距基准面的距离,可以绘制出平整度曲线,从而算出路面的平整度[1]。

在软件的实现中,可以根据不同采集距离的要求提取不同的点,作为平整度的检测点,从而生成每段路面平整度的检测报告。

综上所述,图7为长安大学自主研发的多功能道路检测车,在该车上已经装在了双激光位移传感器检测路面平整度系统。

5、结束语

我们通过对双激光传感器检测路面平整度实验的结果与手推式断面仪测得的结果进行比较,双激光位移检测路面平整度系统得到的平整度结果十分的接近手推断面仪的结果。从而实现高速的平整度检测,以及数据的处理,在实际的多功能检测车上得到了很好的效果,出色的完成路面平整度的检测。

参考文献

[1]马荣贵;宋宏勋.嵌入式激光路面平整度检测系统研究[J].武汉:武汉理工大学学报,2008

[2]李雪宝,许骏,邓林华,宋腾飞;非接触式激光平面检测系统[J].《现代电子技术》2010

[3]陈骥,王鑫,曹久大,周兆丰;高速CCD激光位移传感器[J].《光学精密工程》2008

[4]靳硕,杨宏海;激光位移传感器高速数据采集与处理系统设计[J].《宇宙计量技术》2010 12

[5]贾云根:高等级公路路面平整度检测方法[J].《工程技术》2006

激光位移 第5篇

一、激光位移传感器的研究现状

现今光电技术的发展、微机的控制、数据的处理及PSD、CCD、四象限位移探测器的改善, 使传统的三角测量法有了广泛的应用。具体包括质量的检测、设备的维护、机械和生产自动化、流程和设备的监控等各个领域。

目前在国内, 激光位移传感的主要应用包括:对灵敏度和精确度的分析, 如何提高其使用范围以及位移、角度、同轴度的非接触测量和校准领域。不过, 我国对激光位移传感器的研究仍处于实验阶段。国外很多专家对其做了大量的研究并取得成果。西班牙的研究者在三角激光位移传感器的系统中, 发现周围的杂光对测量的精度有影响, 并给出了相应的消除方法。目前, 国内外有很多这样的产品, 广泛地应用在军事技术、航空航天、检测技术等诸多领域。美国研制出红外测温传感器, 使其在恶劣的环境下仍能测量出飞行器各部分的温度;城市的交通管理也运用红外光电传感器进行路段事故检测和故障排除的指挥。总体来说, 国外传感器的测量范围大, 线性度好, 分辨率高, 稳定性好。国内对激光位移传感器的研究虽不及一些欧美国家, 但是却在研究的种类上屡创新奇。

二、激光三角测量技术的原理

激光三角测量法是指从光源发射一束光线到被测物体表面, 在另一方向通过成像观察反射光点的位置, 成像位移和实际位移存在一定的换算关系, 通过这个关系式可以计算出被测物体表面的实际位移。由于入射光和反射光构成一个三角形光路, 因此被称为三角测量法。按照入射光线与被测物表面法线的关系, 可分为直射式和斜射式。本项研究采用的是直射式激光三角测量法。

图一为CCD激光位移传感器三角测量法的原理图。

如图1所示, 激光发射器发射出一束光线到热水瓶水面形成光斑, 光线在表面发生反射后, 从另一个方向通过成像透镜, 光斑成像在CCD位置传感器上。随着热水瓶水面高度的变化, 反射光的角度在发生变化, 光斑成像也随之发生位移。设光斑在CCD成像面上相对位移为X’, 被测表面 (即水面高度) 的实际位移为X, 则两者关系如下式:

通过这个关系式, 可以计算出热水瓶水面高度的实际位移。

在传感器的选择上, 本项研究选用的是CCD激光位移传感器。目前应用于激光三角法测距的光接收元件包括:CCD (Charge-coupled Device, 光电耦合器件) 和PSD (Position Sensitive Detector, 位置敏感元件) 。PSD是基于横向光电效应来实现光能、位置的转换, CCD是一种新型光电转化元件, 主要由光敏单元、信号输入单元和信号输出单元组成。CCD以电荷作为信号, 实现电荷的存储、转移和检测。与PSD相比, CCD具有轻便、体积小、耗能小、精度高、稳定性好、时效性高等特点。基于上述考虑, 最终选定了CCD激光位移传感器。

