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高速运动物体的速度测试系统设计姓名：刘建国班级：08050342学号：29目录一、方案简介二、技术指标三、设计原理四、光路设计五、电路设计六、设计收获七、参考文献光电高速物体速度测试系统一方案简介：定距测时法又称区截测速法。它是弹丸在通过间距为Δx精确已知的两点时，产生两个电信号，并利用它们去控制测时仪器，测出物体通过这段距离所需时间Δt，然后根据公式ts计算出物体通过这段距离的平均速度。因此，定距测时系统主要包括电子测时仪和区截装置两部分。电子测时仪用于测定时间间隔Δt，一般由放大整形电路、电子门、振荡器、计数器等组成。产生控制测时过程的电信号，并且标识测时间距的装置称为区截装置。二技术指标：(1)测速范围：50m/s~1000m/s(2)物体尺寸：mmmm30~8(3)有效区域:300mmx300mm(4)电源：220HzVAC50/或±5V/±12V电池组三设计原理：高速运动物体参数测试系统主要用来测量运动物体在高速运动过程中的速度。当运动物体穿过测速靶光幕时，进入光电探测器的光通量会发生变化，通过光电探测器将变化的光信号转化为电流信号，经触发整形后成为具有一定脉冲宽度的触发计时信号，并送计算机进行处理。当计算机获取两个触发计时信号的间隔后，根据靶距，由测速软件进行数据处理，可得到运动物体的速度值及相关试验数据。用两套与上述相同的靶就可构成一套区截装置，可获取运动物体通过两个光幕的时间间隔，得到运动物体的飞行的平均速度。以天幕靶为例，当天幕靶在室外工作时，以天空为背景，由于狭缝光阑的作用，天幕镜头的视场具有一定厚度的扇形，通常称之为天幕。一旦有物体进入天幕，遮住了进入狭缝的部分光线，通过狭缝后面的聚光系统到达光敏元件的光通量会发生变化，光敏元件会产生一个正比于光通量变化的电信号，电路将电信号放大、整形后，最后输出一个脉冲信号，触发计时仪，完成计时功能。测速时，用两台天幕靶与一台计时仪配合(可直接连接计算机进行数据处理)。计时仪给出飞过两靶之间距离的时间△T，弹丸在此距离S内的平均速度口。在计时仪测速中，通常称开始计时的信号为启动信号，停止计时的信号为停止信号。给出启动信号或停止信号的装称为区截装置，两信号之间的时间间隔记录装置称为计时仪靶1和靶2分别为启动信号和停止信号的区截装置，两区截装置之间的弹道线长度L2通常称为靶距。在计时仪测速中，第一个区截装置启动计时仪开始计时，第二个区截装置终止计时仪停止计时。计时仪记录的时间T代表了弹丸飞过靶距L2所经历的时间。测速系统主要是测出靶距L2和时间T，并由此换算出弹丸在此距离上的平均速度。如图所示。测试系统中单片机设计在设计通信软件之前，需对单片机和PC机进行硬件约定，约定每秒传送代码的位数即波特率为9600，信息格式为1个起始位，8个数据位，无数据校验位，1个停止位。为了使数据进行无误的传输，通常把一批数据分成若干组(帧)，并对每一组数据加以必要的信息以标示数据的含义，即通信协议。程序开始时，定义LED显示字型码及控制字码，并初始化各端口、计数器和中断控制寄存器，然后进入测试等待状态，当弹丸穿过启动光幕时，开启计数器1，当弹丸穿过停止光幕时，关闭计数器1，此时可得到通过两光幕的时间出，然后对数据进行处理，并将得到的速度值送到LED进行显示.高速运动物体测试系统数据处理一般高速光电器件产生信号的延迟时间为3～5μs，但由于采用单束光获取信号，使得在一次测量过程中的开始和结束两次信号传输都经过相同的路径，外围器件的延时可以绝大部分抵消；但还是会存在由于器件精度引起的两次延时的微量不同，取1／10最大延迟时间得出△t1=O．5μs。在目标运动速度与光束的方向垂直时，可近似取目标长度L，计算运动目标速度，但当目标并没有严格垂直于光束而有θ的偏转时，L是与目标运动方向相关的量，L'=Lcosθ。假设目标在出口处最大偏差角为1°则可计算出长度误差△L1=LL'=L(1-cosθ)=1．523×10-4L，若取长度L=O．1m计算，则△L1=1．523×10-5m。由于光束不是无限细，所以无法确定目标挡住多少光束时光敏器件会产生信号，假设光束直径(d)为1mm，目标速度(v)为1000m／s时，最大时间误差△t2=d／v=1μs。该设计中采用40MHz的晶振，定时步长为25ns，由于无法确定计数开始时的时钟状态，所以在计数的开始和结束时均可能产生最大一个时钟周期的计数误差，最大误差为△t3=25×2=50ns。被测目标的长度L在测量过程中，由于测量工具的限制，得到的被测目标长度值也不可避免地会存在误差，假设用高精度的游标卡尺测量，测量精度可以达到0．