中心議題：

• 紅外線光電開關(guān)測速系統(tǒng)工作原理
• 紅外線光電開關(guān)測速系統(tǒng)設(shè)計(jì)
• 紅外線光電開關(guān)測速系統(tǒng)誤差分析

解決方案：

• 紅外線光電開關(guān)測速系統(tǒng)的計(jì)時(shí)電路設(shè)計(jì)
• 紅外線光電開關(guān)測速系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

隨著現(xiàn)代科技的不斷進(jìn)步，各個(gè)領(lǐng)域?qū)y速系統(tǒng)的應(yīng)用越來越多，同時(shí)也對測速精度的要求日益苛刻。文中提出一種基于紅外線光電開關(guān)的測速系統(tǒng)，采用NI6251高速數(shù)據(jù)采集卡以及LabVIEW軟件設(shè)計(jì)代替了傳統(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)，提高了測速系統(tǒng)的可靠性和測量精度。文中介紹了整個(gè)測速系統(tǒng)的工作原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了系統(tǒng)的誤差分析?，F(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果證明，該方法能夠?qū)⒏咚僦本€運(yùn)動(dòng)物體的測試誤差保證在0.0015％以內(nèi)。

1 測速系統(tǒng)工作原理

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

當(dāng)無運(yùn)動(dòng)物體遮擋光電開關(guān)時(shí)，光電開關(guān)的接收端輸出高電平信號(hào)，當(dāng)有物體經(jīng)過遮擋時(shí)，光電開關(guān)的接收端輸出低電平信號(hào)。即當(dāng)高速物體經(jīng)過一對光電開關(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)。通過計(jì)時(shí)周期的方式測出這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：

運(yùn)動(dòng)物體在s 上的平均速度：
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2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過對測速原理的分析可知，s 可以由刻度尺直接測量得出，因此測速系統(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，測速時(shí)2 個(gè)光電開關(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言，由NI 公司研制開發(fā)。現(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[page]

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越小，但終究不能完全消除它。誤差的分析與評(píng)定在測試領(lǐng)域中尤為關(guān)鍵，是檢驗(yàn)測試系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)。

3.1 誤差來源
本系統(tǒng)的誤差來源主要是在測量傳感器之間距離s 時(shí)來自量具的儀器誤差Δs 和來自于計(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)帶來空氣的氣流變化和氣體震動(dòng)而引起對光路的干擾。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。
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3.2 誤差綜合評(píng)定
根據(jù)以上誤差的來源分析和誤差理論， 對式（2）求導(dǎo)得到誤差：

將式（3）轉(zhuǎn)換成最大誤差：

計(jì)時(shí)電路計(jì)時(shí)最大誤差

為依據(jù)國標(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。若測試距離取0.3m，Δs 取0.03mm，待測運(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)測速的最大相對誤差為：

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

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

表1 測速數(shù)據(jù)表

5 結(jié)語

建立了基于紅外光電開關(guān)的測速系統(tǒng)，分析了測試系統(tǒng)的誤差，現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果證明該方法能夠?qū)⒏咚僦本€運(yùn)動(dòng)物體的測試誤差保證在0.0015％以內(nèi)。本系統(tǒng)僅用一套對射型光電發(fā)射/接收裝置，預(yù)想進(jìn)一步提高整個(gè)測速系統(tǒng)的測速精度，可采取在測速軌道上多安置幾組光電開關(guān)來一同測速，最后將各組測試數(shù)值取均值得出最終數(shù)據(jù)。