CN101629963A - 直线运动物体多区截激光光幕测速方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量技术领域的直线运动物体多区截激光光幕测速方法及系统，由激光器发射激光束，沿物体运动方向垂直安装有齿形条的直线运动物体垂直切割激光束，光电转换器接收的激光束在齿形条切割过程中，光通量不断发生改变，光电转换器按照光通量变化的频率产生电脉冲信号，并将电脉冲信号送入放大和滤波电路处理，再由数字电路对每一个脉冲宽度进行计时并实时存入数字电路自身所带的RAM，测量结束后，数字电路再通过数据传输装置将存放在RAM中的所有数据传输到PC机或嵌入式设备上，再绘制速度曲线和经过计算后得到的加速度曲线。本发明利用多区截激光光幕测速原理，实现对直线运动物体特定距离内的速度的全过程精确测量。

Description

直线运动物体多区截激光光幕测速方法及系统

技术领域

本发明涉及一种测量技术领域的测速方法及系统，具体地说，涉及的是一种直线运动物体多区截激光光幕测速方法及系统。

背景技术

现有技术对直线运动物速度的测量主要使用非接触式测量技术，目前应用比较多的非接触式测量技术有线圈靶测速、雷达测速、激光多普勒测速、高速摄影、光幕测速等。其中线圈靶测速需要先把被测物体磁化，当被测物体通过固定位置的传感器时产生过靶信号，获得物体的瞬时速度，但是由于线圈靶只能测试金属物体，因此有比较大的局限性，同时测量精度也不是很高，且不适用于高精度的全过程测量；高速摄影准确度较低、操作和数据处理繁琐，一般用于精度要求不高的速度测量；雷达测速和激光多普勒测速都是以多普勒效应原理为基础，只是波长不一样，具有精度高、能多点测量的特点，但是设备的造价成本比较高，维护不方便，同时由于小型的目标不易捕捉，因此不适用于小物体的测量；光幕测速以LED、激光等为光源，当被测物体通过光幕时，光接收器光通量改变，经过光电转换后产生过

靶电脉冲信号，具有测试精度高，便于维护，成本低等特点，在高度运动物体速度测量上应用非常广。

经对现有技术的文献检索发现，专利申请号为02156675.5的高速飞行物体激光测速方法及测量仪正是一种基于激光光幕测速方法的测速设备，其基本原理如下：激光器输出激光，经过光束整形器整形后，被分束镜分成两束光，再经反射镜反射，两束光分别形成两束平行的光学光幕，然后经过聚焦透镜将光束分别汇聚于光电转换器，光电转换器的输出信号分别经过低噪声放大器和电平转换器达到TTL电平，再输入到逻辑分析器中对所得到的光脉冲信号进行逻辑分析和计时间，由数字处理器控制逻辑分析器得到计时数据，并在数字显示器中显示。

上述专利对小型运动物体通过特定位置的瞬时速度能进行精确测量，但不能对物体的运动状况进行全过程测量，不能获得运动物体的加速度、减速度等运动状况，不适用于非匀速运动物体。原因如下：(1)通过分束镜将激光分成两束光，再通过反射镜形成两束平行的光学光幕，通过计算物体先后通过光幕中两光束的时间差来计算物体运动速度，由于分束镜和整形器以及接收端的光电转换器体积的限制，光幕中的两平行光束的距离不可能做的很小，因此该测速仪测得速度是物体通过光幕中两平行光束的平均速度，对于非匀速运动的物体，不仅不能获得其加、减速度，同时对于测量点的瞬时速度也不能进行高精度测量。(2)在物体的运动轨迹上连续放置该测速仪，可测量物体运动过程中多点的速度数据，但测得数据不具有连续性，并不能进行物体运动的全过程测量，同时，由于测量一点速度值就需要一台该测速仪，当测量距离增大，测量点增多时，花费的随之增大。

