專利名稱：立式機組軸系軸線直線度檢測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于直線度測量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種直線度的測量裝置，具 體涉及一種立式機組軸系軸線直線度檢測裝置。
背景技術(shù)：
在水電機組安裝過程中，有一個非常重要的環(huán)節(jié)就是盤車，通過盤車我 們可以檢査機組轉(zhuǎn)動部分安裝完后或大修完后，機組轉(zhuǎn)動部分的軸線是否是 自由垂直的，檢査機組各轉(zhuǎn)動部件擺度、同心度、定轉(zhuǎn)子空氣間隙及機組軸 線垂直度。而在水力發(fā)電機組軸線盤車檢査時，使用的常規(guī)方法就是在所要 測量的部位用百分表監(jiān)視各轉(zhuǎn)動部分擺度，在測量機組軸線垂直度時仍使用 非常傳統(tǒng)的方法，即鋼琴線重錘耳機測量法。這些測盤方法雖然簡單，但精 度不足，數(shù)據(jù)處理能力低。
目前，傳統(tǒng)的水輪機直線度測量方法已不能滿足高精度、自動化測量的 需要，而且，隨著微電子技術(shù)、光電技術(shù)和計算機技術(shù)發(fā)展，研究新型水電 機組軸線直線度檢測方法己成為必要。 發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的是提供一種立式機組軸系軸線直線度檢測裝置，解決 了現(xiàn)有技術(shù)中存在的精度低、自動化測量程度低的問題。
本實用新型所采用的技術(shù)方案是，一種立式機組軸系軸線直線度檢測裝
置，包括安裝在水輪機組轉(zhuǎn)軸上的安裝座，安裝座上安裝有CCD器件，在CCD器件的光照區(qū)設(shè)置有基準測量垂線，CCD器件與圖像處理電路連接，圖像處 理電路與狀態(tài)控制電路連接，CCD器件和狀態(tài)控制電路同時與驅(qū)動電路連接， 狀態(tài)控制電路與單片機雙向連接，單片機與計數(shù)器雙向連接，單片機通過串 口通信電路與上位機連接。
CCD器件選用TCD141 ARC線陣CCD。
單片機選用AT89C51。
圖象處理電路包括信號的求和放大、低通濾波、二值化處理、A/D轉(zhuǎn)換 器依次連接。
串口通信電路選用RS-232。 上位機選用PC機。
本實用新型的有益效果是具有非接觸、測量速度快、精度適中的特點， 是解決大型軸系物體直線度測量的有效手段。

圖1是本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖2是本實用新型實施例的圖像處理電路的流程圖3是圖2實施例的求和放大電路示意圖4是圖2實施例的信號的低通濾波電路示意圖5是圖2實施例的二值化電路示意圖。
圖中，1、安裝座，2、基準測量垂線，3、 CCD器件，4、圖像處理電 路，5、狀態(tài)控制電路，6、單片機，7、串口通信電路，8、計數(shù)器，9、驅(qū) 動電路，10、上位機，11、水輪機組轉(zhuǎn)軸，12、 A/D轉(zhuǎn)換器，13、求和放大 電路，14、低通濾波電路，15、 二值化電路。
具體實施方式

以下結(jié)合附圖和具體實施方式
對本實用新型進行詳細說明。
CCD器件即電荷耦合器件，是以電荷為信號的載體，不同于-大多數(shù)以 電流或電壓為信號載體的器件。CCD器件的基本功能是電荷的存儲和電荷 的轉(zhuǎn)移。因此，CCD器件的基本工作過程主要是信號電荷的產(chǎn)生、存儲、 轉(zhuǎn)移和檢測。CCD傳感器是系統(tǒng)的核心，其性能的優(yōu)劣直接影響系統(tǒng)的功 能和使用效果，CCD的像素數(shù)從128位到5000位已構(gòu)成一個系列，可以根 據(jù)工作視場、距離、物方分辨率、測量精度的不同選擇不同型號的CCD器 件，除了像素數(shù)量、尺寸分辨率外，還有CCD器件的光譜靈敏度、光譜特 性、時鐘頻率、動態(tài)范圍等問題。
CCD器件有線型和面型兩大類。兩者都需要用光學成像系統(tǒng)將景物圖 像成像在CCD的像敏面上。像敏面將入射到每個像敏單元上的光照度分布 信號(EX， Y)轉(zhuǎn)變?yōu)樯贁?shù)載流子密度分布信號(NX， Y)，存儲在像敏單 元(MOS電容)中。然后，在通過驅(qū)動脈沖的驅(qū)動，使其從CCD的移位寄 存器中轉(zhuǎn)移出來，形成時序的視頻信號。
