專利名稱：一種用多路平行光敏陣列進(jìn)行非接觸速度測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用多路平行光敏陣列進(jìn)行非接觸速度測量裝置，可以對速度、位移、加速度等運(yùn)動參數(shù)進(jìn)行動態(tài)測量，屬于計(jì)算機(jī)測量技術(shù)領(lǐng)域。
(二)
背景技術(shù)：
目前，人們所研究的速度測量方法主要可分為接觸測量和非接觸測量兩種。前者缺點(diǎn)是對于物體的運(yùn)動姿態(tài)和運(yùn)行速度均有影響；動態(tài)特性差、隨機(jī)性大、測量精度低、受實(shí)驗(yàn)環(huán)境的限制、操作繁瑣、效率低等；后者在動態(tài)性，測量精度等方面有所提高，但是也有其自身的缺點(diǎn)。
接觸測量法測量可分為銅絲網(wǎng)靶、箔靶和網(wǎng)絲一慣性靶等；非接觸測量法可分為天幕靶、線圈靶、激光靶、光電靶、聲靶以及測速儀等。
接觸測量法，其接觸測量傳感器主要有銅絲網(wǎng)靶(物體通過網(wǎng)耙時(shí)會將金屬絲切斷，產(chǎn)生一個(gè)電壓突變信號控制定時(shí)器計(jì)時(shí)，計(jì)算速度)、箔靶(物體穿靶瞬間接通兩層金屬箔片)等。
非接觸測量法，其非接觸測量傳感器主要有天幕耙(以自然光為光源，根據(jù)光電轉(zhuǎn)換原理制成的一種非接觸式的區(qū)截裝置，其受環(huán)境光線的影響較大)、線圈靶(以電磁感應(yīng)原理工作的非接觸式測速方法，不能用于非導(dǎo)磁材料測量)、多普勒雷達(dá)測速(運(yùn)用多普勒效應(yīng)，探測物體在運(yùn)動過程中引起的探測雷達(dá)的頻率的變化，價(jià)格昂貴、體積龐大，且產(chǎn)生明顯的電磁輻射)等。
(三)

發(fā)明內(nèi)容
1、 目的本發(fā)明的目的在于提供一種用多路平行光敏陣列進(jìn)行非接觸速度測量裝置，它在速度測量過程中能夠滿足測速范圍大、精度高、動態(tài)特性好、可溯源等要求。
2、 技術(shù)方案本發(fā)明一種用多路平行光敏陣列進(jìn)行非接觸速度測量裝置，該裝置由激光器、光敏三級管陣列、同步采集卡和信號處理單元四部分組成，該裝置示意圖如圖1所示；該圖1反映了本發(fā)明所述裝置的工作原理，其激光器固定于運(yùn)動目標(biāo)之上，光敏三極管陣列置于運(yùn)動目標(biāo)運(yùn)動軌跡的下方，光敏三級管陣列的排列方向與激光器垂直且與運(yùn)動目標(biāo)運(yùn)動方向一致，信號采集卡安裝于計(jì)算機(jī)(工控機(jī))上；當(dāng)運(yùn)動目標(biāo)從光敏三極管陣列上方掠過，激光則以相同的運(yùn)動方式掃過光敏三極管陣列，從而使光敏三極管陣列產(chǎn)生一系列脈沖信號，并被脈沖信號采集卡采集，最終通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)運(yùn)算處理，得到測量結(jié)果。
所述激光器，是選用出射光為一字線形的激光器，它安裝在運(yùn)動目標(biāo)(滑塊)上。其作用是使發(fā)光的激光器帶有運(yùn)動目標(biāo)的運(yùn)動信息。
所述光敏三級管陣列，是由光敏三極管單元、芯片74LS32 (或運(yùn)算功能)及CPLD (邏輯運(yùn)算)等組成，它用于接收激光器發(fā)出的帶有運(yùn)動信息的激光信號，并可以將接收到的光信號轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的電脈沖信號以被信號采集系統(tǒng)采集。本發(fā)明采用多路平行光敏三極管陣列同時(shí)測量，每一路信號輸出獨(dú)立。光敏三極管選用貼片式封裝以減小其體積占用空間，以便能使陣列更加密集。
