CN101655505B - 一种用多路平行光敏阵列进行非接触速度测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明一种用多路平行光敏阵列进行非接触速度测量装置，该装置由激光器、光敏三极管阵列、同步采集卡和信号处理单元四部分组成，激光器固定于运动目标之上，光敏三极管阵列置于运动目标运动轨迹的下方，光敏三极管阵列的排列方向与激光器垂直、与运动目标运动方向一致，信号采集卡安装于计算机上；当运动目标从光敏三极管阵列上方掠过，激光则以相同的运动方式扫过光敏三极管阵列，从而使光敏三极管阵列产生一系列脉冲信号，并被脉冲信号采集卡采集，最终通过计算机系统运算处理，得到测量结果。本发明在速度测量过程中能够满足测速范围大、精度高、动态特性好、可溯源等要求，它在非接触速度测量领域内具有广泛地实用价值和应用前景。

Description

一种用多路平行光敏阵列进行非接触速度测量装置

(一)技术领域：

本发明涉及一种用多路平行光敏阵列进行非接触速度测量装置，可以对速度、位移、加速度等运动参数进行动态测量，属于计算机测量技术领域。

(二)背景技术：

目前，人们所研究的速度测量方法主要可分为接触测量和非接触测量两种。前者缺点是对于物体的运动姿态和运行速度均有影响；动态特性差、随机性大、测量精度低、受实验环境的限制、操作繁琐、效率低等；后者在动态性，测量精度等方面有所提高，但是也有其自身的缺点。

接触测量法测量可分为：铜丝网靶、箔靶和网丝-惯性靶等；非接触测量法可分为：天幕靶、线圈靶、激光靶、光电靶、声靶以及测速仪等。

接触测量法，其接触测量传感器主要有铜丝网靶(物体通过网靶时会将金属丝切断，产生一个电压突变信号控制定时器计时，计算速度)、箔靶(物体穿靶瞬间接通两层金属箔片)等。

非接触测量法，其非接触测量传感器主要有天幕靶(以自然光为光源，根据光电转换原理制成的一种非接触式的区截装置，其受环境光线的影响较大)、线圈靶(以电磁感应原理工作的非接触式测速方法，不能用于非导磁材料测量)、多普勒雷达测速(运用多普勒效应，探测物体在运动过程中引起的探测雷达的频率的变化，价格昂贵、体积庞大，且产生明显的电磁辐射)等。

(三)发明内容：

1、目的：本发明的目的在于提供一种用多路平行光敏阵列进行非接触速度测量装置，它在速度测量过程中能够满足测速范围大、精度高、动态特性好、可溯源等要求。

2、技术方案：本发明一种用多路平行光敏阵列进行非接触速度测量装置，该装置由激光器、光敏三级管阵列、同步采集卡和信号处理单元四部分组成，该装置示意图如图1所示；该图1反映了本发明所述装置的工作原理，其激光器固定于运动目标之上，光敏三极管阵列置于运动目标运动轨迹的下方，光敏三级管阵列的排列方向与激光器垂直且与运动目标运动方向一致，信号采集卡安装于计算机(工控机)上；当运动目标从光敏三极管阵列上方掠过，激光则以相同的运动方式扫过光敏三极管阵列，从而使光敏三极管阵列产生一系列脉冲信号，并被脉冲信号采集卡采集，最终通过计算机系统运算处理，得到测量结果。

所述激光器，是选用出射光为一字线形的激光器，它安装在运动目标(滑块)上。其作用是使发光的激光器带有运动目标的运动信息。

所述光敏三级管阵列，是由光敏三极管单元、芯片74LS32(或运算功能)及CPLD(逻辑运算)等组成，它用于接收激光器发出的带有运动信息的激光信号，并可以将接收到的光信号转化为对应的电脉冲信号以被信号采集系统采集。本发明采用多路平行光敏三极管阵列同时测量，每一路信号输出独立。光敏三极管选用贴片式封装以减小其体积占用空间，以便能使阵列更加密集。

所述同步采集卡是变频脉冲信号采集卡，可利用单周期频率测量原理，实现对脉冲信号的测量。同步采集卡具有外部时钟同步功能，可实现多模块同步采集。由于每一路光敏三极管阵列信号输出都是独立的，因此，需用到多块变频脉冲信号采集卡。每一块采集卡对应采集一路光敏三极管阵列信号的输出。各路信号采集同步进行。

所述信号处理单元是利用计算机VC程序，对采集数据进行运算处理。

当运动目标沿花键轴向前运动时，激光在光敏三级管阵列上掠过，光敏三级管阵列输出脉冲序列信号。该脉冲序列中任意二脉冲间的时间间隔T_i就是运动目标掠过光敏元件阵列相应元件位置时，通过L_i距离所需的时间。在该区间上，运动速度的平均值V_i

