CN115200903A - 一种用于道路模拟试验的位移测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于道路模拟试验的位移测量系统，包括激光干涉仪模块、数据处理模块、PC端、环境监测和报警模块；所述激光干涉仪模块固定于车辆减振器与悬架处，用于在道路模拟试验过程中进行激光干涉，读取干涉结果的明暗条纹数量，将明暗条纹数量传输至所述数据处理模块；所述数据处理模块将采集到的数据通过USB通讯传输至PC端；所述PC端用于信号质量监测、数据滤波和数据显示；所述环境监测和报警模块检测减振器工作位置的温度和湿度并发送给所述数据处理模块。本发明可以精确测量出车辆减振器垂直位移，同时便于安装与拆卸，不易损坏，测量精度可达微米量级，以实现试验台架对不同路况信号下车辆运动状态的精确复现。
Description
技术领域
本发明属于车辆车身与底盘结构强度耐久性能测试和CAE仿真分析技术领域，具体涉及一种用于道路模拟试验的位移测量系统。
背景技术
随着汽车技术的不断发展，车辆开发初期需要通过试验进行车身与底盘结构强度耐久性能测试和CAE仿真分析结果验证。室内台架试验因为其试验周期短、不受天气影响、一致性好等优点，已广泛用于考核车辆各项的性能，可以有效的缩短产品开发周期，减少试验成本，改善产品质量和性能，对提升车辆性能、节约研发成本有很大的帮助。
道路模拟试验可以全面以及准确地考核车辆以及悬架结构的合理性和耐久性，发现设计缺陷，及时进行结构的调整和完善。为了使台架精确模拟再现出车辆在真实路况下的运动状态，需要采集车辆在室外凸块路、扭曲路、石板路、鱼鳞坑路等典型路况下车辆减振器垂直位移、车轮轴处载荷、车身和车轮轴头处加速度、悬架各位置应变等参数，通过道路模拟试验台架和远程参数控制系统RPC pro对测得参数进行数据处理和迭代，从而模拟出每条路况的台架驱动信号。
但目前在道路模拟试验过程中，车辆减振器垂直位移的测量普遍使用拉线式位移传感器，拉线式位移传感器主要结构是可拉伸的软绳绕在一个旋转感应编码器上，测量时软绳的另一端通过打结的形式绑在待测的运动物体上，发生位移变化时，软绳会带动旋转感应编码器转动，从而测出位移。这种测量方法受制于车辆结构，传感器需要使用胶水进行粘贴和固定，这使得传感器的安装和拆卸难度极大，而且安装过程中很难保证拉线与减振器的相对平行，有偏转角度的产生，使得不能精确测量出减振器的相对垂直位移。在日常试验使用过程中，拉线的软绳接头处容易断裂，传感器本身易于损坏，使用寿命短，测量精度也较低，因此严重影响了道路模拟试验的精度，使被试验车辆的试验结果发生变化，影响试验工程师对于被测车辆部件结构强度、刚度以及车辆使用寿命的判定。
发明内容
为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供一种用于道路模拟试验的位移测量系统，可以精确测量出车辆减振器垂直位移，同时便于安装与拆卸，不易损坏，测量精度可达微米量级，以实现试验台架对不同路况信号下车辆运动状态的精确复现，提升道路模拟试验的准确性，有效的缩短产品开发周期，减少试验成本，改善产品质量和性能。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种用于道路模拟试验的位移测量系统，包括：激光干涉仪模块、数据处理模块、PC端、环境监测和报警模块；所述激光干涉仪模块固定于车辆减振器与悬架处，用于在道路模拟试验过程中进行激光干涉，读取干涉结果的明暗条纹数量，将明暗条纹数量传输至所述数据处理模块；所述数据处理模块将采集到的数据通过USB通讯传输至PC端；所述PC端用于信号质量监测、数据滤波和数据显示；所述环境监测和报警模块检测减振器工作位置的温度和湿度并发送给所述数据处理模块。
进一步地，所述激光干涉仪模块包括激光发射单元、反射光接收单元、反射镜以及光电探测器；所述激光发射单元包括激光器及光学透镜组合，激光器将稳定输出的激光光束照射至光学透镜组合，光学透镜组合将激光束分成两束强度相等的光束，其中一束激光光束1到达反射镜后反射至反射光接收单元，另一束激光光束2到达固定在随减振器一起运动的反射镜表面后，激光光束2原路返回至反射光接收单元，激光光束1与激光光束2产生干涉，光电探测器识别出明暗条纹的数量后传输至所述数据处理模块。