发明内容

本发明针对现有技术的不足与缺陷，提供一种直线运动物体多区截激光光幕测速方法及系统，即由激光器发射激光束产生激光光幕，并通过将物体的运动路径分成若干个长度为已知的区间，每个区间包括一个遮光面和一个通光面，由此构成多区截区域，使得对物体通过多区截区域中每个区间的速度值的测量转化为对该区间遮光面和通光面切割激光束所需的时间值的测量，再利用光电脉冲触发硬件计数原理测量每个区间切割激光束的时间值并转换为对应区间内物体运动的速度值，使其具有对直线运动物体实现特定距离内的速度的全过程精确测量的功能。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明所涉及的直线运动物体多区截激光光幕测速方法，由激光器发射激光束，齿形条沿物体运动方向垂直安装在直线运动物体上，齿形条上每相邻的矩形齿和矩形孔作为一个齿形区间，整个齿形条即为有多个齿形区间构成的多区截区域，安装有齿形条的直线运动物体垂直切割激光束，齿形条和激光束相对运动形成多区截激光光幕，光电转换器接收的激光束在齿形条切割过程中，光通量不断发生改变，光电转换器按照光通量变化的频率产生电脉冲信号，并将电脉冲信号送入放大和滤波电路处理，再由数字电路对每一个脉冲宽度进行计时并实时存入数字电路自身所带的RAM，测量结束后，数字电路再通过控制串口等数据传输装置将存放在RAM中的所有数据传输到PC机或嵌入式设备上，再在PC机或嵌入式设备上计算并绘制速度曲线和经过计算后得到的加速度曲线。

本发明上述方法包括如下步骤：

第一步，将齿形条沿物体运动方向垂直安装在运动物体上，构建切割激光束的多区截区域；

第二步，将激光器和光电转换器分别安装在激光器和光电转换器安装和调节装置上，调节激光器和光电转换器安装和调节装置的高度，使激光器发出的激光束可以完全切割位于运动物体上的齿形条；

第三步，当安装有齿形条的运动物体运动至激光测速范围，齿形条切割激光束产生连续的光脉冲，光电转换器接收连续的光脉冲产生连续的电脉冲；

第四步，电脉冲经过放大、滤波、施密特比较后转化为标准TTL电平输入到数字计时和存储电路；

第五步，数字计时和存储电路记录每相邻两个电脉冲的时间，并将计时数据存入RAM中进行保存；

第六步，通过数据传输技术将存储在RAM中的所有数据按顺序传输至PC或嵌入式设备中，在PC或嵌入式设备中计算并绘制速度曲线，以及通过对速度曲线求导绘制加速度曲线。

在第一步中，齿形条的长度可以根据测速要求和运动物体的尺寸灵活设置。齿形条上间隔出现的矩形齿和矩形孔的宽度可根据测量精度的要求灵活设置，但必须保证矩形齿和矩形孔的宽度均大于照射至齿形条平面的激光束的宽度。

在第二步中，激光器和光电转换器安装和调节装置横跨运动物体运动轨道安装，使激光器和光电转换器分别位于运动轨道的两侧，同时调整激光器和光电转换器安装和调节装置高度，使激光器产生的激光束可以切割齿形条。

在第三步中，安装有齿形条的运动物体运动至激光测速范围并开始切割激光束，按照常规技术，齿形条上的矩形齿遮挡激光束，矩形孔通过激光束，光电转换器由此接收到连续变化的光脉冲并产生相应频率变化的电脉冲。

在第四步中，电脉冲的放大、滤波、施密特比较处理均在脉冲整形电路中实现，根据实际的测速要求设计合适的滤波电路，减小干扰。电脉冲经过脉冲整形后转化为标准的TTL电平供数字计时和存储电路使用。

在第五步中，数字计时和存储电路接收到第一个矩形齿遮光产生的脉冲后，打开计时器，之后每收到一个矩形齿遮光产生的脉冲后，将计时数据锁存，然后通过普通的单稳延迟芯片产生谬秒级的延迟后，先将锁存的每相邻两个脉冲之间的计时数据写入RAM中进行保存，再将计时器清零并开始对下一个齿形区间的脉冲进行计时。

