專利名稱：直線運(yùn)動(dòng)物體多區(qū)截激光光幕測(cè)速方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域的測(cè)速方法及系統(tǒng)，具體地說，涉及的是一種 直線運(yùn)動(dòng)物體多區(qū)截激光光幕測(cè)速方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)對(duì)直線運(yùn)動(dòng)物速度的測(cè)量主要使用非接觸式測(cè)量技術(shù)，目前應(yīng)用比 較多的非接觸式測(cè)量技術(shù)有線圈靶測(cè)速、雷達(dá)測(cè)速、激光多普勒測(cè)速、高速攝影、 光幕測(cè)速等。其中線圈耙測(cè)速需要先把被測(cè)物體磁化，當(dāng)被測(cè)物體通過固定位置 的傳感器時(shí)產(chǎn)生過靶信號(hào)，獲得物體的瞬時(shí)速度，但是由于線圈靶只能測(cè)試金屬 物體，因此有比較大的局限性，同時(shí)測(cè)量精度也不是很高，且不適用于高精度的 全過程測(cè)量；高速攝影準(zhǔn)確度較低、操作和數(shù)據(jù)處理繁瑣， 一般用于精度要求不 高的速度測(cè)量；雷達(dá)測(cè)速和激光多普勒測(cè)速都是以多普勒效應(yīng)原理為基礎(chǔ)，只是 波長(zhǎng)不一樣，具有精度高、能多點(diǎn)測(cè)量的特點(diǎn)，但是設(shè)備的造價(jià)成本比較高，維 護(hù)不方便，同時(shí)由于小型的目標(biāo)不易捕捉，因此不適用于小物體的測(cè)量；光幕測(cè) 速以LED、激光等為光源，當(dāng)被測(cè)物體通過光幕時(shí)，光接收器光通量改變，經(jīng)過 光電轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生過
靶電脈沖信號(hào)，具有測(cè)試精度高，便于維護(hù)，成本低等特點(diǎn)，在高度運(yùn)動(dòng)物 體速度測(cè)量上應(yīng)用非常廣。
經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，專利申請(qǐng)?zhí)枮?2156675. 5的高速飛行物體 激光測(cè)速方法及測(cè)量?jī)x正是一種基于激光光幕測(cè)速方法的測(cè)速設(shè)備，其基本原理 如下激光器輸出激光，經(jīng)過光束整形器整形后，被分束鏡分成兩束光，再經(jīng)反 射鏡反射，兩束光分別形成兩束平行的光學(xué)光幕，然后經(jīng)過聚焦透鏡將光束分別 匯聚于光電轉(zhuǎn)換器，光電轉(zhuǎn)換器的輸出信號(hào)分別經(jīng)過低噪聲放大器和電平轉(zhuǎn)換器 達(dá)到TTL電平，再輸入到邏輯分析器中對(duì)所得到的光脈沖信號(hào)進(jìn)行邏輯分析和計(jì) 時(shí)間，由數(shù)字處理器控制邏輯分析器得到計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)，并在數(shù)字顯示器中顯示。
上述專利對(duì)小型運(yùn)動(dòng)物體通過特定位置的瞬時(shí)速度能進(jìn)行精確測(cè)量，但不能對(duì)物體的運(yùn)動(dòng)狀況進(jìn)行全過程測(cè)量，不能獲得運(yùn)動(dòng)物體的加速度、減速度等運(yùn)動(dòng) 狀況，不適用于非勻速運(yùn)動(dòng)物體。原因如下(l)通過分束鏡將激光分成兩束光， 再通過反射鏡形成兩束平行的光學(xué)光幕，通過計(jì)算物體先后通過光幕中兩光束的 時(shí)間差來計(jì)算物體運(yùn)動(dòng)速度，由于分束鏡和整形器以及接收端的光電轉(zhuǎn)換器體積 的限制，光幕中的兩平行光束的距離不可能做的很小，因此該測(cè)速儀測(cè)得速度是 物體通過光幕中兩平行光束的平均速度，對(duì)于非勻速運(yùn)動(dòng)的物體，不僅不能獲得 其加、減速度，同時(shí)對(duì)于測(cè)量點(diǎn)的瞬時(shí)速度也不能進(jìn)行高精度測(cè)量。(2)在物體 的運(yùn)動(dòng)軌跡上連續(xù)放置該測(cè)速儀，可測(cè)量物體運(yùn)動(dòng)過程中多點(diǎn)的速度數(shù)據(jù)，但測(cè) 得數(shù)據(jù)不具有連續(xù)性，并不能進(jìn)行物體運(yùn)動(dòng)的全過程測(cè)量，同時(shí)，由于測(cè)量一點(diǎn) 速度值就需要一臺(tái)該測(cè)速儀，當(dāng)測(cè)量距離增大，測(cè)量點(diǎn)增多時(shí)，花費(fèi)的隨之增大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足與缺陷，提供一種直線運(yùn)動(dòng)物體多區(qū)截激光光幕 測(cè)速方法及系統(tǒng)，即由激光器發(fā)射激光束產(chǎn)生激光光幕，并通過將物體的運(yùn)動(dòng)路 