$V_i=\frac{L_i}{T_i}---\left(1\right)$

此平均速度就是该测量方法在该区间上中心位置的瞬时速度。

但是，另一方面，L_i越大，则测量的动态特性越低；因此，本发明采用了多路密集交错的光电阵列来解决精度与动态特性的问题。如选用四路，如图2所示，每路光敏三极管水平相错固定距离，每路的测量信号单独输出。其中，光敏三极管选用贴片式封装以减小其体积占用空间，以便能使阵列更加密集。激光器则选用抗冲击能力强的一字线形激光器，一字形激光器与光敏三级管阵列的排列方向垂直。当激光器从光敏三级管阵列上掠过时，各路将分别产生脉冲信号。对各路的脉冲信号进行单独采集，最终对这些等间隔相错的脉冲信号进行运算处理和数据拟合，得到相对高精度的速度测量值。

由于线运动的速度、加速度和位移三者之间可以通过求微分和积分相互推导求出，如下式：

$v=\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{dt}},$ $a=\frac{\mathrm{dv}}{\mathrm{dt}}=\frac{d^{2}x}{{\mathrm{dt}}^2}---\left(2\right)$

因此，该测量方法同样可以适用于测量线运动目标的加速度和位移。

3、优点及功效：本发明与现有技术相比，其优点是：

1)本发明感光元件选用型号为PT600的贴片式的光敏三极管，其具有体积小(1.6mm×1.6mm)，响应速度快的特点。光敏三极管阵列可以排列的非常密集，因此，可以根据测量精度及动态测量指标要求，调整光敏三极管阵列的排列密集程度，使之能够满足高精度测量。

2)本发明采用多路平行光敏三极管测量，每一路排列方式完全相同，但相邻两路都相错固定距离。每一路测量信号输出独立，但各路输出信号之间具有一定关系，通过对各路信号的综合分析处理，使测量运算结果在可以满足高精度测量的同时，提高速度测量的动态特性。

3)本发明可测量范围大，精度高，并具有可溯源性。光敏三极管PT600的上升沿和下降沿的响应时间均为10us，以相邻两光敏三极管相距6mm、测量最大速度为30m/s为例，经误差合成分析及计算，精度可达0.5％。能够满足高精度测量。

4)本发明结构简单，可控性好，对环境要求低，例如受环境的温度、光线、湿度、电磁场干扰等影响很小，易于实现。

5)本发明可以同时用于测量速度、加速度和位移等运动参数，由于其精度较高，可以用于对速度传感器、加速度传感器、位移传感器的校准。

(四)附图说明：

图1本发明所述的速度测量装置示意图

图2光敏三极管阵列示意图

图3光敏三极管阵列单元电路图

图4光敏三极管阵列信号测量流程图

图5数据采集与处理流程图

图中符号说明如下：

1激光器；2光敏三级管阵列；3同步采集卡；4信号处理单元；

L相邻两光敏三极管中心距；d相邻两路对应光敏三极管水平中心距；

t11-t1n第一路光敏三极管相对应的脉冲信号上升沿的采集时间；

t21-t2n第二路光敏三极管相对应的脉冲信号上升沿的采集时间；

t31-t3n第三路光敏三极管相对应的脉冲信号上升沿的采集时间；

t41-t4n第四路光敏三极管相对应的脉冲信号上升沿的采集时间。

(五)具体实施方式：

本发明一种用多路平行光敏阵列进行非接触速度测量装置，该装置由激光器1、光敏三级管阵列2、同步采集卡3和信号处理器4四部分组成，如图1所示。

所述激光器1，是选用一字线型激光器，其波长为650nm，线宽在0.5m范围内≤0.5mm，光束发散度：0.3-1.5mrad，它安装在运动目标滑块上；

所述光敏三级管阵列2，是由光敏三极管单元、芯片74LS32(或运算功能)及CPLD(逻辑运算)等组成。其中，光敏三极管单元由等距离分布在电子线路板上型号为PT600的光敏三极管及其附加电路组成，水平方向相邻的两光敏三极管中心距记为Lmm，位置精度±0.05mm；其中L的大小取决于测量的精度要求，L越大，则测量精度较高。为提高速度测量的动态性，整个光敏三极管阵列2由多路平行，且每一路相错一定距离的光敏三极管阵列组成，每一路光敏三极管阵列信号输出都是独立的。

所述同步采集卡3是变频脉冲信号采集卡，可利用单周期频率测量原理，实现对脉冲频率信号的测量。该采集卡可以通过软件触发、外部硬件信号触发，启动数据采集；并具有外部时钟同步功能，可实现多模块同步采集。

本同步采集卡3采用100MHz、5×10-7的基准频率；在CPLD内部实现24位高速计数器；由3个9位、8K高速FIFO(先进先出)存储器组成24位的数据缓冲器；单周期测量的等效采样周期为6Hz～100kHz，测量不确定度为5×10-7～10-3。

同步采集卡3的工作过程如下：

CPLD内部的24位同步计数器模块对时钟信号进行循环计数；当被测信号(变频脉冲信号)的上升沿到来时，对同步计数器的当前计数值进行锁存，记为Ni，然后将Ni的高8位、中8位、低8位分别压入3个高速FIFO存储器中；下一个上升沿到来时，同样对计数值进行锁存，记为Ni+1，同样将Ni+1的高8位、中8位、低8位分别压入3个高速FIFO存储器中；

