Hanning低通滤波在PSD法测量直管不直度中的应用

　　PSD是一种基于横向光电效应的光电位置敏感器件,它能实时给出其敏感面上的光点位置坐标。自从1930年Schottkey发现了横向光电效应[1]后,人们便立即对此发生了浓厚的兴趣,但直至1960年Lucovskey才真正建立起了横向光电效应所遵循的方程[2],后人称之为Lucovskey方程。后来人们纷纷将其用作位置敏感器件。由于其具有很高的灵敏度和良好的瞬态特性以及紧凑的结构而倍受工程界的青睐,因而在大型桥梁和高层建筑的摆动监测、机床准直[3]、象差检测和透明板材形状测试[4]、短距离测距[5]、转速测量[6]、体育锻炼[7]等领域获得了广泛的应用,本文则将其应用于直管不直度的测试。不直度曲线,参见图(1),但又不同于一般的空间曲线,因为其中的一个坐标即轴向坐标可视为参数,从而空间不直度曲线实际上是一矢量函数。但为了研究问题的方便,可将其分解为YOZ平面的分量曲线Y=Y(Z)以及XOZ平面的分量曲线X=X(Z)。这样若沿轴向按一定的步长对该曲线进行采样,可得到一系列离散量Xi(i,s), Yi(i,s),其中s为步长。而在测试过程中,由于各种因素的影响,噪声难以免,而不直度曲线信号为一空域信号,无法采用电学滤波的办法来滤除噪声,故只有寻求一种数字滤波的方法。在后面的分析中将会看到此不直度信号具有低频占优的特征,故应设计一种低通滤波器来滤除噪声,而Hanning低通滤波器正具有低通特性。

　　1 测量装置基本构成及工作原理

　　为叙述问题方便,笔者对实验中测试装置做一简单介绍。本测试系统由半导体激光器组件、PSD组件、导杆、专用信号变换电路、A/D采集卡、计算机等组成,如图(2)所示。将激光器组件固定于直管一端,而沿直管步进PSD组件,因此PSD上任意一点都将反映其所在处的弯曲情况;由于激光束固定不动,故可视为基准,从而PSD相对于光束的移动量将与其上的光点坐标直接相关。由于PSD电中心与直管中心总存在一定的偏差,而且激光束也不能完全与直管首尾端面中心连线重合,故需作一定的修正和标定。具体可详见笔者的另一篇论文[8]。

　　2 不直度曲线模型及其频谱分析

　　对于一直管,由于自重、支承方式、加工误差、使用过程中的碰撞冲击所造成的永久形变,均为直管不直度的成因。可以预见,若在空间频域内分析此不直度曲线信号,自重及碰撞冲击所造成的弯曲必然为一低频分量,而且占主要份额,而因管内毛刺、加工时机床主轴振动所造成的弯曲必然是一高频分量,且多为次要分量。在实际使用中人们更为关心低频分量即弯曲的总体趋势。故下面先以直管的自重所引起的弯曲模型来分析其频谱分布,再与实际测量值的FFT频谱分布加以对比。