徑分成若干個(gè)長(zhǎng)度為已知的區(qū)間，每個(gè)區(qū)間包括一個(gè)遮光面和一個(gè)通光面，由此 構(gòu)成多區(qū)截區(qū)域，使得對(duì)物體通過多區(qū)截區(qū)域中每個(gè)區(qū)間的速度值的測(cè)量轉(zhuǎn)化為 對(duì)該區(qū)間遮光面和通光面切割激光束所需的時(shí)間值的測(cè)量，再利用光電脈沖觸發(fā) 硬件計(jì)數(shù)原理測(cè)量每個(gè)區(qū)間切割激光束的時(shí)間值并轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)區(qū)間內(nèi)物體運(yùn)動(dòng) 的速度值，使其具有對(duì)直線運(yùn)動(dòng)物體實(shí)現(xiàn)特定距離內(nèi)的速度的全過程精確測(cè)量的 功能。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的
本發(fā)明所涉及的直線運(yùn)動(dòng)物體多區(qū)截激光光幕測(cè)速方法，由激光器發(fā)射激光 束，齒形條沿物體運(yùn)動(dòng)方向垂直安裝在直線運(yùn)動(dòng)物體上，齒形條上每相鄰的矩形 齒和矩形孔作為一個(gè)齒形區(qū)間，整個(gè)齒形條即為有多個(gè)齒形區(qū)間構(gòu)成的多區(qū)截區(qū) 域，安裝有齒形條的直線運(yùn)動(dòng)物體垂直切割激光束，齒形條和激光束相對(duì)運(yùn)動(dòng)形 成多區(qū)截激光光幕，光電轉(zhuǎn)換器接收的激光束在齒形條切割過程中，光通量不斷 發(fā)生改變，光電轉(zhuǎn)換器按照光通量變化的頻率產(chǎn)生電脈沖信號(hào)，并將電脈沖信號(hào) 送入放大和濾波電路處理，再由數(shù)字電路對(duì)每一個(gè)脈沖寬度進(jìn)行計(jì)時(shí)并實(shí)時(shí)存入 數(shù)字電路自身所帶的RM1，測(cè)量結(jié)束后，數(shù)字電路再通過控制串口等數(shù)據(jù)傳輸裝
置將存放在RAM中的所有數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機(jī)或嵌入式設(shè)備上，再在PC機(jī)或嵌入式設(shè)備上計(jì)算并繪制速度曲線和經(jīng)過計(jì)算后得到的加速度曲線。 本發(fā)明上述方法包括如下步驟
第一步，將齒形條沿物體運(yùn)動(dòng)方向垂直安裝在運(yùn)動(dòng)物體上，構(gòu)建切割激光束 的多區(qū)截區(qū)域；
第二步，將激光器和光電轉(zhuǎn)換器分別安裝在激光器和光電轉(zhuǎn)換器安裝和調(diào)節(jié) 裝置上，調(diào)節(jié)激光器和光電轉(zhuǎn)換器安裝和調(diào)節(jié)裝置的高度，使激光器發(fā)出的激光 束可以完全切割位于運(yùn)動(dòng)物體上的齒形條；
第三步，當(dāng)安裝有齒形條的運(yùn)動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)至激光測(cè)速范圍，齒形條切割激光 束產(chǎn)生連續(xù)的光脈沖，光電轉(zhuǎn)換器接收連續(xù)的光脈沖產(chǎn)生連續(xù)的電脈沖；
第四步，電脈沖經(jīng)過放大、濾波、施密特比較后轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)TTL電平輸入到 數(shù)字計(jì)時(shí)和存儲(chǔ)電路；
第五步，數(shù)字計(jì)時(shí)和存儲(chǔ)電路記錄每相鄰兩個(gè)電脈沖的時(shí)間，并將計(jì)時(shí)數(shù)據(jù) 存入RAM中進(jìn)行保存；
第六步，通過數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)將存儲(chǔ)在RAM中的所有數(shù)據(jù)按順序傳輸至PC或 嵌入式設(shè)備中，在PC或嵌入式設(shè)備中計(jì)算并繪制速度曲線，以及通過對(duì)速度曲 線求導(dǎo)繪制加速度曲線。
在第一步中，齒形條的長(zhǎng)度可以根據(jù)測(cè)速要求和運(yùn)動(dòng)物體的尺寸靈活設(shè)置。 齒形條上間隔出現(xiàn)的矩形齒和矩形孔的寬度可根據(jù)測(cè)量精度的要求靈活設(shè)置，但 必須保證矩形齒和矩形孔的寬度均大于照射至齒形條平面的激光束的寬度。
在第二步中，激光器和光電轉(zhuǎn)換器安裝和調(diào)節(jié)裝置橫跨運(yùn)動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)軌道安 裝，使激光器和光電轉(zhuǎn)換器分別位于運(yùn)動(dòng)軌道的兩側(cè)，同時(shí)調(diào)整激光器和光電轉(zhuǎn) 換器安裝和調(diào)節(jié)裝置高度，使激光器產(chǎn)生的激光束可以切割齒形條。