01mm，△L2=0．01mm。通过分析，目标运动距离测量总误差为：△L=△L1+△L2=0.01523+0.01=0.02523mm△t=△t1+△t2+△t3=1.55us当L=1000mm，t=1ms时：v=L/t=1000m/s根据误差传递公式：（△v/v）*100%=(△L/L+△t/t)*100%=[(△Lt=△tL)/tL]*100%=0.157%通过以上计算，系统的总体误差为0．157％，达到较高的精度四光路设计：采用共轭光学系统形成大面积有效靶区（光幕）,如图2所示.DC为圆弧柱面反射镜,F点E点相共轭（光路可逆原理）,位于E处的半导体激光器LD（可选用FU650AD5-BC12波长为650nm红光激光器，直流供电5V）在其驱动电路的驱动下发射激光,准直后经鲍威尔棱镜（鲍威尔棱镜划线优于柱面透镜的划线模式，能消除高斯光束的中心热点和褪色边缘分布）扩束成扇形光幕,垂直于圆弧柱面反射镜的母线入射圆弧柱面反射镜,反射后汇聚于位于F处的光电探测器（光敏二极管PD，选用2CU1B，最大工作电压为20V，响应时间10-7s）上。要实现300mm×300mm有效靶区,设靶框ABCD的尺寸为600mm×600mm。根据作图法和相关几何知识，求得圆柱反射镜的焦距f=341.5mm，所需圆弧柱面反射镜半径R=683mm。半导体激光器放置在距靶框左端A点的水平距离AE=200mm处,光电检测器件放置距靶框右端B的水平距离BF=200mm处。严格讲,图2中由置于E处的点光源射到圆弧反射镜的各条光线中,只有入射到D点,O点,C点的光线能准确汇聚到F点,其他各点的反射光线都会偏离F点而形成像差。像差的大小直观地反映在汇聚光斑的直径大小上,而汇聚光斑的大小必须与光敏探测器件的光敏面积相适应,若光斑大于光敏面面积,则有效靶区内的有些光线未被光敏探测器收集,当破片穿过这些区域时,变化的光通量将无法通过光敏探测器转换成电信号,导致测试失败。经数学建模分析,当保证300mm×300mm有效靶区时,因此,即使考虑到实际使用的半导体激光器具有一定的光斑直径,只要合理选用大面积光敏二极管(如8mm×8mm),完全可以克服由圆弧柱面反射镜所造成的像差。图2五电路设计：信号处理单元包括光电信号转换放大电路和比较器电路组成。光电信号转换放大电路是将高速运动物体通过光幕时产生的光信号转换成电信号，并将电信号放大，根据后一级电路的需要选择合适的电信号的放大倍数。光电信号转换放大电路如图3所示图3使用凌阳16位单片机作为数据采集单元的核心，因此经过放大处理后的信号需送入比较器电路，将放大的模拟信号转换成数字信号，但由于信号上叠加有噪声，如若选用单一的阈值比较器电路，将会在阈值附近产生反转，从而产生误触发。为了有效抑制噪声的影响，该比较器电路选用LM311、R和RES组成滞回比较器，比较电路如图5所示，(a)、(b)分别表示启动电路和停止电路。由启动电路和停止电路输出的方波信号分别输入单片机的外部中断端INT0和INTl，来控制计数器开始计数和停止计数图4数据采集、显示单元由凌阳16位单片机、LED动态显示电路及驱动电路组成，其框图如图5所示。采用单片机来实现对弹丸过靶信号的采集和处理。弹丸通过两个激光光幕时光电探测器接收的光通量会产生变化，经过光电信号转换放大电路和比较电路，输出两路方波信号，最后输入到单片机的外部中断引脚(INT0、INTl)上，当弹丸经过起始光幕时，第一个中断信号输入，并启动计数图5数据采集、显示单元框图器开始计时，当弹丸通过截止光幕时，第二个中断信号输人，计数器停止计时，单片机通过计数器计算出两次中断信号输入的间隔时间，就可得到弹丸通过两光幕区的时间，根据已知两光幕之间的距离，即可计算出弹丸经过两光幕中心的速度。图5软件设计主要由主程序、初始化程序、中断处理程序、数据处理程序及LED显示等组成。程序开始时，定义LED显示字型码及控制字码，并初始化各端口、计数器和中断控制寄存器，然后进入测试等待状态，当弹丸穿过启动光幕时，开启计数器，当弹丸穿过停止光幕时，关闭计数器，此时可得到通过两光幕的时间出，然后对数据进行处理，并将得到的速度值送到LED进行显示。六设计收获：通过这次设计，我查了很多资料并且从中学到了很多新的知识，可以很好地掌握单片机的另一种用途，了解了光电探测技术的运用，以及在实际操作中可能会引起误差的一些因素，并且注意到该如何去尽量减少或避免。七参考文献【1】赵冬娥,周汉昌基于大面积激光光幕的弹丸速度测试技术研究【2】喻俊志,王高,赵冬娥激光测速靶结构优化的光路分析【3】倪晋平，蔡荣立，田会基于大面积光幕靶口径30mm弹丸测速技术