隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，測(cè)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用已滲透到了武器、航天、工業(yè)等諸多領(lǐng)域。如在武器系統(tǒng)的研制、定型、生產(chǎn)質(zhì)量控制、產(chǎn)品檢驗(yàn)等研究中，需要測(cè)定彈丸的飛行速度;在高速機(jī)車的研制開(kāi)發(fā)過(guò)程中，同樣需要對(duì)其速度加以檢測(cè)。面對(duì)各種各樣的測(cè)速試驗(yàn)，形形色色的測(cè)速方法也隨之而來(lái)，如多普勒雷達(dá)精度高，但設(shè)備龐大，價(jià)格昂貴;照相測(cè)速方法簡(jiǎn)單直觀，精度較高，但工序繁瑣，周期較長(zhǎng);網(wǎng)靶可靠性好，但測(cè)試精度低，成本高且測(cè)速效率低;相比之下紅外線光電開(kāi)關(guān)利用光通斷產(chǎn)生的邊沿觸發(fā)是良好的非接觸性測(cè)速手段，它成本低廉，在常溫或測(cè)試環(huán)境溫度不太高的情況下測(cè)速效率高、精度高、測(cè)試范圍大，在常規(guī)測(cè)速中具有顯著優(yōu)勢(shì)。本文提出一種運(yùn)用NI6251 高速數(shù)據(jù)采集卡與LabVIEW 軟件相結(jié)合的方法替代了傳統(tǒng)的基于單片機(jī)或FPGA 等自行設(shè)計(jì)的硬件電路所組成的數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)，提高了測(cè)速系統(tǒng)的可靠性和測(cè)量精度。

1 測(cè)速系統(tǒng)工作原理

紅外光電開(kāi)關(guān)測(cè)速是通過(guò)2 個(gè)光電開(kāi)關(guān)之間的距離s 以及測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體通過(guò)2 個(gè)光電開(kāi)關(guān)的時(shí)間間隔t 然后做除法而得到其平均速度的測(cè)速方法。

當(dāng)無(wú)運(yùn)動(dòng)物體遮擋光電開(kāi)關(guān)時(shí)，光電開(kāi)關(guān)的接收端輸出高電平信號(hào)，當(dāng)有物體經(jīng)過(guò)遮擋時(shí)，光電開(kāi)關(guān)的接收端輸出低電平信號(hào)。即當(dāng)高速物體經(jīng)過(guò)一對(duì)光電開(kāi)關(guān)時(shí)會(huì)先后形成2 個(gè)高電平到低電平的脈沖信號(hào)。通過(guò)計(jì)時(shí)周期的方式測(cè)出這2 個(gè)下降沿之間的計(jì)數(shù)周期個(gè)數(shù)n，計(jì)時(shí)原理如圖1 所示。

圖1 計(jì)時(shí)原理圖

根據(jù)計(jì)時(shí)原理可得到計(jì)時(shí)時(shí)間t：

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)測(cè)速原理的分析可知，s 可以由刻度尺直接測(cè)量得出，因此測(cè)速系統(tǒng)主要由計(jì)時(shí)電路和軟件除法運(yùn)算單元構(gòu)成。計(jì)數(shù)器在第1 個(gè)脈沖信號(hào)的下降沿開(kāi)始計(jì)時(shí)，在第2 個(gè)脈沖信號(hào)的下降沿停止計(jì)時(shí)，而后將得到的計(jì)時(shí)時(shí)間傳送給上位機(jī)軟件進(jìn)行處理得到測(cè)量值。

2.1 計(jì)時(shí)電路設(shè)計(jì)

計(jì)時(shí)電路是基于NI6251 內(nèi)部時(shí)鐘計(jì)數(shù)器來(lái)設(shè)計(jì)的， 相比較一般51 單片機(jī)12MHz 的晶振和FPGA的50MHz 的晶振，NI6251 所提的80MHz 晶振計(jì)數(shù)精度更高，測(cè)速時(shí)2 個(gè)光電開(kāi)關(guān)所產(chǎn)生的脈沖信號(hào)時(shí)間間隔會(huì)被更準(zhǔn)確地記錄。計(jì)時(shí)電路設(shè)計(jì)如圖2 所示。

圖2 計(jì)時(shí)電路設(shè)計(jì)圖

2.2 軟件設(shè)計(jì)