在第三步中，安裝有齒形條的運(yùn)動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)至激光測(cè)速范圍并開始切割激光 束，按照常規(guī)技術(shù)，齒形條上的矩形齒遮擋激光束，矩形孔通過激光束，光電轉(zhuǎn) 換器由此接收到連續(xù)變化的光脈沖并產(chǎn)生相應(yīng)頻率變化的電脈沖。
在第四步中，電脈沖的放大、濾波、施密特比較處理均在脈沖整形電路中實(shí) 現(xiàn)，根據(jù)實(shí)際的測(cè)速要求設(shè)計(jì)合適的濾波電路，減小干擾。電脈沖經(jīng)過脈沖整形 后轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的TTL電平供數(shù)字計(jì)時(shí)和存儲(chǔ)電路使用。
在第五步中，數(shù)字計(jì)時(shí)和存儲(chǔ)電路接收到第一個(gè)矩形齒遮光產(chǎn)生的脈沖后，
7打開計(jì)時(shí)器，之后每收到一個(gè)矩形齒遮光產(chǎn)生的脈沖后，將計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)鎖存，然后 通過普通的單穩(wěn)延遲芯片產(chǎn)生謬秒級(jí)的延遲后，先將鎖存的每相鄰兩個(gè)脈沖之間 的計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)寫入RAM中進(jìn)行保存，再將計(jì)時(shí)器清零并開始對(duì)下一個(gè)齒形區(qū)間的脈 沖進(jìn)行計(jì)時(shí)。
在第六步中，通過數(shù)據(jù)傳輸裝置接收存儲(chǔ)在RAM中的每個(gè)齒形區(qū)間對(duì)應(yīng)的時(shí) 間值至PC或嵌入式設(shè)備，并通過在PC或嵌入式設(shè)備中編寫上位機(jī)程序，計(jì)算并 描繪出運(yùn)動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)齒形條長(zhǎng)度過程中速度描點(diǎn)圖、速度擬合曲線圖，并從速度 擬合曲線圖求得加速度曲線圖。
本發(fā)明所涉及的直線運(yùn)動(dòng)物體多區(qū)截激光光幕測(cè)速系統(tǒng)，包括有齒形條，激 光器和光電轉(zhuǎn)換器安裝調(diào)節(jié)裝置，激光器，光電轉(zhuǎn)換器，脈沖整形電路，數(shù)字計(jì) 時(shí)和存儲(chǔ)電路，數(shù)據(jù)傳輸裝置，顯示設(shè)備。齒形條沿物體運(yùn)動(dòng)方向垂直安裝在運(yùn) 動(dòng)物體上；激光器和光電轉(zhuǎn)換器安裝在激光器和光電轉(zhuǎn)換器安裝調(diào)節(jié)裝置上；激 光器和光電轉(zhuǎn)換器安裝調(diào)節(jié)裝置橫跨運(yùn)動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)軌道安裝，使激光器和光電轉(zhuǎn) 換器分別位于物體運(yùn)動(dòng)軌道的兩側(cè)，并調(diào)節(jié)激光器和光電轉(zhuǎn)換器安裝調(diào)節(jié)裝置的 高度，使安裝在運(yùn)動(dòng)物體上的齒形條可以在運(yùn)動(dòng)過程中切割激光器產(chǎn)生的激光 束；脈沖整形電路連接光電轉(zhuǎn)換器，接收由光電轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的電脈沖；數(shù)字計(jì)時(shí) 和存儲(chǔ)電路連接脈沖整形電路，接收經(jīng)過脈沖整形電路整形后的TTL脈沖；顯示 設(shè)備通過數(shù)據(jù)傳輸裝置連接數(shù)字計(jì)時(shí)和存儲(chǔ)電路。
上述各部件的光路和電路的信號(hào)傳輸為安裝在激光器和光電轉(zhuǎn)換器的安裝 調(diào)節(jié)裝置上的激光器發(fā)送激光，安裝在運(yùn)動(dòng)物體上的齒形條隨運(yùn)動(dòng)物體直線運(yùn)動(dòng) 并切割激光束形成多區(qū)截激光光幕，齒形條上的矩形齒遮擋激光束，矩形孔通過 激光束，激光光通量發(fā)生變化，安裝在激光器和光電轉(zhuǎn)換器的安裝調(diào)節(jié)裝置上的 光電轉(zhuǎn)換器接收不斷變化的激光光通量并轉(zhuǎn)化為電脈沖，電脈沖經(jīng)過脈沖整形電 路后達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)TTL電平，再輸入到數(shù)字計(jì)時(shí)和存儲(chǔ)電路，在數(shù)字計(jì)時(shí)和存儲(chǔ)電路 中通過計(jì)數(shù)芯片計(jì)數(shù)晶振脈沖個(gè)數(shù)獲得時(shí)間值再將每個(gè)時(shí)間值存儲(chǔ)到RAM中，顯 示設(shè)備通過數(shù)據(jù)傳輸裝置得到存儲(chǔ)在MM中的時(shí)間值，并通過計(jì)算得到物體每運(yùn) 動(dòng)一個(gè)齒形區(qū)間長(zhǎng)度的平均速度，由所有測(cè)得速度值繪制物體直線運(yùn)行整個(gè)齒形 條長(zhǎng)度過程中的速度曲線和經(jīng)過求導(dǎo)計(jì)算后的加速度曲線。
