|
高速運動(dòng)物體的物理狀態(tài)檢測分析一直以來(lái)都是一項重要的研究?jì)热�，特別是對于高速運動(dòng)物體瞬時(shí)運動(dòng)速度的檢測。這是瞬態(tài)過(guò)程及效應物理研究中的一個(gè)有待發(fā)展的領(lǐng)域，可能會(huì )導致極端條件下的新物理效應，在高速碰撞等方面有著(zhù)直接的應用背景，也給檢測和控制技術(shù)提出了更高的挑戰。 1 測量方法 對于高速運動(dòng)的物體，常用的速度測量方法按測量原理可分成三類(lèi)，即瞬時(shí)速度測量法、平均速度測量法和多普勒原理測量法。瞬時(shí)速度測量法采用彈道擺或微波傾角法，可以換算出物體的瞬時(shí)飛行速度，但測試誤差較大，目前很難達到高的精度。多普勒測速法是利用波傳播中多普勒效應進(jìn)行測速的方法，也是一種比較有效的測量速度方法。平均速度測量法是在測量目標前進(jìn)方向放置兩道光幕；通過(guò)測量?jì)晒饽恢g的距離S和測量目標通過(guò)兩光幕之間的時(shí)間t；然后利用平均速度公式v=S／t計算測量目標的速度，如圖1所示。 但在使用雙光幕的平均速度測量法中，由于每個(gè)光幕及其后處理電路在工作中的處理速度和延時(shí)不可能完全一致，這樣就會(huì )造成難以避免的誤差。在要求高精度的測量中，這些誤差會(huì )對結果產(chǎn)生附加的負面的影響。另外，兩個(gè)光幕射出的光要求嚴格平行，否則測量結果也會(huì )產(chǎn)生誤差，而嚴格平行在現實(shí)測量中也很難做到�；诖�，這里提出一種單光幕的速度測量系統。在避免兩路信號通過(guò)光幕及其后的電路時(shí)由于處理時(shí)間不一致而在產(chǎn)生誤差的同時(shí)，也避免了因兩束光線(xiàn)不平行產(chǎn)生的誤差。 2 測量系統原理 該系統采用單光頭測量，系統總體結構如圖2所示。將光源置于發(fā)射器出口處的上方，并在其下方固定光敏器件，使光敏器件可以準確接收到光源所發(fā)出的光束。測量開(kāi)始后，當目標前端擋住光源發(fā)出的光時(shí)，光敏器件因接收不到光而輸出低電壓信號；當目標通過(guò)后，光敏器件重新接收到光源所發(fā)出的光后，輸出變回高電壓信號。被測目標的長(cháng)度L可以事先通過(guò)矩陣鍵盤(pán)輸入到測速度系統，根據電信號的變化觸發(fā)和停止計數單元，可以記錄到目標通過(guò)光源下方的時(shí)間t，在假設目標運動(dòng)方向與光束垂直時(shí)，可近似取L計算目標在這段時(shí)間內的平均速度v=L／t。此時(shí)，目標不受運動(dòng)方向上力的作用，所以速度變化微小，此速度可看作目標的出口速度。 從以上過(guò)程可以看出，在保證整套系統具有高精度的同時(shí)，對光電轉換器件性能的依賴(lài)大大降低。同時(shí)因為兩路信號均經(jīng)過(guò)同一套處理電路，所以信號在路徑上的延時(shí)幾乎完全一致，提高了測量精度。因此，此方法具有測試精度高，靈敏度調節靈活，成本低等特點(diǎn)。 3 系統模型 為了在數據處理和運算時(shí)仍能達到更高的精度和更快的處理速度，考慮采用時(shí)鐘頻率較高的FPGA芯片實(shí)現此系統。這樣做的好處是可以采用先進(jìn)的Top-Down設計方法，從系統原型人手，在頂層進(jìn)行功能方框圖的劃分和結構設計。在功能級進(jìn)行仿真、糾錯，并用硬件描述語(yǔ)言對高層次的系統行為進(jìn)行描述，然后用綜合工具將設計轉化為具體門(mén)電路網(wǎng)表后，將整個(gè)系統下載到FPGA芯片中執行。由于設計的主要仿真和調試過(guò)程是在高層次上完成的，這不僅有利于早期發(fā)現結構設計上的錯誤，避免設計工作的浪費，而且也減少了邏輯功能仿真的工作量，提高了設計的一次成功率。所以FPGA芯片在理論上更加適合作為此方案的硬件載體。