所述同步采集卡是變頻脈沖信號采集卡，可利用單周期頻率測量原理，實(shí)現(xiàn)對脈沖信號的測量。同步采集卡具有外部時(shí)鐘同步功能，可實(shí)現(xiàn)多模塊同步采集。由于每一路光敏三極管陣列信號輸出都是獨(dú)立的，因此，需用到多塊變頻脈沖信號采集卡。每一塊采集卡對應(yīng)采集一路光敏三極管陣列信號的輸出。各路信號采集同步進(jìn)行。
所述信號處理單元是利用計(jì)算機(jī)VC程序，對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理。當(dāng)運(yùn)動目標(biāo)沿花鍵軸向前運(yùn)動時(shí)，激光在光敏三級管陣列上掠過，光敏三級
管陣列輸出脈沖序列信號。該脈沖序列中任意二脈沖間的時(shí)間間隔《就是運(yùn)動目標(biāo)掠過光敏元件陣列相應(yīng)元件位置時(shí)，通過A距離所需的時(shí)間。在該區(qū)間上，運(yùn)
動速度的平均值^
^丄 (1)石
此平均速度就是該測量方法在該區(qū)間上中心位置的瞬時(shí)速度。但是，另一方面，A越大，則測量的動態(tài)特性越低；因此，本發(fā)明采用了多路密集交錯(cuò)的光電陣列來解決精度與動態(tài)特性的問題。如選用四路，如圖2所示，每路光敏三極管水平相錯(cuò)固定距離，每路的測量信號單獨(dú)輸出。其中，光敏三極管選用貼片式封裝以減小其體積占用空間，以便能使陣列更加密集。激光器則選 用抗沖擊能力強(qiáng)的一字線形激光器，一字形激光器與光敏三級管陣列的排列方向 垂直。當(dāng)激光器從光敏三級管陣列上掠過時(shí)，各路將分別產(chǎn)生脈沖信號。對各路 的脈沖信號進(jìn)行單獨(dú)采集，最終對這些等間隔相錯(cuò)的脈沖信號進(jìn)行運(yùn)算處理和數(shù) 據(jù)擬合，得到相對高精度的速度測量值。
由于線運(yùn)動的速度、加速度和位移三者之間可以通過求微分和積分相互推導(dǎo) 求出，如下式
<formula>formula see original document page 5</formula>
因此，該測量方法同樣可以適用于測量線運(yùn)動目標(biāo)的加速度和位移。 3、優(yōu)點(diǎn)及功效本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其優(yōu)點(diǎn)是
1) 本發(fā)明感光元件選用型號為PT600的貼片式的光敏三極管，其具有體積 小(1.6mmX1.6mm)，響應(yīng)速度快的特點(diǎn)。光敏三極管陣列可以排列的非常密 集，因此，可以根據(jù)測量精度及動態(tài)測量指標(biāo)要求，調(diào)整光敏三極管陣列的排列 密集程度，使之能夠滿足高精度測量。
2) 本發(fā)明采用多路平行光敏三極管測量，每一路排列方式完全相同，但相 鄰兩路都相錯(cuò)固定距離。每一路測量信號輸出獨(dú)立，但各路輸出信號之間具有一 定關(guān)系，通過對各路信號的綜合分析處理，使測量運(yùn)算結(jié)果在可以滿足高精度測 量的同時(shí)，提高速度測量的動態(tài)特性。
3) 本發(fā)明可測量范圍大，精度高，并具有可溯源性。光敏三極管PT600的 上升沿和下降沿的響應(yīng)時(shí)間均為10us，以相鄰兩光敏三極管相距6mm、測量最 大速度為30m/s為例，經(jīng)誤差合成分析及計(jì)算，精度可達(dá)0.5%。能夠滿足高精 度測量。
