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高速運動物體的物理狀態檢測分析一直以來都是一項重要的研究內容，特別是對于高速運動物體瞬時運動速度的檢測。這是瞬態過程及效應物理研究中的一個有待發展的領域，可能會導致極端條件下的新物理效應，在高速碰撞等方面有著直接的應用背景，也給檢測和控制技術提出了更高的挑戰。 1 測量方法 對于高速運動的物體，常用的速度測量方法按測量原理可分成三類，即瞬時速度測量法、平均速度測量法和多普勒原理測量法。瞬時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方向放置兩道光幕；通過測量兩光幕之間的距離S和測量目標通過兩光幕之間的時間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，由于每個光幕及其后處理電路在工作中的處理速度和延時不可能完全一致，這樣就會造成難以避免的誤差。在要求高精度的測量中，這些誤差會對結果產生附加的負面的影響。另外，兩個光幕射出的光要求嚴格平行，否則測量結果也會產生誤差，而嚴格平行在現實測量中也很難做到。基于此，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光幕及其后的電路時由于處理時間不一致而在產生誤差的同時，也避免了因兩束光線不平行產生的誤差。 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出的光束。測量開始后，當目標前端擋住光源發出的光時，光敏器件因接收不到光而輸出低電壓信號；當目標通過后，光敏器件重新接收到光源所發出的光后，輸出變回高電壓信號。被測目標的長度L可以事先通過矩陣鍵盤輸入到測速度系統，根據電信號的變化觸發和停止計數單元，可以記錄到目標通過光源下方的時間t，在假設目標運動方向與光束垂直時，可近似取L計算目標在這段時間內的平均速度v=L／t。此時，目標不受運動方向上力的作用，所以速度變化微小，此速度可看作目標的出口速度。 從以上過程可以看出，在保證整套系統具有高精度的同時，對光電轉換器件性能的依賴大大降低。同時因為兩路信號均經過同一套處理電路，所以信號在路徑上的延時幾乎完全一致，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。 3 系統模型 為了在數據處理和運算時仍能達到更高的精度和更快的處理速度，考慮采用時鐘頻率較高的FPGA芯片實現此系統。這樣做的好處是可以采用先進的Top-Down設計方法，從系統原型人手，在頂層進行功能方框圖的劃分和結構設計。在功能級進行仿真、糾錯，并用硬件描述語言對高層次的系統行為進行描述，然后用綜合工具將設計轉化為具體門電路網表后，將整個系統下載到FPGA芯片中執行。由于設計的主要仿真和調試過程是在高層次上完成的，這不僅有利于早期發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足框圖要求，可見在FPGA中實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目標速度的測量原理雖然簡單，但想要滿足所有的理想測量條件卻非常困難，如果要進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)目標運動方向與光束嚴格垂直； (3)光源發出的光束無限細； (4)計數器不存在計數誤差； (5)被測目標的長度測量準確。 但在實際情況中，上述條件都無法完全滿足，正是這些微小的改變造成了最終測量結果與實際速度的誤差。所以精度的分析需要從這幾個方面的誤差源頭入手。可以將上述的(1)、(3)、(4)歸為時間上的誤差，而將(2)、(5)歸為長度上的誤差。 4．1 配套外圍器件的影響 一般高速光電器件產生信號的延遲時間為3～5μs，但由于采用單束光獲取信號，使得在一次測量過程中的開始和結束兩次信號傳輸都經過相同的路徑，外圍器件的延時可以絕大部分抵消；但還是會存在由于器件精度引起的兩次延時的微量不同，取1／10最大延遲時間得出△t1=O．5μs。 4．2 目標運動方向偏差的影響 在目標運動速度與光束的方向垂直時，可近似取目標長度L，計算運動目標速度，但當目標并沒有嚴格垂直于光束而有θ的偏轉時，L是與目標運動方向相關的量，L'=LCOSθ。假設目標在出口處最大偏差角為1°，則可計算出長度誤差△L1=L－L'=L(1-COSθ)=1．523×10-4L，若取長度L=O．1 m計算，則△L1=1．523×10-5m。 4．3 光點直徑的影響 由于光束不是無限細，所以無法確定目標擋住多少光束時光敏器件會產生信號，假設光束直徑(d)為1 mm，目標速度(v)為1 000 m／s時，最大時間誤差△t2=d／v=1μs。 4．4 計數誤差的影響 該設計中采用40 MHz的晶振，定時步長為25 ns，由于無法確定計數開始時的時鐘狀態，所以在計數的開始和結束時均可能產生最大一個時鐘周期的計數誤差，最大誤差為△t3=25×2=50 ns。 4．5 目標測量精度的影響 被測目標的長度L在測量過程中，由于測量工具的限制，得到的被測目標長度值也不可避免地會存在誤差，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。通過分析，目標運動距離測量總誤差為： 通過以上計算，系統的總體誤差為0．157％，達到較高的精度。 5 結 語 本文在充分調查了當前針對高速運動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目標的速度。避免了使用雙光幕平均速度測量法時由于兩路信號時延不同和兩光幕不平行而產生的誤差；同時減少一個光幕的使用，降低了系統成本。采用高時鐘頻率的FPGA作為主要實現芯片，在進一步減小系統誤差的同時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。 |