此系統在FPGA中的數據處理流程如圖3所示。 根據上述的數據處理過(guò)程可以建立系統的頂層功能模塊框圖如圖4所示。主流FPGA的規模和內部結構完全可以滿(mǎn)足框圖要求，可見(jiàn)在FPGA中實(shí)現此速度測量系統完全具有可行性。 4 測量精度分析 采用單光源測量運動(dòng)目標速度的測量原理雖然簡(jiǎn)單，但想要滿(mǎn)足所有的理想測量條件卻非常困難，如果要進(jìn)行詳細的精度分析則更為復雜。在圖1所示的原理中，理想測量的前提條件是： (1)配套外圍器件工作速度足夠穩定； (2)目標運動(dòng)方向與光束嚴格垂直； (3)光源發(fā)出的光束無(wú)限細； (4)計數器不存在計數誤差； (5)被測目標的長(cháng)度測量準確。 但在實(shí)際情況中，上述條件都無(wú)法完全滿(mǎn)足，正是這些微小的改變造成了最終測量結果與實(shí)際速度的誤差。所以精度的分析需要從這幾個(gè)方面的誤差源頭入手�？梢詫⑸鲜龅�(1)、(3)、(4)歸為時(shí)間上的誤差，而將(2)、(5)歸為長(cháng)度上的誤差。 4．1 配套外圍器件的影響 一般高速光電器件產(chǎn)生信號的延遲時(shí)間為3～5μs，但由于采用單束光獲取信號，使得在一次測量過(guò)程中的開(kāi)始和結束兩次信號傳輸都經(jīng)過(guò)相同的路徑，外圍器件的延時(shí)可以絕大部分抵消；但還是會(huì )存在由于器件精度引起的兩次延時(shí)的微量不同，取1／10最大延遲時(shí)間得出△t1=O．5μs。 4．2 目標運動(dòng)方向偏差的影響 在目標運動(dòng)速度與光束的方向垂直時(shí)，可近似取目標長(cháng)度L，計算運動(dòng)目標速度，但當目標并沒(méi)有嚴格垂直于光束而有θ的偏轉時(shí)，L是與目標運動(dòng)方向相關(guān)的量，L'=LCOSθ。假設目標在出口處最大偏差角為1°，則可計算出長(cháng)度誤差△L1=L－L'=L(1-COSθ)=1．523×10-4L，若取長(cháng)度L=O．1 m計算，則△L1=1．523×10-5m。 4．3 光點(diǎn)直徑的影響 由于光束不是無(wú)限細，所以無(wú)法確定目標擋住多少光束時(shí)光敏器件會(huì )產(chǎn)生信號，假設光束直徑(d)為1 mm，目標速度(v)為1 000 m／s時(shí)，最大時(shí)間誤差△t2=d／v=1μs。 4．4 計數誤差的影響 該設計中采用40 MHz的晶振，定時(shí)步長(cháng)為25 ns，由于無(wú)法確定計數開(kāi)始時(shí)的時(shí)鐘狀態(tài)，所以在計數的開(kāi)始和結束時(shí)均可能產(chǎn)生最大一個(gè)時(shí)鐘周期的計數誤差，最大誤差為△t3=25×2=50 ns。 4．5 目標測量精度的影響 被測目標的長(cháng)度L在測量過(guò)程中，由于測量工具的限制，得到的被測目標長(cháng)度值也不可避免地會(huì )存在誤差，假設用高精度的游標卡尺測量，測量精度可以達到0．01 mm，△L2=0．01 mm。通過(guò)分析，目標運動(dòng)距離測量總誤差為： 通過(guò)以上計算，系統的總體誤差為0．157％，達到較高的精度。 5 結 語(yǔ) 本文在充分調查了當前針對高速運動(dòng)目標的速度測量方法的基礎上，提出利用單光幕平均速度測量法測量高速運動(dòng)目標的速度。避免了使用雙光幕平均速度測量法時(shí)由于兩路信號時(shí)延不同和兩光幕不平行而產(chǎn)生的誤差；同時(shí)減少一個(gè)光幕的使用，降低了系統成本。采用高時(shí)鐘頻率的FPGA作為主要實(shí)現芯片，在進(jìn)一步減小系統誤差的同時(shí)保證了系統的工作速度和穩定性，是一套較為理想的速度測量方案。 |