LabView 是一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語(yǔ)言，由NI 公司研制開(kāi)發(fā)?，F(xiàn)被廣泛應(yīng)用于虛擬儀器設(shè)計(jì)相關(guān)的科研領(lǐng)域。根據(jù)測(cè)速系統(tǒng)原理和人機(jī)交互優(yōu)化原則設(shè)計(jì)軟件流程如圖3所示。

圖3 軟件設(shè)計(jì)流程圖

根據(jù)軟件設(shè)計(jì)流程圖編寫上位機(jī)軟件如圖4、圖5 所示。

圖4 虛擬儀器界面設(shè)計(jì)圖

圖5 虛擬儀器底程序設(shè)計(jì)圖

3 誤差分析

隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展和人們認(rèn)識(shí)水平的不斷提高，雖然可以將誤差控制的越來(lái)越小，但終究不能完全消除它。誤差的分析與評(píng)定在測(cè)試領(lǐng)域中尤為關(guān)鍵，是檢驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)。

3.1 誤差來(lái)源

本系統(tǒng)的誤差來(lái)源主要是在測(cè)量傳感器之間距離s 時(shí)來(lái)自量具的儀器誤差Δs 和來(lái)自于計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)的誤差。計(jì)數(shù)誤差表現(xiàn)為當(dāng)時(shí)間計(jì)數(shù)器清零并開(kāi)始計(jì)數(shù)時(shí)， 由于計(jì)數(shù)器由時(shí)標(biāo)脈沖下降沿觸發(fā)，所以可能出現(xiàn)計(jì)數(shù)器剛開(kāi)始計(jì)數(shù)時(shí)時(shí)標(biāo)脈沖就出現(xiàn)一個(gè)下降沿，而停止計(jì)數(shù)正好在一個(gè)下降沿結(jié)束后，這樣所計(jì)數(shù)的時(shí)間比實(shí)際時(shí)間多一個(gè)脈沖;同樣，如果開(kāi)始計(jì)數(shù)是在下降沿剛出現(xiàn)后，而結(jié)束計(jì)數(shù)是在下降沿出現(xiàn)前， 會(huì)導(dǎo)致計(jì)數(shù)時(shí)間比實(shí)際時(shí)間少一個(gè)脈沖，造成計(jì)數(shù)誤差。計(jì)數(shù)誤差范圍為(-1/f，1/f)，在此區(qū)間上平均分布。

此外， 環(huán)境因素所帶來(lái)的影響是多方面的，由于溫度、氣壓和水汽的影響，空氣折射率分布不均勻，折射率的梯度造成的光線發(fā)生彎曲;由于高速運(yùn)動(dòng)還會(huì)帶來(lái)空氣的氣流變化和氣體震動(dòng)而引起對(duì)光路的干擾。加之一些不確定因素，主要反映在電信號(hào)上，環(huán)境影響帶入了電平的抖動(dòng)以及一些高頻和低頻的干擾。但這些干擾一般在電路中可以去掉或忽略。

3.2 誤差綜合評(píng)定

根據(jù)以上誤差的來(lái)源分析和誤差理論， 對(duì)式(2)求導(dǎo)得到誤差：

為依據(jù)國(guó)標(biāo)QBT2443-1999 的規(guī)定計(jì)算。規(guī)定一級(jí)鋼卷尺自零點(diǎn)端起到任意線紋的示值誤差限為：Δ=(0.1+0.1L)mm，L 單位為m。若測(cè)試距離取0.3m，Δs 取0.03mm，待測(cè)運(yùn)動(dòng)物體速度為300m/s，那么將數(shù)據(jù)代入式(4)得到系統(tǒng)測(cè)速的最大相對(duì)誤差為：

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)構(gòu)分析

本測(cè)速系統(tǒng)已成功應(yīng)用在雙級(jí)空氣炮彈射物體測(cè)速實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 測(cè)速數(shù)據(jù)表

5 結(jié)語(yǔ)

建立了基于紅外光電開(kāi)關(guān)的測(cè)速系統(tǒng)，分析了測(cè)試系統(tǒng)的誤差，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果證明該方法能夠?qū)⒏咚僦本€運(yùn)動(dòng)物體的測(cè)試誤差保證在0.0015%以內(nèi)。本系統(tǒng)僅用一套對(duì)射型光電發(fā)射/接收裝置，預(yù)想進(jìn)一步提高整個(gè)測(cè)速系統(tǒng)的測(cè)速精度，可采取在測(cè)速軌道上多安置幾組光電開(kāi)關(guān)來(lái)一同測(cè)速，最后將各組測(cè)試數(shù)值取均值得出最終數(shù)據(jù)。