三、基于激光位移传感器的可控型水龙头系统结构

本项目研究的激光位移传感器硬件系统包括:激光电源、半导体激光器、线阵CCD驱动电路、输出信号的处理系统、单片机测量系统和水龙头阀门控制系统。如图2所示为激光位移传感器的可控型水龙头系统的总框图。

3.1光源的选择

激光器有很多种:气体激光器、固体激光器、半导体激光器等, 气体激光器单色性和方向性好, 但体积和重量大, 需要外部高压电源, 不易安装在小型光学测头上。半导体激光器具有超小型、高效率、电压低、电能转换率高、便于安装等优点。激光光束在传播中存在散射, 当测量目标越远, 光能量分布不均匀, 从而导致误差出现, 半导体激光位移传感器可以进行体积小的短距离测量。

3.2线阵CCD驱动电路

目前, 应用于激光三角测距系统的光接受元件主要有两种:CCD——光电耦合器件和PSD——位置敏感元件。本测距系统设计中采用精度高、稳定性好的光电耦合器件CCD作为光电探测器, 根据被测物体的移动距离, 间接进行测量。

3.3输出信号的处理系统

图像采集后, CCD输出的信号叠加了较大的干扰噪声, 所以要先经过预处理电路后在进行二值化处理。预处理即是将CCD输出进行前置放大后进行滤波处理, 放大电路将微弱的信号放大同时干扰的噪声信号也得到了放大。

所以经过低通滤波器将放大电路处理后信号中的高频成分滤除, 常用低通滤波器包括:三角滤波法、高斯低通滤波器、中值滤波器等不。最后将输出的信号送入电压比较器进行二值化处理得到稳定的数字信号。最后将数字信号送到单片机系统进行脉冲计数就能得到像点位置信息。系统将计算后的结果显示在显示器界面上。

3.4水龙头阀门控制系统

在理想条件下, 热水瓶的高度为H, 由上述系统测出水面高度为X, 当x的值接近L时, 系统通过反馈电路来控制水龙头的阀门。

四、结束语

激光三角法采用非接触测量, 以其实时性强、精度高、对被测物体表面没有特殊要求等优点得以广泛应用, 本论文利用直射式激光三角法, 对系统的结构参数和所选器件做出了合理的设计和选择。论文的主要工作包括以下几个方面:

(1) 通过对激光测距系统在国内外的发展现状研究, 并结合本系统情况, 确定了本系统的测量原理。

(2) 数据采集:令热水瓶的高度是定值H, 从光源发射一束激光到被测物体 (上升水面) 表面, 在另一方向通过成像观察反射光点的位置。通过线阵CCD对光电信号进行采集, 从而计算出水面到瓶口的距离X。

(3) 信号处理:将采集到的数据经过滤波放大电路处理, 然后将输出的结果由模拟信号转化为数字信号, 最后将信号送入单片机系统。

(4) 数据结果输出:通过单片机的计算被测物体的位移量, 当X-H趋近于零时, 将其距离显示在显示器界面上, 通过电路控制水龙头阀门的关闭。

后期工作展望:

(1) 完善三角法测量原理的理论分析, 减少由于测量产生的误差。

(2) 改进数据采集和信号处理的电路, 推广此技术的应用范围, 使其可以应用于未知高度的热水瓶。

参考文献

[1]冯俊艳, 冯其波, 匡翠方.高精度激光位移传感器的技术现状[J].应用光学, 2004, 25 (3) :33-36.

[2]吴剑锋, 王文, 陈子辰.激光三角法测量误差分析与精度提高研究[J].机电工程, 2003 (5) :89-91.

[3]陈骥, 王鑫, 曹久大, 周兆丰.高速CCD激光位移传感器[J].光学仪器, 2004年4月, 第24卷第二期.