本發(fā)明中的直線運(yùn)動(dòng)物體多區(qū)截光幕測(cè)速系統(tǒng)的齒形條沿物體運(yùn)動(dòng)方向垂直安裝在直線運(yùn)動(dòng)物體上，包括在長(zhǎng)度和高度上進(jìn)行壓縮和擴(kuò)展，以及矩形齒和 矩形孔寬度的壓縮和擴(kuò)展，激光器和光電轉(zhuǎn)換器安裝底座和調(diào)整裝置寬度和高度 的壓縮和擴(kuò)展，使激光器和光電轉(zhuǎn)換器分別位于運(yùn)動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)軌道的兩側(cè)，同時(shí) 使激光束高度可以垂直切割齒形條，激光器和光電轉(zhuǎn)換器分別水平安裝于激光器 和光電轉(zhuǎn)換器安裝調(diào)節(jié)裝置上并處于一條直線，使光電轉(zhuǎn)換器可以完全準(zhǔn)確接收 激光束。
本發(fā)明的方法特別適用于速度變化大的直線運(yùn)動(dòng)物體的全過程速度測(cè)量，能 夠準(zhǔn)確繪制直線運(yùn)動(dòng)物體啟動(dòng)和制動(dòng)等非勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的速度曲線和加速度 曲線。所設(shè)計(jì)的直線運(yùn)動(dòng)物體多區(qū)截激光光幕測(cè)速系統(tǒng)具有體積小、重量輕、成 本低，精度高、使用方便和便于維修等優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明是基于多區(qū)截激光光幕測(cè)速原理的測(cè)速系統(tǒng)，用于對(duì)直線運(yùn)動(dòng)的物體 進(jìn)行全過程的速度高精度測(cè)量(具體效果見實(shí)施例)。該系統(tǒng)可用于測(cè)量汽車、 列車的啟動(dòng)、行駛和制動(dòng)過程的速度，可以測(cè)量飛機(jī)的起飛和降落后制動(dòng)過程的 速度，也可以測(cè)量炮彈等攻擊性武器的彈射裝置的彈射速度等。


圖1為本發(fā)明的直線運(yùn)動(dòng)物體多區(qū)截激光光幕測(cè)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖； 其中1、齒形條，2、激光器和光電轉(zhuǎn)換器安裝調(diào)節(jié)裝置，3、激光器，4、
光電轉(zhuǎn)換器，5、脈沖整形電路，6、數(shù)字計(jì)時(shí)和存儲(chǔ)電路，7、數(shù)據(jù)傳輸裝置，8、
顯示設(shè)備。
圖2為本發(fā)明實(shí)施例彈射裝置減速過程速度描點(diǎn)及擬合曲線圖。 圖3為本發(fā)明實(shí)施例彈射裝置減速過程曲線其中圖a為彈射裝置減速過程速度和時(shí)間擬合圖，圖b為加速度曲線圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖1對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方
案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保 護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。
如圖1所示，本實(shí)施例所涉及的直線運(yùn)動(dòng)物體多區(qū)截激光光幕測(cè)速系統(tǒng)，包
括有齒形條l，激光器和光電轉(zhuǎn)換器安裝調(diào)節(jié)裝置2，激光器3，光電轉(zhuǎn)換器4， 脈沖整形電路5，數(shù)字計(jì)時(shí)和存儲(chǔ)電路6，數(shù)據(jù)傳輸裝置7，顯示設(shè)備8。齒形條1沿物體運(yùn)動(dòng)方向垂直安裝在運(yùn)動(dòng)物體上；激光器3和光電轉(zhuǎn)換器4安裝在激光 器和光電轉(zhuǎn)換器安裝調(diào)節(jié)裝置2上；激光器和光電轉(zhuǎn)換器安裝調(diào)節(jié)裝置2橫跨運(yùn) 動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)軌道安裝，使激光器3和光電轉(zhuǎn)換器4分別位于物體運(yùn)動(dòng)軌道的兩側(cè)， 并調(diào)節(jié)激光器和光電轉(zhuǎn)換器安裝調(diào)節(jié)裝置2的高度，使安裝在運(yùn)動(dòng)物體上的齒形 條1可以在運(yùn)動(dòng)過程中切割激光器3產(chǎn)生的激光束；脈沖整形電路5連接光電轉(zhuǎn) 換器4，接收由光電轉(zhuǎn)換器4產(chǎn)生的電脈沖；數(shù)字計(jì)時(shí)和存儲(chǔ)電路6連接脈沖整 形電路5，接收經(jīng)過脈沖整形電路5整形后的TTL脈沖；顯示設(shè)備8通過數(shù)據(jù)傳 輸裝置7連接數(shù)字計(jì)時(shí)和存儲(chǔ)電路6。
