一种红外光幕测速系统的设计与应用

　　随着科学技术的发展,测速系统的应用已渗透到武器、航天、工业等诸多领域,如:在武器的研制、定型、生产质量控制、产品检验等研究中,需要测定弹丸的飞行速度;在高速机车的研制开发过程中,同样需要对其速度加以检测[1].面对各种各样的测速试验,形形色色的测速方法也随之而来,如:多普勒雷达精度高,但设备庞大,价格昂贵;照相测速方法简单直观,精度较高,但工序繁琐,周期较长;网靶可靠性好,但测试精度低,成本高且测速效率低.相比之下,红外线光电开关利用光通断产生的边沿触发是良好的非接触性测速手段,它成本低廉、操作简便,在常温或测试环境温度不太高的情况下测速效率高、精度高、测试范围大,在常规测速中具有显著的优势.本文提出一种基于NI6220高速数据采集卡与LABVIEW软件设计相结合的方法,替代传统的基于单片机或FPGA等自行设计的硬件电路所组成的数据采集分析系统,提高了测速系统的可靠性和测量精度[2-3].

　　1　测速系统工作原理

　　红外光电开关通电后,会在发射端和接收端之间形成红外光幕.2对光电开关摆放好后,可以测量出2个光幕之间的距离s.当无运动物体遮挡红外光幕时,光电开关的接收端输出高电平信号;当有物体遮挡光幕时,光电开关的接收端发出低电平信号.即当物体经过2个光幕后会产生2个由高电平到低电平的脉冲信号.计数器可以记下这2个脉冲之间的时钟周期个数n,计时原理如图1所示.

　　根据计时原理由式(1)可得到计时时

　　利用公式(2)可得到运动物体在s上的平均速度:

　　2　系统设计

　　通过对测速原理的分析可知,s可以由刻度尺直接测量得出,因此测速系统主要由计时电路和软件除法运算单元构成.计数器在第1个脉冲信号的下降沿开始计时,在第2个脉冲信号的下降沿停止计时,而后将得到的计时时间传送给上位机软件进行处理得到速度值.

　　2.1　计时电路设计

　　计时电路是基于NI6220内部时钟计数器来设计的,相比较一般使用单片机工作晶振,NI6220所提的80 MHz晶振计数精度更高.测速时2个光电开关所产生的脉冲信号时间间隔会被更准确地记录.计时电路设计如图2所示.

　　2.2　软件设计

　　LABVIEW是由美国国家仪器(NI)公司研制开发的基于计算机的虚拟仪器(virtual instru-ments)设计软件.它因为具有强大的数据处理功能而越来越受到测试界的青睐.根据测速系统原理和人机交互优化原则设计软件流程如图3.

　　根据软件设计流程图编写测试软件,如图4、图5所示.

　　3　误差分析