高速运动物体的速度测试系统设计

高速运动物体的速度测试系统设计

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高速运动物体的速度测试系统设计

1 引言

本文的主要任务是通过设计高速运动物体的速度测试系统来确定高速运动物体在在运动过程中的速度，一种基于光幕测速的高速运动物体速度测试系统。激光光幕速度测试是利用光电检测技术实现对物体速度的非接触测试，该方法操作简便，效率高，测试范围大，精度高。

2 测速系统的工作原理

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。

3 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.

4 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．1 m 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1 mm，目标速度(v)为1 000 m／s时，最大时间误差△t2=d／v=1μs。

该设计中采用40 MHz的晶振，定时步长为25 ns，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=50 ns。

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0．01 mm，△L2=0．01 mm。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