其光路和電路的信號(hào)傳輸為安裝在激光器和光電轉(zhuǎn)換器安裝調(diào)節(jié)裝置2上 的激光器3發(fā)送激光，沿物體運(yùn)動(dòng)方向垂直安裝在運(yùn)動(dòng)物體上的齒形條1隨物體 直線運(yùn)動(dòng)并切割激光束，形成多區(qū)截激光光幕，齒形條1上的矩形齒遮擋激光束， 矩形孔通過激光束，激光光通量發(fā)生變化，安裝在激光器和光電轉(zhuǎn)換器安裝調(diào)節(jié) 裝置2上的光電轉(zhuǎn)換器4接收不斷變化的激光光通量并轉(zhuǎn)化為電脈沖，電脈沖經(jīng) 過脈沖整形電路5后達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)TTL電平，再輸入到數(shù)字計(jì)時(shí)和存儲(chǔ)電路6，數(shù)字 計(jì)時(shí)和存儲(chǔ)電路6中通過計(jì)數(shù)芯片計(jì)數(shù)晶振脈沖個(gè)數(shù)獲得時(shí)間值并將每個(gè)時(shí)間 值存儲(chǔ)到RAM中，顯示設(shè)備8通過數(shù)據(jù)傳輸裝置7得到存儲(chǔ)在RAM中的時(shí)間值， 并通過計(jì)算得到物體每運(yùn)動(dòng)一個(gè)齒形區(qū)間長(zhǎng)度的平均速度，由所有測(cè)得的速度值 描繪物體直線運(yùn)行齒形條長(zhǎng)度過程中的速度曲線和經(jīng)過求導(dǎo)計(jì)算后的加速度曲 線。
本實(shí)施例中，齒形條1垂直安裝在水平運(yùn)動(dòng)上，包括在長(zhǎng)度和高度上進(jìn)行壓 縮和擴(kuò)展，矩形齒和矩形孔寬度的壓縮和擴(kuò)展，激光器3和光電轉(zhuǎn)換器4安裝底 座和調(diào)整裝置2寬度和高度的壓縮和擴(kuò)展，使激光器3和光電轉(zhuǎn)換器4分別位于 運(yùn)動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)軌道的兩側(cè)，同時(shí)使激光束高度可以垂直切割齒形條1，激光器3 和光電轉(zhuǎn)換器4分別水平安裝于激光器和光電轉(zhuǎn)換器安裝調(diào)節(jié)裝置2上并處于一 條直線，使光電轉(zhuǎn)換器4可以完全準(zhǔn)確接收激光束。
本實(shí)施例所涉及的直線運(yùn)動(dòng)物體多區(qū)截激光光幕測(cè)速方法是利用上述直線 運(yùn)動(dòng)物體多區(qū)截激光光幕測(cè)速系統(tǒng)檢測(cè)某一彈射裝置的減速過程，該彈射裝置為 水平直線運(yùn)動(dòng)，其減速特征為在小于1.5米的距離內(nèi)從最高速66m/s減速為 0. 18m/s。根據(jù)實(shí)際的測(cè)速要求，具體實(shí)施步驟如下
101，根據(jù)實(shí)際被測(cè)物體的減速距離小于1.5 米的要求，本實(shí)施例取齒形條長(zhǎng)度為1. 5米，并且取齒形條上矩形齒和矩形孔均 勻間隔分布，根據(jù)矩形齒和矩形孔的寬度均大于照射至齒形條平面的激光束的寬 度的要求，由于實(shí)施例中照射至齒形條平面的激光束的寬度為0.8毫米，則可取 每個(gè)齒形區(qū)間長(zhǎng)度為3毫米，即矩形齒和矩形孔的寬度均為1. 5毫米。
2、 激光器和光電轉(zhuǎn)換器安裝調(diào)節(jié)裝置2安裝在被測(cè)物體運(yùn)動(dòng)軌道的減速 段，并將激光器3和光電轉(zhuǎn)換器4安裝在直線運(yùn)動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)軌道的兩側(cè)，同時(shí)調(diào) 整激光器3和光電轉(zhuǎn)換器4高度，使激光束可以垂直切割齒形條。
激光器3選擇GLOBAL LASER公司Beta CW系列中的194-026型激光器，該 激光器有激光電源、制冷系統(tǒng)、激光二極管三部分組成，輸出波的波長(zhǎng)介于660 納米到680納米之間，光點(diǎn)尺寸標(biāo)準(zhǔn)值為100謬米。
3、 光電轉(zhuǎn)換器4，選用AEPX65光敏二極管實(shí)現(xiàn)光電信號(hào)轉(zhuǎn)換，將齒形條切 割激光束后產(chǎn)生的光脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為電脈沖信號(hào)，并把電脈沖信號(hào)傳輸?shù)叫盘?hào)調(diào) 理電路5。
4、 信號(hào)調(diào)理電路5對(duì)電脈沖信號(hào)加以放大、濾波和施密特比較處理轉(zhuǎn)換成
m電平。
