基于紅外線光電開關的測速系統(tǒng)設計與應用

隨著科學技術的快速發(fā)展，測速系統(tǒng)的設計應用已滲透到了武器、航天、工業(yè)等諸多領域。如在武器系統(tǒng)的研制、定型、生產(chǎn)質(zhì)量控制、產(chǎn)品檢驗等研究中，需要測定彈丸的飛行速度;在高速機車的研制開發(fā)過程中，同樣需要對其速度加以檢測。面對各種各樣的測速試驗，形形色色的測速方法也隨之而來，如多普勒雷達精度高，但設備龐大，價格昂貴;照相測速方法簡單直觀，精度較高，但工序繁瑣，周期較長;網(wǎng)靶可靠性好，但測試精度低，成本高且測速效率低;相比之下紅外線光電開關利用光通斷產(chǎn)生的邊沿觸發(fā)是良好的非接觸性測速手段，它成本低廉，在常溫或測試環(huán)境溫度不太高的情況下測速效率高、精度高、測試范圍大，在常規(guī)測速中具有顯著優(yōu)勢。本文提出一種運用NI6251 高速數(shù)據(jù)采集卡與LabVIEW 軟件相結(jié)合的方法替代了傳統(tǒng)的基于單片機或FPGA 等自行設計的硬件電路所組成的數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)，提高了測速系統(tǒng)的可靠性和測量精度。

1 測速系統(tǒng)工作原理

紅外光電開關測速是通過2 個光電開關之間的距離s 以及測量運動物體通過2 個光電開關的時間間隔t 然后做除法而得到其平均速度的測速方法。

當無運動物體遮擋光電開關時，光電開關的接收端輸出高電平信號，當有物體經(jīng)過遮擋時，光電開關的接收端輸出低電平信號。即當高速物體經(jīng)過一對光電開關時會先后形成2 個高電平到低電平的脈沖信號。通過計時周期的方式測出這2 個下降沿之間的計數(shù)周期個數(shù)n，計時原理如圖1 所示。

圖1 計時原理圖

根據(jù)計時原理可得到計時時間t：

2 系統(tǒng)設計

通過對測速原理的分析可知，s 可以由刻度尺直接測量得出，因此測速系統(tǒng)主要由計時電路和軟件除法運算單元構(gòu)成。計數(shù)器在第1 個脈沖信號的下降沿開始計時，在第2 個脈沖信號的下降沿停止計時，而后將得到的計時時間傳送給上位機軟件進行處理得到測量值。

2.1 計時電路設計

計時電路是基于NI6251 內(nèi)部時鐘計數(shù)器來設計的， 相比較一般51 單片機12MHz 的晶振和FPGA的50MHz 的晶振，NI6251 所提的80MHz 晶振計數(shù)精度更高，測速時2 個光電開關所產(chǎn)生的脈沖信號時間間隔會被更準確地記錄。計時電路設計如圖2 所示。

圖2 計時電路設計圖

2.2 軟件設計

LabView 是一種用圖標代替文本行創(chuàng)建應用程序的圖形化編程語言，由NI 公司研制開發(fā)?，F(xiàn)被廣泛應用于虛擬儀器設計相關的科研領域。根據(jù)測速系統(tǒng)原理和人機交互優(yōu)化原則設計軟件流程如圖3所示。

圖3 軟件設計流程圖

根據(jù)軟件設計流程圖編寫上位機軟件如圖4、圖5 所示。

圖4 虛擬儀器界面設計圖

圖5 虛擬儀器底程序設計圖

3 誤差分析

隨著科學技術的日益發(fā)展和人們認識水平的不斷提高，雖然可以將誤差控制的越來越小，但終究不能完全消除它。誤差的分析與評定在測試領域中尤為關鍵，是檢驗測試系統(tǒng)性能的重要指標。

3.1 誤差來源

本系統(tǒng)的誤差來源主要是在測量傳感器之間距離s 時來自量具的儀器誤差Δs 和來自于計數(shù)器計時的誤差。計數(shù)誤差表現(xiàn)為當時間計數(shù)器清零并開始計數(shù)時， 由于計數(shù)器由時標脈沖下降沿觸發(fā)，所以可能出現(xiàn)計數(shù)器剛開始計數(shù)時時標脈沖就出現(xiàn)一個下降沿，而停止計數(shù)正好在一個下降沿結(jié)束后，這樣所計數(shù)的時間比實際時間多一個脈沖;同樣，如果開始計數(shù)是在下降沿剛出現(xiàn)后，而結(jié)束計數(shù)是在下降沿出現(xiàn)前， 會導致計數(shù)時間比實際時間少一個脈沖，造成計數(shù)誤差。計數(shù)誤差范圍為(-1/f，1/f)，在此區(qū)間上平均分布。

此外， 環(huán)境因素所帶來的影響是多方面的，由于溫度、氣壓和水汽的影響，空氣折射率分布不均勻，折射率的梯度造成的光線發(fā)生彎曲;由于高速運動還會帶來空氣的氣流變化和氣體震動而引起對光路的干擾。加之一些不確定因素，主要反映在電信號上，環(huán)境影響帶入了電平的抖動以及一些高頻和低頻的干擾。但這些干擾一般在電路中可以去掉或忽略。

3.2 誤差綜合評定

根據(jù)以上誤差的來源分析和誤差理論， 對式(2)求導得到誤差：

為依據(jù)國標QBT2443-1999 的規(guī)定計算。規(guī)定一級鋼卷尺自零點端起到任意線紋的示值誤差限為：Δ=(0.1+0.1L)mm，L 單位為m。若測試距離取0.3m，Δs 取0.03mm，待測運動物體速度為300m/s，那么將數(shù)據(jù)代入式(4)得到系統(tǒng)測速的最大相對誤差為：

4 實驗數(shù)據(jù)及結(jié)構(gòu)分析

本測速系統(tǒng)已成功應用在雙級空氣炮彈射物體測速實驗中，實驗數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 測速數(shù)據(jù)表

5 結(jié)語

建立了基于紅外光電開關的測速系統(tǒng)，分析了測試系統(tǒng)的誤差，現(xiàn)場試驗結(jié)果證明該方法能夠?qū)⒏咚僦本€運動物體的測試誤差保證在0.0015%以內(nèi)。本系統(tǒng)僅用一套對射型光電發(fā)射/接收裝置，預想進一步提高整個測速系統(tǒng)的測速精度，可采取在測速軌道上多安置幾組光電開關來一同測速，最后將各組測試數(shù)值取均值得出最終數(shù)據(jù)。