优选的，所述激光器为氦氖激光器；所述光学透镜组合由三角分光棱镜与准直光学透镜组成；激光器发出的激光经过准直光学透镜，之后激光到达三角分光棱镜，成为两束强度相等的激光光束。
优选的，所述准直光学透镜选用等效焦距为8mm的三层玻璃球面准直光学透镜。
进一步地，所述反射光接收单元由滤光片、物镜及光电探测器构成；将光电探测器置于物镜焦距处。
进一步地，所述数据处理模块采用STM32单片机；STM32将采集到的信号转化为DLL形式传输至PC端。
进一步地，所述环境监测和报警模块包括ESP8266开发板、DHT11温湿度传感器、LED灯；DHT11温湿度传感器采集减振器工作位置的温度和湿度，ESP8266开发板接收DHT11温湿度传感器的数据并传输至所述数据处理模块，当温度和湿度明显异常时，控制LED灯亮起进行报警。
进一步地，所述PC端内设有Labview软件模块，Labview软件模块包括信号质量监测模块、数据滤波模块和数据显示模块；信号质量监测模块用于确认激光信号的稳定性；数据滤波模块用于将测得的数据进行滤波处理，得到位移测量的最终数据；数据显示模块用于对位移测量值进行显示。
进一步地，所述监测信号质量监测模块利用利萨如图像显示来判断信号质量的稳定性。
进一步地，所述数据滤波模块采用均值滤波和FIR滤波对测量值进行处理。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供一种用于道路模拟试验的位移测量系统，可以精确测量出车辆减振器垂直位移，同时便于安装与拆卸，不易损坏，测量精度可达微米量级，以实现试验台架对不同路况信号下车辆运动状态的精确复现，提升道路模拟试验的准确性，有效的缩短产品开发周期，减少试验成本，改善产品质量和性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例所述的一种用于道路模拟试验的位移测量系统原理图；
图2为干涉法测距原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施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结构。
一种用于道路模拟试验的位移测量系统，包括：激光干涉仪模块、数据处理模块、PC端、环境监测和报警模块；所述激光干涉仪模块固定于车辆减振器与悬架处，用于在道路模拟试验过程中进行激光干涉，读取干涉结果的明暗条纹数量，将明暗条纹数量传输至所述数据处理模块；所述数据处理模块将采集到的数据通过USB通讯传输至PC端；所述PC端用于信号质量监测、数据滤波和数据显示；所述环境监测和报警模块检测减振器工作位置的温度和湿度并发送给所述数据处理模块。
进一步地，所述激光干涉仪模块包括激光发射单元、反射光接收单元、反射镜以及光电探测器；所述激光发射单元包括激光器及光学透镜组合，激光器将稳定输出的激光光束照射至光学透镜组合，光学透镜组合将激光束分成两束强度相等的光束，其中一束激光光束1到达反射镜后反射至反射光接收单元，另一束激光光束2到达固定在随减振器一起运动的反射镜表面后，激光光束2原路返回至反射光接收单元，激光光束1与激光光束2产生干涉，光电探测器识别出明暗条纹的数量后传输至所述数据处理模块。
优选的，所述激光器为氦氖激光器；所述光学透镜组合由三角分光棱镜与准直光学透镜组成；激光器发出的激光经过准直光学透镜，之后激光到达三角分光棱镜，成为两束强度相等的激光光束。
优选的，所述准直光学透镜选用等效焦距为8mm的三层玻璃球面准直光学透镜。
进一步地，所述反射光接收单元由滤光片、物镜及光电探测器构成；将光电探测器置于物镜焦距处。
进一步地，所述数据处理模块采用STM32单片机；STM32将采集到的信号转化为DLL形式传输至PC端。
进一步地，所述环境监测和报警模块包括ESP8266开发板、DHT11温湿度传感器、LED灯；DHT11温湿度传感器采集减振器工作位置的温度和湿度，ESP8266开发板接收DHT11温湿度传感器的数据并传输至所述数据处理模块，当温度和湿度明显异常时，控制LED灯亮起进行报警。
进一步地，所述PC端内设有Labview软件模块，Labview软件模块包括信号质量监测模块、数据滤波模块和数据显示模块；信号质量监测模块用于确认激光信号的稳定性；数据滤波模块用于将测得的数据进行滤波处理，得到位移测量的最终数据；数据显示模块用于对位移测量值进行显示。
进一步地，所述监测信号质量监测模块利用利萨如图像显示来判断信号质量的稳定性。