在第六步中，通过数据传输装置接收存储在RAM中的每个齿形区间对应的时间值至PC或嵌入式设备，并通过在PC或嵌入式设备中编写上位机程序，计算并描绘出运动物体运动齿形条长度过程中速度描点图、速度拟合曲线图，并从速度拟合曲线图求得加速度曲线图。

本发明所涉及的直线运动物体多区截激光光幕测速系统，包括有齿形条，激光器和光电转换器安装调节装置，激光器，光电转换器，脉冲整形电路，数字计时和存储电路，数据传输装置，显示设备。齿形条沿物体运动方向垂直安装在运动物体上；激光器和光电转换器安装在激光器和光电转换器安装调节装置上；激光器和光电转换器安装调节装置横跨运动物体运动轨道安装，使激光器和光电转换器分别位于物体运动轨道的两侧，并调节激光器和光电转换器安装调节装置的高度，使安装在运动物体上的齿形条可以在运动过程中切割激光器产生的激光束；脉冲整形电路连接光电转换器，接收由光电转换器产生的电脉冲；数字计时和存储电路连接脉冲整形电路，接收经过脉冲整形电路整形后的TTL脉冲；显示设备通过数据传输装置连接数字计时和存储电路。

上述各部件的光路和电路的信号传输为：安装在激光器和光电转换器的安装调节装置上的激光器发送激光，安装在运动物体上的齿形条随运动物体直线运动并切割激光束形成多区截激光光幕，齿形条上的矩形齿遮挡激光束，矩形孔通过激光束，激光光通量发生变化，安装在激光器和光电转换器的安装调节装置上的光电转换器接收不断变化的激光光通量并转化为电脉冲，电脉冲经过脉冲整形电路后达到标准TTL电平，再输入到数字计时和存储电路，在数字计时和存储电路中通过计数芯片计数晶振脉冲个数获得时间值再将每个时间值存储到RAM中，显示设备通过数据传输装置得到存储在RAM中的时间值，并通过计算得到物体每运动一个齿形区间长度的平均速度，由所有测得速度值绘制物体直线运行整个齿形条长度过程中的速度曲线和经过求导计算后的加速度曲线。

本发明中的直线运动物体多区截光幕测速系统的齿形条沿物体运动方向垂直安装在直线运动物体上，包括在长度和高度上进行压缩和扩展，以及矩形齿和矩形孔宽度的压缩和扩展，激光器和光电转换器安装底座和调整装置宽度和高度的压缩和扩展，使激光器和光电转换器分别位于运动物体运动轨道的两侧，同时使激光束高度可以垂直切割齿形条，激光器和光电转换器分别水平安装于激光器和光电转换器安装调节装置上并处于一条直线，使光电转换器可以完全准确接收激光束。

本发明的方法特别适用于速度变化大的直线运动物体的全过程速度测量，能够准确绘制直线运动物体启动和制动等非匀速运动状态下的速度曲线和加速度曲线。所设计的直线运动物体多区截激光光幕测速系统具有体积小、重量轻、成本低，精度高、使用方便和便于维修等优点。

本发明是基于多区截激光光幕测速原理的测速系统，用于对直线运动的物体进行全过程的速度高精度测量(具体效果见实施例)。该系统可用于测量汽车、列车的启动、行驶和制动过程的速度，可以测量飞机的起飞和降落后制动过程的速度，也可以测量炮弹等攻击性武器的弹射装置的弹射速度等。

