物体振动幅度的远距离非接触测量技术

　　振动测量与实验一直是工程技术界重视的课题之一。物体受到载荷的激励会产生受迫振动,振动的幅度(挠度)是其安全状况评价的重要参数之一。对于一些中小型桥梁、铁轨等野外目标来说,综合考虑人力、财力、方便等各方面因素,采用定期的安全检测比较合乎实情。便携式物体振动测试仪是较好的选择。以线阵CCD[1](Charge Coupled Device光电耦合器件)为传感器的非接触尺寸检测方法,运用光学、电子学、CCD传感技术并同计算机数据处理技术相结合,克服了传统的机械式、光学式、电磁式测量方法的缺点,实现了尺寸测量的智能化、自动化及数据分析处理的异地异机化。

　　1　系统构成及工作原理

　　该系统由一台CCD电子经纬仪(包括光学系统、CCD模块[2]、信号处理及通讯模块)、一套便携式计算机系统和一组编码标尺组成,如图1。其中CCD电子经纬仪是在经纬仪望远镜分划板位置加装线阵CCD器件及A/D转换和通讯模块电路组成,主要用于对编码标尺的瞄准和测量;便携式计算机系统由PC(或笔记本电脑)和专用的图象处理软件组成,主要用于对CCD图像的采样数据进行实时采样、存储,以及分析、计算各种参数,并显示桥梁动态振动幅度曲线。编码标尺是供电子经纬仪进行测量的目标,使用时应将其固定在被测目标上。

　　系统工作原理图如图1所示,固定在被测目标上的编码标尺通过光学系统,在CCD器件的光敏面上形成光学图像,CCD器件把光敏元上的光信号转换成与光强成正比的电荷量。采用帧同步脉冲FC和像元同步脉冲SP对CCD器件进行驱动, CCD模块输出端得到被测对象的视频信号。视频信号中每一个离散模拟电压信号的大小对应着该光敏元所接收的光信号强弱,而信号输出的时序则对应CCD光敏元位置的顺序,每一帧CCD信号就可以反映条码标尺在该时刻的位置、当前光照以及聚焦等诸多信息。使用高速A/D对该模拟信号进行采样,得到的数字信号经过USB2. 0通讯模块传输到便携式计算机(或台式机)上,对采样数据进行处理。连续摄取并测量多幅CCD图像,通过软件分析编码标尺各黑白条位置相对于其初始位置(测试时硬件校准后的位置)的变化,便可计算出动态、静态挠度、振动频率、冲击系数等参数,从而可以绘制出物体动态振动幅度曲线。

　　2　光学成像原理

　　本系统采用图2所示的光学成像系统。图中f为透镜焦距,L为标尺有效长度,u为物体距离测试仪的距离(物距),n为实际用到的CCD像元数,v为像距,p是相邻像元间距,2α为视场。

　　由透镜成像公式:

　　放大倍数:

　　那么:

　　在实际测量过程中,物距u远远大于像距v,由成像公式(1)得出像距v近似于焦距f。为简化计算,可取v=f,可得