對于線陣CCD器件，可直接將接收到的一維光信號轉(zhuǎn)換成時序的電信 號輸出，獲得一維的圖像信號。線陣CCD器件現(xiàn)已有256、 1024、 2048、 2160、 2700、 5000、 5340、 7500等多種像素數(shù)。像敏單元位數(shù)越高的器件 具有更高的分辨率。與其它光電探測器相比較，線陣CCD器件具有以F優(yōu) 點體積小，重量輕，便亍安裝，工作電壓及功耗低，可靠性高，壽命長， 具有良好的抗燒毀能力。具有理想的'掃描'線性，可進行行像素尋址，可 變換掃描速度，畸變小，尺寸重現(xiàn)性好，特別適用尺寸測量、定位和成像傳 感等方面。像素間距的幾何尺寸精確，可以獲得很高的定位精度和測量精度。 有數(shù)字"掃描"能力，像素的位置可由數(shù)字代碼確定，便于和計算機結(jié)合。測量范圍大，靈敏度高，且通過高頻脈沖細分電路細分或軟件細分，其像素位 移當量可獲得較高的位移分辨力。實時傳輸光電變換信號和自掃描速度快，
頻率響應高，能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)測量。采用線陣CCD器件作為探測器，利用垂 線在CCD上的投影成像位置變化，間接測量出軸直線度的偏差。
如圖1所示，為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。包括安裝在水輪機組轉(zhuǎn)軸11 上的安裝座1，安裝座1上安裝有CCD器件3，在CCD器件3的光照區(qū)設(shè) 置有基準測量垂線2， CCD器件3與圖像處理電路4連接，圖像處理電路4 與狀態(tài)控制電路5連接，CCD器件3和狀態(tài)控制電路5同時與驅(qū)動電路9 連接，狀態(tài)控制電路5與單片機6雙向連接，單片機6與計數(shù)器8雙向連接， 單片機6通過串口通信電路7與上位機10連接。
本實用新型主要利用了線陣CCD測距，以垂線為基準，CCD器件與水 輪機機組軸通過底座固定，這樣，當軸有偏移時，基準線在CCD上的投影 位置就會有相應的變化，通過對CCD器件輸出的信號進行采集處理，利用 線陣CCD測距原理公式計算出實際距離。
本實用新型的實施例在測量時，沿機組軸體方向t均勻懸掛垂線。這樣 以懸掛的垂線為基準，采用線陣CCD器件作為探測器，在不同高度位置檢 測便可以得到沿軸方向，基準線與軸間距離的相對變化，即為該點的直線度 偏差。為了測量的準確度，可以在X， Y正負軸的方向上分別掛垂線作為基 準，在同--高度上，便可以得到分別沿X， Y正負方向上的四個位移偏量。 將所得結(jié)果做矢量和，就得到精確的偏移方向和偏移距離。光源發(fā)出的光束 照射在基準線上，并成像在CCD器件上，在驅(qū)動電路的作用下，CCD器 件將內(nèi)部像素信號順序輸出，圖像處理電路對CCD器件輸出信號進行調(diào)理 和采集，實現(xiàn)模擬信號數(shù)字化，然后由狀態(tài)控制電路控制單片機讀取信號，再由單片機控制計數(shù)器計數(shù)，結(jié)果送回單片機處理，最后傳入上位機，在上 位機內(nèi)進行數(shù)據(jù)處理和顯示。
CCD器件3選用日本東芝的TCD141ARC線陣CCD, TCD141ARC為 5000個像素的高靈敏度線陣CCD。其像素尺寸為7x7nm，相鄰像素中心距 為7拜，像素陣列長為35mm，采用的是22引腳DIP封裝形式，
如圖2所示，本實用新型的線陣CCD的圖象處理電路4包括信號的求 和放大電路13、低通濾波電路14、 二值化處理電路15、 A/D轉(zhuǎn)換器16依次 連接。采用CCD器件需要五路驅(qū)動脈沖，有兩路模擬輸出，分別為奇數(shù)像 素輸出和偶數(shù)像素輸出，CCD器件驅(qū)動電路9可利用晶體振蕩器和門電路 搭建而成來實現(xiàn)'。由于CCD器件輸出奇偶兩路信號，為了數(shù)據(jù)釆集必須先 將兩路信號合并放大，再濾波去除噪聲，這部分由CCD處理電路完成。采 用了應用較廣泛的二值化處理法，即將信號送入電壓比較器，將模擬信號數(shù) 字化，再對數(shù)據(jù)進行采集時，由狀態(tài)控制電路5將控制信號送入爭片機6， 然后再由單片機6控制計數(shù)器8計數(shù)，計數(shù)值送回單片機6處理。結(jié)果從單 片機6的串口通信輸出口輸出，連接到串行通信電路7。