[4]马荣贵, 宋宏勋.CCD位移传感器结构参量计算方法[J].光子学报, 2001, 30 (2) :225-227.

激光位移 第6篇

变电站10kV开关柜由固定式柜体和抽出式手车组成,抽出式手车采用中置式布置,设计在开关柜中。手车室内设有手车导轨,供手车在工作位置和试验位置200±1mm之间移动。目前判断10kV断路器手车到达工作位置目前主要是靠辅助开关切换,刚开始运行的手车辅助开关切换还是比较可靠的,但运行时间久,和主触头的配合经常出问题。如果辅助开关切换迟,这时虽然主触头到位,但操作人员还是强行摇会损坏丝杆;如果辅助开关切换提前,会使操作人员停止摇动,主触头不到位,合闸运行后大电流通过会烧毁主触头,这是造成触头烧毁的主要原因之一,遇到这种情况,唯一的办法是停电处理,严重影响设备和电网安全运行。所以变电站10kV开关柜中手车的准确到位对安全有着不可估量的作用。

1 需求分析

为了解决10kV开关柜手车长期存在的准确位移监视的问题,结合智能变电站改造,利用激光测距技术监视断路器手车从试验位置到工作位置和200±1mm之间的距离,保证主触头的插入在12±1mm位置。据此,系统需要达到几点要求:

(1)准确测距,误差在2mm以内。

(2)实时监测,可动态显示当前距离。

(3)易安装,无需特殊反射物或者对接物辅助。

目前测距方式有超声波、红外及激光等,超声波精度不符合要求,红外需要反射物支撑才能达到精度要求,因此,满足要求的只有激光测距方式。

2 系统硬件结构

系统总体硬件结构如图1所示,A开关柜内设置3个凹槽系统总体硬件结构也就是母线侧静触头,B是断路器手车,断路器需要运行时,手车的动触头必须从开关柜移动对准插入静触头,运行时触头才不会被电流烧伤。误差超过3mm,会造成接触面积小,引起触头发热。因此需要测量出触头与触点的距离,避免不到位的情况下触头烧伤。

测量距离需要部署测量器件,本方案为测量B开关壁和C门合上时的距离,再根据C与A的固定距离相减得出A和B的实际距离。部署图见图2。

开关柜上门正面具有实时距离监测显示装置,除了显示功能外,还能针对数据进行实时报警和延时报警。工作电压采用9～20VDC宽幅。

测量装置采用激光测距传感器,检测范围80～300mm,精度0.08～0.3mm,工作电源18～30VDC宽幅,光源红色激光650nm,可用RS-485/232接口输出到显示装置上。外形尺寸为50mm50mm17mm,质量小于50g,符合现场安装需求。

3 软件支持

该装置除了内嵌于装置的单片机程序设计外,还加入了数据库管理软件,主要用于采集每个开关柜的实测数据、校准数据、报警数据及操作时间等,并对此进行建档和分析。软件拟采用DELPHI7进行编程,并采用mysql作为支撑数据库。

4 系统功能

(1)距离调校。由于方案采取相减方式得出实际距离,根据开关柜的情况,每个开关柜误差距离不同,因此需要输入调校值,由人工多次调校后输入,并且录入软件系统存档。

(2)实时测距。在断路器手车实际工作时,显示当前的距离,这是系统最基础也是最重要的功能。

(3)显示及报警。通过提供的显示装置,对数字信号进行报警阀值设置。

(4)档案录入和报表打印。将现场数据录入软件系统,可生成报表,可查询历史数据和每个开关柜的档案数据。

5 运行环境

5.1 硬件环境

工作温度:-10～60℃;激光使用寿命:50000h。

5.2 软件环境

客户端操作系统:WindowXP。

6 结语

利用激光测距技术,实时监视10kV开关柜断路器手车从试验位置到工作位置的情况,并把手车的测距实际情况上传,实现远方、就地都可以监视手车的准确位置。

参考文献