5、 數(shù)字計(jì)時(shí)和存儲(chǔ)電路6記錄運(yùn)動(dòng)物體每水平直線運(yùn)動(dòng)一個(gè)齒形區(qū)間長(zhǎng)度 的時(shí)間。
數(shù)字計(jì)時(shí)和存儲(chǔ)電路6接收到第一個(gè)矩形齒遮光產(chǎn)生的脈沖后，打開16位 計(jì)時(shí)器，計(jì)算由4兆晶振產(chǎn)生的晶振脈沖個(gè)數(shù)，之后每收到一個(gè)矩形齒遮光產(chǎn)生 的脈沖后，將計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)鎖存，然后通過普通的單穩(wěn)延遲芯片產(chǎn)生謬秒級(jí)的延遲后， 先將鎖存的每相鄰兩個(gè)脈沖之間的計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)寫入RAM中進(jìn)行保存，再將計(jì)時(shí)器清 零并開始對(duì)下一個(gè)齒形周期脈沖計(jì)時(shí)。由于矩形齒和矩形孔的寬度的必須大于照 射至齒形條平面的激光束寬度，實(shí)施例中照射至齒形條平面的激光束的寬度為 0. 8毫米，則通常取矩形齒和矩形孔寬度均為1. 5毫米到3毫米，由此齒形條一 個(gè)齒形區(qū)間長(zhǎng)度為3毫米到6毫米。這樣安裝有齒形條的運(yùn)動(dòng)物體通過激光束后， 若取齒形條長(zhǎng)度為1. 5米，即可產(chǎn)生200到500次光脈沖，數(shù)字電路記錄每次脈 沖產(chǎn)生的時(shí)間間隔，由時(shí)間間隔計(jì)算出物體通過一個(gè)齒形周期長(zhǎng)度的平均速度， 如果每個(gè)齒形區(qū)間長(zhǎng)度均選擇為3毫米，測(cè)速儀最大的測(cè)量速度為120m/s，最小測(cè)量速度0.2m/s，在高速測(cè)量狀態(tài)，當(dāng)速度為120m/s時(shí)，最大測(cè)量誤差為 0.833%，在低速測(cè)量狀態(tài)，當(dāng)速度為0. 36m/s時(shí)，最大測(cè)量誤差為0. 334%。
6、數(shù)據(jù)傳輸裝置7，將測(cè)量結(jié)束后存放在RAM中的每一個(gè)時(shí)間值傳輸至數(shù) 字顯示設(shè)備8中。顯示設(shè)備8通過每一個(gè)齒形條的時(shí)間值計(jì)算速度值，并顯示運(yùn) 動(dòng)物體在各個(gè)矩形孔位置對(duì)應(yīng)的速度值和運(yùn)動(dòng)一個(gè)齒形條長(zhǎng)度的速度曲線圖和 加速度曲線圖，如圖2和圖3所示，圖2為速度和時(shí)間描點(diǎn)及擬合曲線圖，圖 3a為速度和時(shí)間擬合圖，圖3b為加速度曲線圖。
使用直線運(yùn)動(dòng)物體多區(qū)截激光光幕測(cè)速方法測(cè)量直線運(yùn)動(dòng)物體，若齒形條1 的長(zhǎng)度和齒形條上每個(gè)齒形區(qū)間長(zhǎng)度選用實(shí)例中的標(biāo)準(zhǔn)制作，即齒形條長(zhǎng)度為 1.5m，每個(gè)齒形區(qū)間長(zhǎng)度為3mm，則該系統(tǒng)的最大的測(cè)量速度為120m/s，最小測(cè) 量速度0.2m/s，測(cè)量距離為齒形條1的長(zhǎng)度，即1.5m，可以反映被測(cè)物體從激 光器3所在的測(cè)量點(diǎn)開始后的1. 5m距離內(nèi)整個(gè)過程物體速度變化過程。激光器 3選擇GLOBAL LASER公司Beta CW系列中的194-026型激光器，該激光二極管 模塊由激光二極管、驅(qū)動(dòng)電路和校準(zhǔn)直透鏡組成，它們封裝在涂有粉末的電絕緣 銅體內(nèi)，每個(gè)器件都有一個(gè)可調(diào)透鏡，能發(fā)出高度準(zhǔn)直的光束。光電轉(zhuǎn)換器4， 選用AEPX65光敏二極管，該光敏二極管還具有結(jié)電容小，僅為5pf，暗電流小 為2nA，內(nèi)阻小等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)它的響應(yīng)速度在ns級(jí)，能過滿足系統(tǒng)工作需要。
齒形條1采用線切割慢走絲工藝，最大誤差^(Ax)-0.01mm，激光器和光電轉(zhuǎn)換
器安裝調(diào)節(jié)裝置2的空間誤差為0. 0018mm，信號(hào)調(diào)理電路5和數(shù)字計(jì)時(shí)和存儲(chǔ) 電路6的計(jì)數(shù)誤差為0. 125uS，經(jīng)過計(jì)算可得系統(tǒng)的綜合誤差為在高速測(cè)量狀態(tài)， 當(dāng)速度為120m/s時(shí)，最大測(cè)量誤差為0. 833%，在低速測(cè)量狀態(tài)，當(dāng)速度為0. 36m/s 時(shí)，最大測(cè)量誤差為0. 334%。
權(quán)利要求