如圖3所示，為本實用新型實施例的求和放大電路示意圖，進行奇偶視 頻信號疊加電路信號的求和放大處理。由于TCD141ARC輸出的是奇偶兩路 視頻信號，要得到完整的5000位有效信號，就得把奇偶兩路信號按序疊加 起來，同時在CCD輸出的原始信號很微弱，信號中?；祀s有幅度較大的復 位脈沖干擾，必須進行適當?shù)奶幚砗鸵欢ǖ姆糯?，才能i^入數(shù)字電路做進一 步處理。為此采用集成電路加法器，實現(xiàn)這兩個功能。此電路只用-'-支運算 放大器就對兩路CCD輸出信號OS1和0S2作加法運算和放大，使奇偶兩 路信號疊加，由于兩路原始視頻信號中復位脈沖幅度基本相同，而相位相反，從而在加法其中得到了明顯的抑制；同時，由于CCD輸出是負極性的，反 向加法后端恰好得到輸入信號倒相，更易于信號處理。運算放大器的正相端 通過電位器調(diào)解可以去除CCD輸出和信號中的直流偏置，在運算放大器的 反饋回路上并聯(lián)一個30P左右的電容，可用來防止反饋的高頻千擾如圖3所 示。輸出信號由下式表示為
r
Vo="^"x(Vos，+ V啦)
該電路采用THS3001高速運算放大器，TH3001是美國德州儀器公司生 產(chǎn)的超高速運算放大器，它采用電流模技術(shù)制造，是一種電流負反饋運算放 大器。THS3001具有高達6500V4is的轉(zhuǎn)換速率。該電路不但得到了完整的 5000位信號，且具有一定的放大作用，還明顯減小了復位信號對視頻信號的 容性干擾。驅(qū)動電路板中的CCD輸出視頻信號穩(wěn)定，經(jīng)奇偶疊加電路處理， 最后在THS3001輸出端得到了清晰的5000位視頻信號。
如圖4所示，為本實用新型實施例的信號的低通濾波電路示意圖，采用 無線增益多路反饋型低通濾波電路。求和后的視頻信號經(jīng)過低通濾波處理， 進一步濾除各種干擾信號，提高信噪比。此部分電路選用低通濾波釆用無線 增益多路反饋型低通濾波的方式。充線增益型濾波的特點是比較穩(wěn)定，當電 路中元器件參數(shù)發(fā)生變化時，對電路影響不大。在電路中，Rl、 R2、 R3都 選用1K的電阻，Cl、 C2分別選lpF和0.47mF，就得到了一路求和放大并 調(diào)理好的CCD視頻輸出信號。
如圖5所示，為本實用新型實施例的二值化電路示意圖，采用電壓比較 器，進行信號的二值化處理。濾波后采用二值化處理方法。二值化電平法是 通過設(shè)置閾值電平，將CCD輸出信號與閾值電平比較，從而得出二值化電 平的方法。二值化電路根據(jù)二值化電平法將CCD視頻信號輸入比較器與值電壓比較，輸出二值化方波信號。CCD輸出信號中包含有被測物體信息 時，選擇適當?shù)拈撝惦妷海墒公@得的方波脈沖寬度和位置與被測物體的對 應關(guān)系。若以二值化方波脈沖的上升沿為觸發(fā)開始，下降沿為觸發(fā)結(jié)束，將 CCD轉(zhuǎn)移脈沖作為計數(shù)脈沖，可計數(shù)出在二值化方波高電平中包含的CCD 驅(qū)動脈沖個數(shù)，即有效信號中覆蓋CCD像素個數(shù)，通過將計數(shù)結(jié)果與CCD 像素尺寸相乘即可得出被測物體的尺寸。這種方法簡捷易行，有著廣泛的應 用，如測物體尺寸和位置信息。二值化處理方法中最關(guān)鍵的問題是圖像邊緣 特征點的確立，即閾值電平的取值問題。閾值電平E設(shè)置的高低不同，經(jīng)變 換后得到的圖像邊緣出入很大，但通過標定的方法可以很好地解決，因此， 二值化處理法的精度是能夠得到一定保證的。
如圖5， 二值化電路一般用電壓比較器來實現(xiàn)，經(jīng)解調(diào)處理后的電壓信 號Vi從運算放大器的反相端送入，閾值電平E從同相端送入，穩(wěn)壓管D2 用來鉗制輸出電壓，電阻R為輸出的限流電阻，輸出信號Vo再經(jīng)和高頻精 密脈沖相與后，由計數(shù)器計出脈沖值做一數(shù)學運算，就可以得到被測對象的 測量結(jié)果。
單片機6選用AT89C51， AT89C51是一種低功耗、高性能的片，內(nèi)含有 4KB快閃可編程/擦除只讀存儲器的8位CMOS微控制器。該器件采用 ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集 和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片 中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供