4) 本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，可控性好，對環(huán)境要求低，例如受環(huán)境的溫度、光線、 濕度、電磁場干擾等影響很小，易于實(shí)現(xiàn)。
5) 本發(fā)明可以同時(shí)用于測量速度、加速度和位移等運(yùn)動參數(shù)，由于其精度 較高，可以用于對速度傳感器、加速度傳感器、位移傳感器的校準(zhǔn)。


圖1本發(fā)明所述的速度測量裝置示意2光敏三極管陣列示意圖
圖3光敏三極管陣列單元電路圖
圖4光敏三極管陣列信號測量流程圖
圖5數(shù)據(jù)采集與處理流程圖
圖中符號說明如下
1激光器；2光敏三級管陣列；3同步采集卡；4信號處理單元； L相鄰兩光敏三極管中心距；d相鄰兩路對應(yīng)光敏三極管水平中心距; t ll^tln第一路光敏三極管相對應(yīng)的脈沖信號上升沿的采集時(shí)間； t21—t2n第二路光敏三極管相對應(yīng)的脈沖信號上升沿的采集時(shí)間； t31—t3n第三路光敏三極管相對應(yīng)的脈沖信號上升沿的采集時(shí)間； t41一t4n第四路光敏三極管相對應(yīng)的脈沖信號上升沿的采集時(shí)間。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明一種用多路平行光敏陣列進(jìn)行非接觸速度測量裝置，該裝置由激光器 1、光敏三級管陣列2、同步采集卡3和信號處理器4四部分組成，如圖1所示。
所述激光器l，是選用一字線型激光器，其波長為650nm，線寬在0.5m范 圍內(nèi)《0.5mm，光束發(fā)散度0.3—1.5mrad，它安裝在運(yùn)動目標(biāo)滑塊上；
所述光敏三級管陣列2，是由光敏三極管單元、芯片74LS32 (或運(yùn)算功能) 及CPLD (邏輯運(yùn)算)等組成。其中，光敏三極管單元由等距離分布在電子線路 板上型號為PT600的光敏三極管及其附加電路組成，水平方向相鄰的兩光敏三 極管中心距記為Lmm,位置精度土0.05mm;其中L的大小取決于測量的精度要求， L越大，則測量精度較高。為提高速度測量的動態(tài)性，整個(gè)光敏三極管陣列2由 多路平行，且每一路相錯(cuò)一定距離的光敏三極管陣列組成，每一路光敏三極管陣 列信號輸出都是獨(dú)立的。
所述同步采集卡3是變頻脈沖信號采集卡，可利用單周期頻率測量原理，實(shí) 現(xiàn)對脈沖頻率信號的測量。該采集卡可以通過軟件觸發(fā)、外部硬件信號觸發(fā)，啟 動數(shù)據(jù)采集；并具有外部時(shí)鐘同步功能，可實(shí)現(xiàn)多模塊同步采集。
本同步采集卡3采用lOOMHz、 5x10-7的基準(zhǔn)頻率；在CPLD內(nèi)部實(shí)現(xiàn)24 位高速計(jì)數(shù)器；由3個(gè)9位、8K高速FIFO (先進(jìn)先出)存儲器組成24位的數(shù) 據(jù)緩沖器；單周期測量的等效采樣周期為6Hz 100kHz，測量不確定度為5xl0-7~10-3。
同步采集卡3的工作過程如下
CPLD內(nèi)部的24位同步計(jì)數(shù)器模塊對時(shí)鐘信號進(jìn)行循環(huán)計(jì)數(shù)；當(dāng)被測信號
(變頻脈沖信號)的上升沿到來時(shí)，對同步計(jì)數(shù)器的當(dāng)前計(jì)數(shù)值進(jìn)行鎖存，記為
Ni，然后將Ni的高8位、中8位、低8位分別壓入3個(gè)高速FIFO存儲器中； 下一個(gè)上升沿到來時(shí)，同樣對計(jì)數(shù)值進(jìn)行鎖存，記為Ni+l，同樣將Ni+l的高 8位、中8位、低8位分別壓入3個(gè)高速FIFO存儲器中；
