光幕测速——精选推荐

光电高速物体速度测试系统
一 方案简介： 本方案运用定距测时法。

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t s
∆∆=
υ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 ，由放大整形电路、电子门、振荡器、计数器等组成。

区截装置用于产生控制测时过程的电信号，并且标识测时间距。

二 技术指标：
( 1 )测速范围：s m s m /1000~/50( 3 )有效区域：mm mm 300300⨯
( 2 )物体尺寸：mm mm 30~8 ( 4 )电源：220Hz VAC 50/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。

计时仪给出飞过两靶之间距离的时间△T ，弹丸在此距离S 内的平均速度为v 。

在计时仪测速中，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所经历的时间。

测速系统主要是测出靶距和时间T ，并由此换算出弹丸在此距离上的平均速度。

如图1所示。

图
1
采用共轭光学系统形成大面积有效靶区（光幕）, 如图2 所示. D C 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300 mm ×300 mm 有效靶区, 设靶框A B CD 的尺寸为600 mm ×600 mm。

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 = 683 mm。

半导体激光器放置在距靶框左端A 点的水平距离A E = 200 mm 处,光电检测器件放置距靶框右端B 的水平距离B F = 200 mm 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300 mm ×300 mm 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 8 mm ×8 mm ) ,完全可以克服由圆弧柱面反射镜所造成的像差。

图2
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：
本次作业查阅了大量资料，对激光光幕测速系统有了一定的了解。

比如，光幕的设计可以使用多种方案，可以用本文中的扇形光幕，也可以用一字线性光幕等。

激光器的型号也了解了一些，性能和价格千差万别，有的准直性特别好，但价格昂贵，主要用于医疗等行业；有的则便宜到一元一个，肯定达不到一些高水准要求。

探测器一般是使用光敏二极管，通过查看了一些相关电路，对它的使用方法也掌握了一些，本文中探测时的光敏二极管阵列可以使用串联的方法等。

扇形光幕要用到几何光学知识，我也重新浏览了一遍相关知识。

偶然发现一篇论文中提到，圆柱透镜形成的扇形光幕不如鲍威尔棱镜形成的扇形光幕好，通过鲍威尔棱镜的扇形光幕再通过菲涅尔透镜可以放出很好的平行光，也可以实现类似于一字线性光幕的设计，我觉得不失为另一种很好的设计方案。

圆弧行柱面放射镜不如椭圆形反射镜好，对其中的光的平行性和均匀性不是很理解，只知道个大概罢了。

对于电路设计，自己画了一个放大电路，其余都是借鉴别人的，感觉到自己的水平实在是有限。

通过这次作业，对整个设计系统有了全局性的认识，但涉及到具体细节，自己还是很不足。

在光幕测速这方面，在网上查阅的大部分论文都是来自中北大学或华北工学院的老师或学生之手，还看到了上面贴有华北工学院的光幕靶实物，说明我们学校在这方面处于全国的前列，不免有些自豪。

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。