不断查询FIFO存储器的半满标志，当其有效时，就从FIFO连续读取一帧数据(256个数据)，以二进制的形式存到计算机中，直到采集过程结束。

所述信号处理单元4是利用计算机系统进行数据处理，通过VC编程对同步采集卡3采集到的二进制数据进行预处理(滤波、消除粗大误差)和最终数据运算。

其中，单周期测量数据转换为非等周期频率采样序列过程如下：

记，频率测量板基准时钟频率：f_T(Hz)，A/D采样频率：f_S(Hz)。

在第i(i＝0，1，2，…)个周期，24位计数器的高、中、低三个8位计数器的计数值分别为：NH_i、NM_i、NL_i；计数值N_i(N₀＝0)：

N_i＝2¹⁶×NH_i+2⁸×NM_i+NL_i，i＝1，2，…             (3)

测量值(填充脉冲数)P_i：

如果N_i＞N_i-1，P_i＝N_i-N_i-1，1，2，…               (4)

否则，P_i＝2²⁴-N_i+N_i-1，i＝1，2，…                (5)

被测频率信号的第i个周期的测量值T_i：

T_i＝P_i/f_T，i＝1，2，…                (6)

一字线形激光器垂直固定于运动目标下方，光线方向向下，且一字线方向与运动方向垂直。运动目标只能做水平方向运动。光敏三极管阵列2水平置于运动目标运动轨迹竖直下方的一定距离内，距离激光器头约7cm，且使光敏三极管阵列2的排列方向与运动目标运动方向完全一致。光敏三极管阵列的信号输出通过转接电路与同步采集卡3相连。同步采集卡3通过ISA总线，插于计算机(工控机)上，每一块同步采集卡3都有自己的物理地址以示区分。测量过程中，可以通过软件触发或外部硬件信号触发，启动数据采集。

激光器1选用抗冲击能力强的一字线形激光器(波长为650nm，线宽在0.5m范围内≤0.5mm，光束发散度：0.3-1.5mrad)，固定于运动目标上，运动目标采用滑块形式，运动形式为水平线运动方式。激光器1的固定应使得一字形激光与光敏三级管阵列2的排列方向垂直。

光敏三级管阵列2电路工作原理图如图4所示；光敏三级管阵列2主要由光敏三极管单元、芯片74LS32(或运算功能)及CPLD(逻辑运算)等组成，光敏三极管阵列的排列长度可据具体测量要求而定。当所有光敏三极管没有接受光照时，电路总的输出为低电平；当激光器1照在任意一个光敏三极管上时，光敏三极管导通，光敏三极管单元输出变为高，光敏三极管单元电路图如图3所示，此时的高电平输出经过电路的或运算后，导致总输出变为高。这样，通过检测电路输出的高电平频率，就可以得到相应时间，且光敏三极管的排列间距是已知的，就可以求出激光(运动目标)经过这段距离的平均速度。

为了提高速度测量的动态特性及精度，采用四路光电阵列进行同时测量。每一路保持独立，且布局结构与工作原理完全相同，只是每一路对应光敏三极管水平相错一定距离。当线形激光垂直扫过光敏三极管阵列时，每一路都将输出一系列的脉冲信号，因为每一路的光敏三极管阵列具有一定的位移关系，因此所采集到的脉冲信号也具有一定的联系。因此，通过对于所采集到的单独的脉冲信号进行数据的拟合处理，得到速度的测量曲线。测量信号采集流程图如图5所示。

Claims (1)

1.一种用多路平行光敏阵列进行非接触速度测量装置，其特征在于：该装置由激光器、光敏三级管阵列、同步采集卡和信号处理单元四部分组成，激光器固定于运动目标之上，光敏三极管阵列置于运动目标运动轨迹的下方，它排列的方向与激光器垂直且与运动目标运动方向一致，同步采集卡安装于计算机即工控机上；

所述激光器，是选用出射光为一字线形的激光器，它安装在运动目标即滑块上，使发光的激光器带有运动目标的运动信息；

所述光敏三级管阵列，是由光敏三极管单元、运算功能芯片74LS32、及逻辑运算CPLD组成，它用于接收激光器发出的带有运动信息的激光信号，并将接收到的光信号转化为对应的电脉冲信号以被信号采集系统采集；本装置采用多路平行光敏三极管阵列同时测量，每一路信号输出独立；光敏三极管选用贴片式封装使阵列更加密集；

所述同步采集卡是变频脉冲信号采集卡，实现对脉冲信号的测量；同步采集卡具有外部时钟同步功能，实现多模块同步采集；采用多块同步采集卡，每一块同步采集卡对应采集一路光敏三极管阵列信号的输出，各路信号采集同步进行；

所述信号处理单元是利用计算机VC程序，对采集数据进行运算处理。

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