不斷查詢FIFO存儲器的半滿標(biāo)志，當(dāng)其有效時(shí)，就從FIFO連續(xù)讀取一幀 數(shù)據(jù)(256個(gè)數(shù)據(jù))，以二進(jìn)制的形式存到計(jì)算機(jī)中，直到采集過程結(jié)束。
所述信號處理單元4是利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過VC編程對同步 采集卡3采集到的二進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理(濾波、消除粗大誤差)和最終數(shù)據(jù)運(yùn) 算。
其中，單周期測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為非等周期頻率采樣序列過程如下 記，頻率測量板基準(zhǔn)時(shí)鐘頻率A (Hz)， A/D采樣頻率/s (Hz)。 在第/(f-0,1,2，…)個(gè)周期，24位計(jì)數(shù)器的高、中、低三個(gè)8位計(jì)數(shù)器的 計(jì)數(shù)值分別為AW。 WM,、 計(jì)數(shù)值W, (7V。 =0):
7V, = 2'、冊，+2、層，+厄,.，/ = 1，2,'" (3)
測量值(填充脈沖數(shù))S:
如果iV, 尸,=TV,.-iV,屮/ = 1,2，... (4)
否則，戶'=224 -A^+A^， / = 1，2廣. (5)
被測頻率信號的第i個(gè)周期的測量值7^:
7>Wr， "1,2，… (6)
一字線形激光器垂直固定于運(yùn)動目標(biāo)下方，光線方向向下，且一字線方向與 運(yùn)動方向垂直。運(yùn)動目標(biāo)只能做水平方向運(yùn)動。光敏三極管陣列2水平置于運(yùn)動 目標(biāo)運(yùn)動軌跡豎直下方的一定距離內(nèi)，距離激光器頭約7cm，且使光敏三極管陣 列2的排列方向與運(yùn)動目標(biāo)運(yùn)動方向完全一致。光敏三極管陣列的信號輸出通過 轉(zhuǎn)接電路與同步采集卡3相連。同步采集卡3通過ISA總線，插于計(jì)算機(jī)(工 控機(jī))上，每一塊同步采集卡3都有自己的物理地址以示區(qū)分。測量過程中，可以通過軟件觸發(fā)或外部硬件信號觸發(fā)，啟動數(shù)據(jù)采集。
激光器1選用抗沖擊能力強(qiáng)的一字線形激光器(波長為650nm，線寬在0.5m 范圍內(nèi)《0.5mm，光束發(fā)散度0.3—1.5mrad)，固定于運(yùn)動目標(biāo)上，運(yùn)動目標(biāo)采 用滑塊形式，運(yùn)動形式為水平線運(yùn)動方式。激光器1的固定應(yīng)使得一字形激光與 光敏三級管陣列2的排列方向垂直。
光敏三級管陣列2電路工作原理圖如圖4所示；光敏三級管陣列2主要由光 敏三極管單元、芯片74LS32 (或運(yùn)算功能)及CPLD (邏輯運(yùn)算)等組成，光 敏三極管陣列的排列長度可據(jù)具體測量要求而定。當(dāng)所有光敏三極管沒有接受光 照時(shí)，電路總的輸出為低電平；當(dāng)激光器1照在任意一個(gè)光敏三極管上時(shí)，光敏 三極管導(dǎo)通，光敏三極管單元輸出變?yōu)楦?，光敏三極管單元電路圖如圖3所示， 此時(shí)的高電平輸出經(jīng)過電路的或運(yùn)算后，導(dǎo)致總輸出變?yōu)楦摺＿@樣，通過檢測電 路輸出的高電平頻率，就可以得到相應(yīng)時(shí)間，且光敏三極管的排列間距是已知的， 就可以求出激光(運(yùn)動目標(biāo))經(jīng)過這段距離的平均速度。