1、一種直線運(yùn)動(dòng)物體多區(qū)截激光光幕測(cè)速方法，其特征在于包括如下步驟第一步，將齒形條沿物體運(yùn)動(dòng)方向垂直安裝在運(yùn)動(dòng)物體上，構(gòu)建切割激光束的齒形條多區(qū)截區(qū)域；第二步，將激光器和光電轉(zhuǎn)換器分別安裝在激光器和光電轉(zhuǎn)換器安裝和調(diào)節(jié)裝置上，調(diào)節(jié)激光器和光電轉(zhuǎn)換器安裝和調(diào)節(jié)裝置的高度，使激光器發(fā)出的激光束能完全切割位于運(yùn)動(dòng)物體上的齒形條；第三步，當(dāng)安裝有齒形條的運(yùn)動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)至激光測(cè)速范圍，齒形條切割激光束產(chǎn)生連續(xù)的光脈沖，光電轉(zhuǎn)換器接收連續(xù)的光脈沖產(chǎn)生連續(xù)的電脈沖；第四步，電脈沖經(jīng)過放大、濾波、施密特比較后轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)TTL電平輸入到數(shù)字計(jì)時(shí)和存儲(chǔ)電路；第五步，數(shù)字計(jì)時(shí)和存儲(chǔ)電路記錄每相鄰兩個(gè)電脈沖的時(shí)間，并將計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)存入RAM中進(jìn)行保存；第六步，通過數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)將存儲(chǔ)在RAM中的所有數(shù)據(jù)按順序傳輸至PC或嵌入式設(shè)備中，在PC或嵌入式設(shè)備中計(jì)算并繪制速度曲線，以及通過對(duì)速度曲線求導(dǎo)繪制加速度曲線。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的直線運(yùn)動(dòng)物體多區(qū)截激光光幕測(cè)速方法，其特征 是，在第一步中，齒形條上間隔出現(xiàn)的矩形齒和矩形孔的寬度必須均大于照射至 齒形條平面的激光束的寬度。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的直線運(yùn)動(dòng)物體多區(qū)截激光光幕測(cè)速方法，其特征 是，在第二步中，激光器和光電轉(zhuǎn)換器安裝和調(diào)節(jié)裝置橫跨運(yùn)動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)軌道安 裝，使激光器和光電轉(zhuǎn)換器分別位于運(yùn)動(dòng)軌道的兩側(cè)，同時(shí)調(diào)整激光器和光電轉(zhuǎn) 換器安裝和調(diào)節(jié)裝置高度使激光器產(chǎn)生的激光束能切割齒形條。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的直線運(yùn)動(dòng)物體多區(qū)截激光光幕測(cè)速方法，其特征 是，在第三步中，安裝有齒形條的運(yùn)動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)至激光測(cè)速范圍并開始切割激光 束，齒形條上的矩形孔遮擋激光束，矩形孔通過激光束，光電轉(zhuǎn)換器由此接收到 連續(xù)變化的光脈沖并產(chǎn)生相應(yīng)頻率變化的電脈沖。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的直線運(yùn)動(dòng)物體多區(qū)截激光光幕測(cè)速方法，其特征是，在第四步中，電脈沖的放大、濾波、施密特比較處理均采用脈沖整形電路實(shí) 現(xiàn)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的直線運(yùn)動(dòng)物體多區(qū)截激光光幕測(cè)速方法，其特征 是，在第五步中，數(shù)字計(jì)時(shí)和存儲(chǔ)電路接收到第一個(gè)矩形齒遮光產(chǎn)生的脈沖后， 打開計(jì)時(shí)器，之后每收到一個(gè)矩形齒遮光產(chǎn)生的脈沖后，將計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)鎖存，然后 通過普通的單穩(wěn)延遲芯片產(chǎn)生謬秒級(jí)的延遲后，先將鎖存的每相鄰兩個(gè)脈沖之間 的計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)寫入RAM中進(jìn)行保存，再將計(jì)時(shí)器清零并開始對(duì)下一個(gè)齒形區(qū)間脈沖 進(jìn)行計(jì)時(shí)。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的直線運(yùn)動(dòng)物體多區(qū)截激光光幕測(cè)速方法，其特征 是，在第六步中，通過數(shù)據(jù)傳輸裝置接收存儲(chǔ)在RAM中的每個(gè)齒形周期對(duì)應(yīng)的時(shí) 間值至PC或嵌入式設(shè)備，并通過在PC或嵌入式設(shè)備中編寫上位機(jī)程序，計(jì)算并 描繪出運(yùn)動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)齒形條長(zhǎng)度過程中速度描點(diǎn)圖、速度擬合曲線圖，并從速度 擬合曲線圖求得加速度曲線圖。
