高速运动物体制动全过程测量

　　高速运动物体的制动及减速性能是关系到安全的一项重要指标,为了给制动系统及减速装置设计提供可靠的依据,有必要对制动范围进行全过程速度测量。现时的测速方法有很多,由于接触式测量的种种缺点,运用更多的是非接触式测量[1],其中主要有线圈靶测速、雷达测速、激光多普勒测速、高速摄影及光幕测速等。线圈靶测速需将被测物体磁化,因此只能测试金属物体,局限性较大,并且线圈靶间距离不能太近,否则会产生干扰[2],同时测量精度不高,测时误差在3μs左右[3];雷达测速和激光多普勒测速都以多普勒效应原理为基础,具有精度高、能多点测量的特点,但是设备成本高,维护不方便,且不适用于低速测量;高速摄影准确度较低、操作和数据处理繁琐,一般不用于高精度测量[4];光幕测速特别是激光光幕测速,以激光为光源,当被测物体通过光幕时,光接收器接收光通量改变,产生过靶信号,具有测试精度高,便于维护,成本低等特点,因此较多地用于测速系统。现有的激光测速一般只有两个靶,仅测试运动物体在两靶间的平均速度[5, 6],而据此扩展出来的运动物体全过程测量一般采用探测器阵列方式,即沿物体运动方向排布多组检测器件[7]。存在的主要问题是所需探测器件多、费用高,阵列排布的空间位置偏差及各检测器件性能参数的分散性等限制了测量精度的提高。同时,由于器件本身物理尺寸的原因,排布间隔受限制,导致测量点数相对较少,可能遗漏重要的速度变化细节。

　　笔者提出了一种新型的基于激光光幕法的高速运动物体制动过程速度全过程测量方法,具有非接触、高精度、动态范围大、测量点数多、可测到准静态等特点。有别于一般的激光光幕全过程测量,本系统仅使用一组激光发射/接收器件,从根本上消除了器件阵列排布位置偏差和光电器件个体差异对测量精度的影响,能实现高精度和高性价比的全过程速度测量。

　　1　测速系统概述

　　光幕测速一般采用定距测量法,即按固定位置和间隔平行放置两组激光发射/接收器,第一组为起始靶,第二组为结束靶,通过测量运动物体经过两靶的间隔时间求得靶间平均速度[6]。本系统基于以上测速原理,但采用类似增量光电编码器的结构,仅需一组激光发射/接收装置,通过与运动物体固联的参考齿形板的挡光作用形成序列光靶。这时,齿形板随物体一起运动,激光光路通过每一个齿形孔时都会产生一个过靶信号。每一个过靶信号既是上一段距离的测时结束又是下一段距离的测时开始,由此通过计数电路可得光束通过该相邻两齿所需要的时间Δti,设两个通光齿形孔间距为Δx,根据速度定义vi=Δx/Δti(1)