进一步地，所述数据滤波模块采用均值滤波和FIR滤波对测量值进行处理。
实施例
如图1所示，本实施例提供一种用于道路模拟试验的位移测量系统，包括：用于发射激光和接收反射光的激光干涉仪模块；用于接收和传输测量结果的数据处理模块；用于监测试验环境温度和湿度的环境监测和报警模块；用于信号质量监测、数据滤波和数据显示的PC端，PC端内设置有Labview软件程序；所述激光干涉仪模块与所述数据处理模块通讯连接，所述环境监测和报警模块与所述数据处理模块通讯连接，所述数据处理模块与所述PC端通讯连接。
所述激光干涉仪模块固定于车辆减振器与悬架处，用于在道路模拟试验过程中进行激光干涉，读取干涉结果的明暗条纹数量，将明暗条纹数量传输至所述数据处理模块。
激光干涉仪模块包括激光发射单元、反射光接收单元、反射镜以及光电探测器；激光发射单元通过激光器将稳定输出的激光光束照射至分光镜上，分光镜将激光束分成两束强度相等的光束，其中一束激光光束1到达反射镜后反射至反射光接收单元的光电探测器处，另一束激光光束2到达固定在随减振器一起运动的反射镜表面后，激光光束2原路返回至反射光接收单元，经过滤光片后到达光电探测器，激光光束1与激光光束2产生干涉，光电探测器识别出明暗条纹的数量后传输至数据处理模块。
如图2所示，激光干涉仪模块依据光的干涉原理来达到测距的目的，光的干涉原理是两个光波，它们的频率和振动方向相同，或者振动方向有微小的夹角，它们的相位差也固定，在这种情况下，这两个光波相互叠加就会产生光的干涉，会出现明暗交替的条纹，通过读取明暗条纹的个数，计数后通过USB通讯，将采集的数据传输至PC端，用Labview软件进行处理和分析，得到位移测量结果。
所述激光发射单元由氦氖激光器与光学透镜组合构成，光学透镜组合由三角分光棱镜与准直光学透镜组成。氦氖激光器相对于波长和辐射极其稳定，可以较好的提高测量精度，同时也满足安全激光波长范围。氦氖激光器发出的激光经过准直光学透镜，激光束会减小发散角，使出射激光几乎准直。之后激光到达三角分光棱镜，会成为两束强度相等的光束，即振幅和频率相等。
所述氦氖激光器相对与其他激光发射器，具有出色的线性度和极高的精度，因此其波长和出射强度极其稳定。
所述准直光学透镜选用等效焦距为8mm的三层玻璃球面准直光学透镜，可以有效地压缩激光的发散角，使出射激光几乎准直。
所述反射光接收单元由滤光片、物镜及光电探测器构成，物镜起聚焦作用，将光电探测器置于物镜焦距处，使探测器能接收最大光强。激光光束1与激光光束2在光电探测器处发生激光干涉现象，产生干涉明暗条纹。
所述反射镜选用球反射镜，属于倾斜不变反射器，不会因为反射镜倾斜而产生额外的长度测量误差。
所述激光干涉仪模块还包括固定座，固定底座选用磁吸式结构，磁吸式固定底座的稳定和牢固，可以确保激光干涉仪在测量过程中的测量精度不受影响。同时磁吸式结构在安装和拆卸过程中，操作方便快捷。
所述数据处理模块采用STM32单片机，将采集到的数据通过USB通讯传输至PC端。STM32将采集到的信号转化为DLL(动态链接库)形式，可以为Labview软件提供相应的API命令(应用程序编程接口)，方便之后的软件编程与计算。STM32单片机具有高性能、低功耗的优点。
所述环境监测和报警模块包括ESP8266开发板、DHT11温湿度传感器、LED灯，通过ESP8266开发板接收DHT11温湿度传感器的数据信息，之后在数据处理模块接收减振器工作位置的温度和湿度，当温度和湿度明显异常时，可控制LED灯亮起进行报警。ESP8266开发板工作温度范围大，且能够保持稳定的性能，能适应各种操作环境。DHT11温湿度传感器有着小体积、低功耗的优点，使其成为在苛刻应用场合的最佳选择。
所述Labview软件程序包括信号质量监测模块、数据滤波模块和数据显示模块，Labview是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言，驱动程序丰富，信号处理和分析功能完善。在测量开始前，需要通过信号质量监测模块确认激光信号的稳定性，之后在确保激光光束的信号强度满足要求后，可以开始进行位移测量。通过Labview编程可以将测得的数据进行滤波处理，得到位移测量的最终数据，位移测量值也可以同步在软件界面显示，之后传输至道路模拟试验软件。