為了提高速度測量的動態(tài)特性及精度，采用四路光電陣列進(jìn)行同時(shí)測量。每 一路保持獨(dú)立，且布局結(jié)構(gòu)與工作原理完全相同，只是每一路對應(yīng)光敏三極管水 平相錯(cuò)一定距離。當(dāng)線形激光垂直掃過光敏三極管陣列時(shí)，每一路都將輸出一系 列的脈沖信號，因?yàn)槊恳宦返墓饷羧龢O管陣列具有一定的位移關(guān)系，因此所采集 到的脈沖信號也具有一定的聯(lián)系。因此，通過對于所采集到的單獨(dú)的脈沖信號進(jìn) 行數(shù)據(jù)的擬合處理，得到速度的測量曲線。測量信號采集流程圖如圖5所示。
權(quán)利要求
1、一種用多路平行光敏陣列進(jìn)行非接觸速度測量裝置，其特征在于該裝置由激光器、光敏三級管陣列、同步采集卡和信號處理單元四部分組成，激光器固定于運(yùn)動目標(biāo)之上，光敏三極管陣列置于運(yùn)動目標(biāo)運(yùn)動軌跡的下方，它排列的方向與激光器垂直且與運(yùn)動目標(biāo)運(yùn)動方向一致，信號采集卡安裝于計(jì)算機(jī)即工控機(jī)上；所述激光器，是選用出射光為一字線形的激光器，它安裝在運(yùn)動目標(biāo)即滑塊上，使發(fā)光的激光器帶有運(yùn)動目標(biāo)的運(yùn)動信息；所述光敏三級管陣列，是由光敏三極管單元、運(yùn)算功能芯片74LS32、及邏輯運(yùn)算CPLD組成，它用于接收激光器發(fā)出的帶有運(yùn)動信息的激光信號，并將接收到的光信號轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的電脈沖信號以被信號采集系統(tǒng)采集；本裝置采用多路平行光敏三極管陣列同時(shí)測量，每一路信號輸出獨(dú)立；光敏三極管選用貼片式封裝使陣列更加密集；所述同步采集卡是變頻脈沖信號采集卡，實(shí)現(xiàn)對脈沖信號的測量；同步采集卡具有外部時(shí)鐘同步功能，實(shí)現(xiàn)多模塊同步采集；采用多塊同步采集卡，每一塊同步采集卡對應(yīng)采集一路光敏三極管陣列信號的輸出，各路信號采集同步進(jìn)行；所述信號處理單元是利用計(jì)算機(jī)VC程序，對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理。
全文摘要
本發(fā)明一種用多路平行光敏陣列進(jìn)行非接觸速度測量裝置，該裝置由激光器、光敏三級管陣列、同步采集卡和信號處理單元四部分組成，激光器固定于運(yùn)動目標(biāo)之上，光敏三極管陣列置于運(yùn)動目標(biāo)運(yùn)動軌跡的下方，光敏三級管陣列的排列方向與激光器垂直、與運(yùn)動目標(biāo)運(yùn)動方向一致，信號采集卡安裝于計(jì)算機(jī)上；當(dāng)運(yùn)動目標(biāo)從光敏三極管陣列上方掠過，激光則以相同的運(yùn)動方式掃過光敏三極管陣列，從而使光敏三極管陣列產(chǎn)生一系列脈沖信號，并被脈沖信號采集卡采集，最終通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)運(yùn)算處理，得到測量結(jié)果。本發(fā)明在速度測量過程中能夠滿足測速范圍大、精度高、動態(tài)特性好、可溯源等要求，它在非接觸速度測量領(lǐng)域內(nèi)具有廣泛地實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景。
文檔編號G01P3/36GK101655505SQ20091009282
公開日2010年2月24日 申請日期2009年9月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月9日
發(fā)明者任小博, 孟曉風(fēng), 琳 王 申請人:北京航空航天大學(xué)