附图说明

图1为本发明的直线运动物体多区截激光光幕测速系统结构示意图；

其中：1、齿形条，2、激光器和光电转换器安装调节装置，3、激光器，4、光电转换器，5、脉冲整形电路，6、数字计时和存储电路，7、数据传输装置，8、显示设备。

图2为本发明实施例弹射装置减速过程速度描点及拟合曲线图。

图3为本发明实施例弹射装置减速过程曲线图；

其中：图a为弹射装置减速过程速度和时间拟合图，图b为加速度曲线图。

具体实施方式

下面结合附图1对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例所涉及的直线运动物体多区截激光光幕测速系统，包括有齿形条1，激光器和光电转换器安装调节装置2，激光器3，光电转换器4，脉冲整形电路5，数字计时和存储电路6，数据传输装置7，显示设备8。齿形条1沿物体运动方向垂直安装在运动物体上；激光器3和光电转换器4安装在激光器和光电转换器安装调节装置2上；激光器和光电转换器安装调节装置2横跨运动物体运动轨道安装，使激光器3和光电转换器4分别位于物体运动轨道的两侧，并调节激光器和光电转换器安装调节装置2的高度，使安装在运动物体上的齿形条1可以在运动过程中切割激光器3产生的激光束；脉冲整形电路5连接光电转换器4，接收由光电转换器4产生的电脉冲；数字计时和存储电路6连接脉冲整形电路5，接收经过脉冲整形电路5整形后的TTL脉冲；显示设备8通过数据传输装置7连接数字计时和存储电路6。

其光路和电路的信号传输为：安装在激光器和光电转换器安装调节装置2上的激光器3发送激光，沿物体运动方向垂直安装在运动物体上的齿形条1随物体直线运动并切割激光束，形成多区截激光光幕，齿形条1上的矩形齿遮挡激光束，矩形孔通过激光束，激光光通量发生变化，安装在激光器和光电转换器安装调节装置2上的光电转换器4接收不断变化的激光光通量并转化为电脉冲，电脉冲经过脉冲整形电路5后达到标准TTL电平，再输入到数字计时和存储电路6，数字计时和存储电路6中通过计数芯片计数晶振脉冲个数获得时间值并将每个时间值存储到RAM中，显示设备8通过数据传输装置7得到存储在RAM中的时间值，并通过计算得到物体每运动一个齿形区间长度的平均速度，由所有测得的速度值描绘物体直线运行齿形条长度过程中的速度曲线和经过求导计算后的加速度曲线。

本实施例中，齿形条1垂直安装在水平运动上，包括在长度和高度上进行压缩和扩展，矩形齿和矩形孔宽度的压缩和扩展，激光器3和光电转换器4安装底座和调整装置2宽度和高度的压缩和扩展，使激光器3和光电转换器4分别位于运动物体运动轨道的两侧，同时使激光束高度可以垂直切割齿形条1，激光器3和光电转换器4分别水平安装于激光器和光电转换器安装调节装置2上并处于一条直线，使光电转换器4可以完全准确接收激光束。

本实施例所涉及的直线运动物体多区截激光光幕测速方法是利用上述直线运动物体多区截激光光幕测速系统检测某一弹射装置的减速过程，该弹射装置为水平直线运动，其减速特征为在小于1.5米的距离内从最高速66m/s减速为0.18m/s。根据实际的测速要求，具体实施步骤如下：

1、安装在运动物体上的齿形条1，根据实际被测物体的减速距离小于1.5米的要求，本实施例取齿形条长度为1.5米，并且取齿形条上矩形齿和矩形孔均匀间隔分布，根据矩形齿和矩形孔的宽度均大于照射至齿形条平面的激光束的宽度的要求，由于实施例中照射至齿形条平面的激光束的宽度为0.8毫米，则可取每个齿形区间长度为3毫米，即矩形齿和矩形孔的宽度均为1.5毫米。

2、激光器和光电转换器安装调节装置2安装在被测物体运动轨道的减速段，并将激光器3和光电转换器4安装在直线运动物体运动轨道的两侧，同时调整激光器3和光电转换器4高度，使激光束可以垂直切割齿形条。

激光器3选择GLOBAL LASER公司Beta CW系列中的194-026型激光器，该激光器有激光电源、制冷系统、激光二极管三部分组成，输出波的波长介于660纳米到680纳米之间，光点尺寸标准值为100谬米。