所述信号质量监测模块可以保证测量光束最大程度的照射在反射镜上，并且返回信号的质量也较好，这样可以提高位移测量系统工作的准确性。监测信号质量使用的方法是利用利萨如图像显示来判断信号质量的稳定性。利萨如图像是两个沿着互相垂直方向正弦振动合成的轨迹，利萨如图像越稳定说明信号本身越稳定，一般使用示波器进行显示观察，本发明使用Labview软件进行编程，取代和实现示波器的作用。利萨如图像主要是在测量前验证信号质量的稳定性。
所述数据滤波模块通过Labview软件进行编程，运用数字滤波方法对测量值进行处理，滤波方法采用均值滤波和FIR滤波。均值滤波也称为线性滤波，主要方法为邻域平均法，在软件中一般进行多次均值滤波增强滤波效果。FIR滤波器全称为有限长单位冲激响应滤波器，也称为非递归型滤波器，FIR滤波器的系数通过设置，可以使其频率响应中只有一个零点，因此形成陷波滤波器。输出字率设置为10Hz，设置为对1024个数据进行取平均值处理，所以样本采样频率为10240Hz。
所述数据显示模块通过Labview软件显示位移测量值，长度的测量可以快速方便的通过调用DLL库函数来得到长度测量值。在软件中可以实时显示位移的测量值大小，也能通过波形图观察位移值得变化趋势。测得的位移值保存后传输至道路模拟试验PC控制端。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种用于道路模拟试验的位移测量系统，其特征在于，包括：激光干涉仪模块、数据处理模块、PC端、环境监测和报警模块；所述激光干涉仪模块固定于车辆减振器与悬架处，用于在道路模拟试验过程中进行激光干涉，读取干涉结果的明暗条纹数量，将明暗条纹数量传输至所述数据处理模块；所述数据处理模块将采集到的数据通过USB通讯传输至PC端；所述PC端用于信号质量监测、数据滤波和数据显示；所述环境监测和报警模块检测减振器工作位置的温度和湿度并发送给所述数据处理模块。
2.如权利要求1所述的一种用于道路模拟试验的位移测量系统，其特征在于，所述激光干涉仪模块包括激光发射单元、反射光接收单元、反射镜以及光电探测器；所述激光发射单元包括激光器及光学透镜组合，激光器将稳定输出的激光光束照射至光学透镜组合，光学透镜组合将激光束分成两束强度相等的光束，其中一束激光光束1到达反射镜后反射至反射光接收单元，另一束激光光束2到达固定在随减振器一起运动的反射镜表面后，激光光束2原路返回至反射光接收单元，激光光束1与激光光束2产生干涉，光电探测器识别出明暗条纹的数量后传输至所述数据处理模块。
3.如权利要求2所述的一种用于道路模拟试验的位移测量系统，其特征在于，所述激光器为氦氖激光器；所述光学透镜组合由三角分光棱镜与准直光学透镜组成；激光器发出的激光经过准直光学透镜，之后激光到达三角分光棱镜，成为两束强度相等的激光光束。
4.如权利要求3所述的一种用于道路模拟试验的位移测量系统，其特征在于，所述准直光学透镜选用等效焦距为8mm的三层玻璃球面准直光学透镜。
5.如权利要求2所述的一种用于道路模拟试验的位移测量系统，其特征在于，所述反射光接收单元由滤光片、物镜及光电探测器构成；将光电探测器置于物镜焦距处。
6.如权利要求1所述的一种用于道路模拟试验的位移测量系统，其特征在于，所述数据处理模块采用STM32单片机；STM32将采集到的信号转化为DLL形式传输至PC端。
7.如权利要求1所述的一种用于道路模拟试验的位移测量系统，其特征在于，所述环境监测和报警模块包括ESP8266开发板、DHT11温湿度传感器、LED灯；DHT11温湿度传感器采集减振器工作位置的温度和湿度，ESP8266开发板接收DHT11温湿度传感器的数据并传输至所述数据处理模块，当温度和湿度明显异常时，控制LED灯亮起进行报警。
8.如权利要求1所述的一种用于道路模拟试验的位移测量系统，其特征在于，所述PC端内设有Labview软件模块，Labview软件模块包括信号质量监测模块、数据滤波模块和数据显示模块；信号质量监测模块用于确认激光信号的稳定性；数据滤波模块用于将测得的数据进行滤波处理，得到位移测量的最终数据；数据显示模块用于对位移测量值进行显示。
9.如权利要求8所述的一种用于道路模拟试验的位移测量系统，其特征在于，所述监测信号质量监测模块利用利萨如图像显示来判断信号质量的稳定性。
10.如权利要求8所述的一种用于道路模拟试验的位移测量系统，其特征在于，所述数据滤波模块采用均值滤波和FIR滤波对测量值进行处理。
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