超高速摄影机转镜的高精度速度测量研究

    1 引  言

    转镜式超高速摄影测试技术用于实现对高速流场的记录,为流场实验提供直观、准确的图像资料,具有良好的时空分辨率,与拍摄目标可以准确同步、使用可靠、操作简单,是研究高速运动过程的重要手段之一。因此它在高速摄影仪器中占据重要的地位,被广泛应用于爆炸力学、高压物理、等离子体、火花放电以及新型激光光源和激光光谱学的研究[1~3]。为了比较精确地获取分幅摄影机的拍摄频率和条纹摄影机的扫描速度,以提供研究分析被摄事件发展过程的时间空间数据,则必须精确地测量转镜在拍摄期间的速度或测量拍摄时转镜旋转1周的时间[4]。以往的超高速摄影机的转镜速度测量大多采用两种方法[4]:一种是示波比较法,即通过观察阴极射线管屏幕上的波形这种模拟的方法;另一种是时间间隔测量法,但当时的方法采用电子管和晶体管等分立元件组成,不合适宽范围测量,精度差,不易与计算机通信。传统旋转运动的转速测量一般采用时间间隔测量法,且多采用单片机和可编程逻辑器件(CPLD)来测量[5,6],处理速度慢,计数器经常溢出,精度较低,所以以上测速方法都无法满足要求。基于此,本文采用现场可编程门阵列(FPGA)和数字信号处理器(DSP)相结合的数字测量方法,FPGA与DSP的通信采用高速串行外围设备接口(SPI)总线,DSP根据被测速度自动设置FPGA的门控时间和数据处理,FPGA完成计数和缓存,从而完成宽范围的转速测量。

    2 转镜测速原理

    本转镜系统由高速电机经过10倍增速机构后驱动转镜[4],在转镜的中心轴径向方向打一通孔,通孔两侧分别装红外光电二极管和光敏二极管,转镜旋转1周时光敏二极管上就产生2个电脉冲。所以转镜测速实际上最终还是转化成测转镜的频率,它由3部分组成:1)红外光电二极管、光敏二极管及放大整形电路组成的前端信号调理单元;2)FPGA及DSP为核心的测速单元;3)计算机通信单元。

    测量原理如图1所示。给定一个频率较高的时钟信号作为标准频率信号Fb,并保证测量的闸门时间为被测速度脉冲信号Fx的整数倍,在闸门时间里同时对信号Fb和信号Fx进行计数。

    在测量过程中,FPGA根据转镜实际的转速预置门控信号的高电平时间(预置闸门时间)T0,在预置闸门信号的上升沿到来时,系统并没有开始计数,一直等到信号Fx的上升沿到来时,才开始用2个计数器分别对信号Fb和信号Fx的脉冲个数进行计数。在预置闸门信号的下降沿到来时,计数器继续计数,需等到信号Fx的上升沿到来时,才停止计数,同时读取此时2个计数器的计数值。这样,实际的计数闸门时间为Tx。设信号Fb的频率为fb,在T1时间内信号Fb和信号Fx的脉冲个数分别是Nb和Nx,则被测速度信号Fx的频率fx可以表示为