了一種靈活性高且價廉的方案。
串口通信電路7選用RS-232,是IBM-PC及其兼容機上的串行連接標準。 可用于許多用途，比如連接鼠標、打印機或者Modem,同時也可以接工業(yè)儀器儀表。用于驅(qū)動和連線的改進，實際應用中RS-232的傳輸長度或者速 度常常超過標準的值，RS-232只限于PC串口和設(shè)備間點對點的通信。RS-232 串口通信最遠距離是50英尺。
上位機10選用PC機，AT89C51與PC機的接口電路采用芯片MAX232。 MAX232是德州儀器公司(TI)推出的一款兼容RS-232標準的芯片。該器 件包含2個驅(qū)動器、2個接收器和1個電壓發(fā)生器電路提供電平。MAX232 芯片起電平轉(zhuǎn)換的功能，使單片機的電平與PC的RS-232電平達到匹配。
本實用新型針對傳統(tǒng)水輪機直線度測量原理和機械提出了采用線陣 CCD作為探測器件，結(jié)合機械技術(shù)、電子技術(shù)、計算機技術(shù)研制水輪機組 軸系軸線直線度的非接觸測量系統(tǒng)，建立一套針對立式機組軸線的靜態(tài)直線 度非接觸測量的測量方法。根據(jù)水輪機機械結(jié)構(gòu)設(shè)計了測量裝置的結(jié)構(gòu)，具 有非接觸、測量速度快、精度適中的特點，是解決大型軸系物體直線度測量 的有效手段。新穎的測量方法，將給業(yè)界帶來更廣泛的思路。
權(quán)利要求1、一種立式機組軸系軸線直線度檢測裝置，其特征在于，包括安裝在水輪機組轉(zhuǎn)軸(11)上的安裝座(1)，安裝座(1)上安裝有CCD器件(3)，在CCD器件(3)的光照區(qū)設(shè)置有基準測量垂線(2)，CCD器件(3)與圖像處理電路(4)連接，圖像處理電路(4)與狀態(tài)控制電路(5)連接，CCD器件(3)和狀態(tài)控制電路(5)同時與驅(qū)動電路(9)連接，狀態(tài)控制電路(5)與單片機(6)雙向連接，單片機(6)與計數(shù)器(8)雙向連接，單片機(6)通過串口通信電路(7)與上位機(10)連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測裝置，其特征在于，所述的CCD器件(3) 選用TCD141ARC線陣CCD。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測裝置，其特征在于，所述的單片機(6) 選用AT89C51。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測裝置，其特征在于，所述的圖象處理電 路(4)包括信號的求和放大(13)、低通濾波(14)、 二值化處理(15)、 A/D 轉(zhuǎn)換器(16)依次連接。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測裝置，其特征在于，所述的串口通信電 路(7)選用RS國232。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測裝置，其特征在于，所述的上位機(10) 選用PC機。
專利摘要本實用新型公開了一種立式機組軸系軸線直線度檢測裝置，包括安裝在水輪機組轉(zhuǎn)軸上的安裝座，安裝座上安裝有CCD器件，在CCD器件的光照區(qū)設(shè)置有基準測量垂線，CCD器件與圖像處理電路連接，圖像處理電路與狀態(tài)控制電路連接，CCD器件和狀態(tài)控制電路同時與驅(qū)動電路連接，狀態(tài)控制電路與單片機雙向連接，單片機與計數(shù)器雙向連接，單片機通過串口通信電路與上位機連接。本實用新型采用線陣CCD作為探測器件，具有非接觸、測量速度快、精度適中的特點，是解決大型軸系物體直線度測量的有效手段。
文檔編號G01B11/27GK201141762SQ20082002806
公開日2008年10月29日 申請日期2008年1月8日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月8日
發(fā)明者喬衛(wèi)東, 于殿泓, 房卓婷, 薇 馬 申請人:西安理工大學