3、光电转换器4，选用AEPX65光敏二极管实现光电信号转换，将齿形条切割激光束后产生的光脉冲信号转化为电脉冲信号，并把电脉冲信号传输到信号调理电路5。

4、信号调理电路5对电脉冲信号加以放大、滤波和施密特比较处理转换成TTL电平。

5、数字计时和存储电路6记录运动物体每水平直线运动一个齿形区间长度的时间。

数字计时和存储电路6接收到第一个矩形齿遮光产生的脉冲后，打开16位计时器，计算由4兆晶振产生的晶振脉冲个数，之后每收到一个矩形齿遮光产生的脉冲后，将计数数据锁存，然后通过普通的单稳延迟芯片产生谬秒级的延迟后，先将锁存的每相邻两个脉冲之间的计时数据写入RAM中进行保存，再将计时器清零并开始对下一个齿形周期脉冲计时。由于矩形齿和矩形孔的宽度的必须大于照射至齿形条平面的激光束宽度，实施例中照射至齿形条平面的激光束的宽度为0.8毫米，则通常取矩形齿和矩形孔宽度均为1.5毫米到3毫米，由此齿形条一个齿形区间长度为3毫米到6毫米。这样安装有齿形条的运动物体通过激光束后，若取齿形条长度为1.5米，即可产生200到500次光脉冲，数字电路记录每次脉冲产生的时间间隔，由时间间隔计算出物体通过一个齿形周期长度的平均速度，如果每个齿形区间长度均选择为3毫米，测速仪最大的测量速度为120m/s，最小测量速度0.2m/s，在高速测量状态，当速度为120m/s时，最大测量误差为0.833％，在低速测量状态，当速度为0.36m/s时，最大测量误差为0.334％。

6、数据传输装置7，将测量结束后存放在RAM中的每一个时间值传输至数字显示设备8中。显示设备8通过每一个齿形条的时间值计算速度值，并显示运动物体在各个矩形孔位置对应的速度值和运动一个齿形条长度的速度曲线图和加速度曲线图，如图2和图3所示，图2为速度和时间描点及拟合曲线图，图3a为速度和时间拟合图，图3b为加速度曲线图。

使用直线运动物体多区截激光光幕测速方法测量直线运动物体，若齿形条1的长度和齿形条上每个齿形区间长度选用实例中的标准制作，即齿形条长度为1.5m，每个齿形区间长度为3mm，则该系统的最大的测量速度为120m/s，最小测量速度0.2m/s，测量距离为齿形条1的长度，即1.5m，可以反映被测物体从激光器3所在的测量点开始后的1.5m距离内整个过程物体速度变化过程。激光器3选择GLOBAL LASER公司Beta CW系列中的194-026型激光器，该激光二极管模块由激光二极管、驱动电路和校准直透镜组成，它们封装在涂有粉末的电绝缘铜体内，每个器件都有一个可调透镜，能发出高度准直的光束。光电转换器4，选用AEPX65光敏二极管，该光敏二极管还具有结电容小，仅为5pf，暗电流小为2nA，内阻小等优点，同时它的响应速度在ns级，能过满足系统工作需要。齿形条1采用线切割慢走丝工艺，最大误差δ₁(Δx)＝0.01mm，激光器和光电转换器安装调节装置2的空间误差为0.0018mm，信号调理电路5和数字计时和存储电路6的计数误差为0.125uS，经过计算可得系统的综合误差为在高速测量状态，当速度为120m/s时，最大测量误差为0.833％，在低速测量状态，当速度为0.36m/s时，最大测量误差为0.334％。

Claims (10)

1、一种直线运动物体多区截激光光幕测速方法，其特征在于包括如下步骤：

第一步，将齿形条沿物体运动方向垂直安装在运动物体上，构建切割激光束的齿形条多区截区域；

第二步，将激光器和光电转换器分别安装在激光器和光电转换器安装和调节装置上，调节激光器和光电转换器安装和调节装置的高度，使激光器发出的激光束能完全切割位于运动物体上的齿形条；