8、 一種直線運(yùn)動(dòng)物體多區(qū)截激光光幕測(cè)速系統(tǒng)，其特征在于包括有齒形條、 激光器和光電轉(zhuǎn)換器安裝調(diào)節(jié)裝置、激光器、光電轉(zhuǎn)換器、脈沖整形電路、數(shù)字計(jì)時(shí)和存儲(chǔ)電路、數(shù)據(jù)傳輸裝置、顯示設(shè)備，其中齒形條沿物體運(yùn)動(dòng)方向垂直安裝在運(yùn)動(dòng)物體上，激光器和光電轉(zhuǎn)換器設(shè)置在激光器和光電轉(zhuǎn)換器安裝調(diào)節(jié)裝 置上，激光器和光電轉(zhuǎn)換器安裝調(diào)節(jié)裝置橫跨運(yùn)動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)軌道設(shè)置，激光器和 光電轉(zhuǎn)換器分別位于物體運(yùn)動(dòng)軌道的兩側(cè)，脈沖整形電路連接光電轉(zhuǎn)換器，數(shù)字 計(jì)時(shí)和存儲(chǔ)電路連接脈沖整形電路，顯示設(shè)備通過數(shù)據(jù)傳輸裝置連接數(shù)字計(jì)時(shí)和存儲(chǔ)電路；齒形條隨運(yùn)動(dòng)物體直線運(yùn)動(dòng)切割激光器發(fā)送的激光束，光電轉(zhuǎn)換器接收激光 光通量并轉(zhuǎn)化為電脈沖，電脈沖經(jīng)過脈沖整形電路后達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)TTL電平，再輸入 到數(shù)字計(jì)時(shí)和存儲(chǔ)電路，在數(shù)字計(jì)時(shí)和存儲(chǔ)電路中通過計(jì)數(shù)芯片計(jì)數(shù)晶振脈沖個(gè) 數(shù)獲得時(shí)間值再將每個(gè)時(shí)間值存儲(chǔ)到RAM中，顯示設(shè)備通過數(shù)據(jù)傳輸裝置得到存 儲(chǔ)在RAM中的時(shí)間值和物體每運(yùn)動(dòng)一個(gè)齒形區(qū)間長(zhǎng)度的平均速度，由測(cè)得速度值 得到加速度曲線。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的直線運(yùn)動(dòng)物體多區(qū)截激光光幕測(cè)速系統(tǒng)，其特征 是，所述激光器和光電轉(zhuǎn)換器分別水平安裝于激光器和光電轉(zhuǎn)換器安裝調(diào)節(jié)裝置上并處于一條直線。
10、根據(jù)權(quán)利要求8所述的直線運(yùn)動(dòng)物體多區(qū)截激光光幕測(cè)速系統(tǒng)，其特征 是，所述齒形條上間隔出現(xiàn)的矩形齒和矩形孔的寬度必須大于照射至齒形條平面 的激光束的寬度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域的直線運(yùn)動(dòng)物體多區(qū)截激光光幕測(cè)速方法及系統(tǒng)，由激光器發(fā)射激光束，沿物體運(yùn)動(dòng)方向垂直安裝有齒形條的直線運(yùn)動(dòng)物體垂直切割激光束，光電轉(zhuǎn)換器接收的激光束在齒形條切割過程中，光通量不斷發(fā)生改變，光電轉(zhuǎn)換器按照光通量變化的頻率產(chǎn)生電脈沖信號(hào)，并將電脈沖信號(hào)送入放大和濾波電路處理，再由數(shù)字電路對(duì)每一個(gè)脈沖寬度進(jìn)行計(jì)時(shí)并實(shí)時(shí)存入數(shù)字電路自身所帶的RAM，測(cè)量結(jié)束后，數(shù)字電路再通過數(shù)據(jù)傳輸裝置將存放在RAM中的所有數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機(jī)或嵌入式設(shè)備上，再繪制速度曲線和經(jīng)過計(jì)算后得到的加速度曲線。本發(fā)明利用多區(qū)截激光光幕測(cè)速原理，實(shí)現(xiàn)對(duì)直線運(yùn)動(dòng)物體特定距離內(nèi)的速度的全過程精確測(cè)量。
文檔編號(hào)G01P3/64GK101629963SQ20091005074
公開日2010年1月20日 申請(qǐng)日期2009年5月7日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月7日
發(fā)明者于燁軍, 吉小軍, 展 吳, 萍 蔡, 趙鼎鼎 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)