第三步，当安装有齿形条的运动物体运动至激光测速范围，齿形条切割激光束产生连续的光脉冲，光电转换器接收连续的光脉冲产生连续的电脉冲；

第四步，电脉冲经过放大、滤波、施密特比较后转化为标准TTL电平输入到数字计时和存储电路；

第五步，数字计时和存储电路记录每相邻两个电脉冲的时间，并将计时数据存入RAM中进行保存；

第六步，通过数据传输技术将存储在RAM中的所有数据按顺序传输至PC或嵌入式设备中，在PC或嵌入式设备中计算并绘制速度曲线，以及通过对速度曲线求导绘制加速度曲线。

2、根据权利要求1所述的直线运动物体多区截激光光幕测速方法，其特征是，在第一步中，齿形条上间隔出现的矩形齿和矩形孔的宽度必须均大于照射至齿形条平面的激光束的宽度。

3、根据权利要求1所述的直线运动物体多区截激光光幕测速方法，其特征是，在第二步中，激光器和光电转换器安装和调节装置横跨运动物体运动轨道安装，使激光器和光电转换器分别位于运动轨道的两侧，同时调整激光器和光电转换器安装和调节装置高度使激光器产生的激光束能切割齿形条。

4、根据权利要求1所述的直线运动物体多区截激光光幕测速方法，其特征是，在第三步中，安装有齿形条的运动物体运动至激光测速范围并开始切割激光束，齿形条上的矩形孔遮挡激光束，矩形孔通过激光束，光电转换器由此接收到连续变化的光脉冲并产生相应频率变化的电脉冲。

5、根据权利要求1所述的直线运动物体多区截激光光幕测速方法，其特征是，在第四步中，电脉冲的放大、滤波、施密特比较处理均采用脉冲整形电路实现。

6、根据权利要求1所述的直线运动物体多区截激光光幕测速方法，其特征是，在第五步中，数字计时和存储电路接收到第一个矩形齿遮光产生的脉冲后，打开计时器，之后每收到一个矩形齿遮光产生的脉冲后，将计时数据锁存，然后通过普通的单稳延迟芯片产生谬秒级的延迟后，先将锁存的每相邻两个脉冲之间的计时数据写入RAM中进行保存，再将计时器清零并开始对下一个齿形区间脉冲进行计时。

7、根据权利要求1所述的直线运动物体多区截激光光幕测速方法，其特征是，在第六步中，通过数据传输装置接收存储在RAM中的每个齿形周期对应的时间值至PC或嵌入式设备，并通过在PC或嵌入式设备中编写上位机程序，计算并描绘出运动物体运动齿形条长度过程中速度描点图、速度拟合曲线图，并从速度拟合曲线图求得加速度曲线图。

8、一种直线运动物体多区截激光光幕测速系统，其特征在于包括有齿形条、激光器和光电转换器安装调节装置、激光器、光电转换器、脉冲整形电路、数字计时和存储电路、数据传输装置、显示设备，其中：齿形条沿物体运动方向垂直安装在运动物体上，激光器和光电转换器设置在激光器和光电转换器安装调节装置上，激光器和光电转换器安装调节装置横跨运动物体运动轨道设置，激光器和光电转换器分别位于物体运动轨道的两侧，脉冲整形电路连接光电转换器，数字计时和存储电路连接脉冲整形电路，显示设备通过数据传输装置连接数字计时和存储电路；

齿形条随运动物体直线运动切割激光器发送的激光束，光电转换器接收激光光通量并转化为电脉冲，电脉冲经过脉冲整形电路后达到标准TTL电平，再输入到数字计时和存储电路，在数字计时和存储电路中通过计数芯片计数晶振脉冲个数获得时间值再将每个时间值存储到RAM中，显示设备通过数据传输装置得到存储在RAM中的时间值和物体每运动一个齿形区间长度的平均速度，由测得速度值得到加速度曲线。

9、根据权利要求8所述的直线运动物体多区截激光光幕测速系统，其特征是，所述激光器和光电转换器分别水平安装于激光器和光电转换器安装调节装置上并处于一条直线。

10、根据权利要求8所述的直线运动物体多区截激光光幕测速系统，其特征是，所述齿形条上间隔出现的矩形齿和矩形孔的宽度必须大于照射至齿形条平面的激光束的宽度。

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