红外线光电开关测速系统的工作原理和设计
Ofweek 2021-10-15

 摘要:随着现代科技的不断进步,各个领域对测速系统的应用越来越多,同时也对测速精度的要求日益苛刻。文中提出一种基于红外线光电开关的测速系统,采用NI6251高速数据采集卡以及LabView软件设计代替了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。文中介绍了整个测速系统的工作原理、结构设计和软件设计,并进行了系统的误差分析。现场试验结果证明,该方法能够将高速直线运动物体的测试误差保证在0.0015%以内。

 

  随着科学技术的快速发展,测速系统的设计应用已渗透到了武器、航天、工业等诸多领域。如在武器系统的研制、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。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,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着优势。本文提出一种运用NI6251 高速数据采集卡与LabVIEW 软件相结合的方法替代了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。

 

  1 测速系统工作原理

 

  红外光电开关测速是通过2 个光电开关之间的距离s 以及测量运动物体通过2 个光电开关的时间间隔t 然后做除法而得到其平均速度的测速方法。

  当无运动物体遮挡光电开关时,光电开关的接收端输出高电平信号,当有物体经过遮挡时,光电开关的接收端输出低电平信号。即当高速物体经过一对光电开关时会先后形成2 个高电平到低电平的脉冲信号。通过计时周期的方式测出这2 个下降沿之间的计数周期个数n,计时原理如图1 所示。

 

  图1 计时原理图

  图1 计时原理图

 

  根据计时原理可得到计时时间t:

  根据计时原理可得到计时时间t

 

  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测量值。

  2.1 计时

  计时电路是基于NI6251 内部时钟计数器来设计的, 相比较一般51 单片机12MHz 的晶振和FPGA的50MHz 的晶振,NI6251 所提的80MHz 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。

 

  图2 计时电路设计图

  图2 计时电路设计图

 

  2.2 软件设计

  LabView 是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言,由NI 公司研制开发。现被广泛应用于虚拟仪器设计相关的科研领域。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所示。

 

  图3 软件设计流程图

  图3 软件设计流程图

 

  根据软件设计流程图编写上位机软件如图4、图5 所示。

 

  图4 虚拟仪器界面设计图

  图4 虚拟仪器界面设计图

 

  图5 虚拟仪器底程序设计图

  图5 虚拟仪器底程序设计图

 

  3 误差分析

 

  随着科学技术的日益发展和人们认识水平的不断提高,虽然可以将误差控制的越来越小,但终究不能完全消除它。误差的分析与评定在测试领域中尤为关键,是检验测试系统性能的重要指标。

  3.1 误差来源

  本系统的误差来源主要是在测量传感器之间距离s 时来自量具的仪器误差Δs 和来自于计数器计时的误差。计数误差表现为当时间计数器清零并开始计数时, 由于计数器由时标脉冲下降沿触发,所以可能出现计数器刚开始计数时时标脉冲就出现一个下降沿,而停止计数正好在一个下降沿结束后,这样所计数的时间比实际时间多一个脉冲;同样,如果开始计数是在下降沿刚出现后,而结束计数是在下降沿出现前, 会导致计数时间比实际时间少一个脉冲,造成计数误差。计数误差范围为(-1/f,1/f),在此区间上平均分布。

  此外, 环境因素所带来的影响是多方面的,由于温度、气压和水汽的影响,空气折射率分布不均匀,折射率的梯度造成的光线发生弯曲;由于高速运动还会带来空气的气流变化和气体震动而引起对光路的干扰。加之一些不确定因素,主要反映在电信号上,环境影响带入了电平的抖动以及一些高频和低频的干扰。但这些干扰一般在电路中可以去掉或忽略。

  3.2 误差综合评定

  根据以上误差的来源分析和误差理论, 对式(2)求导得到误差:

  最大误差

  为依据国标QBT2443-1999 的规定计算。规定一级钢卷尺自零点端起到任意线纹的示值误差限为:Δ=(0.1+0.1L)mm,L 单位为m。若测试距离取0.3m,Δs 取0.03mm,待测运动物体速度为300m/s,那么将数据代入式(4)得到系统测速的最大相对误差为:

  最大相对误差

  4 实验数据及结构分析

 

  本测速系统已成功应用在双级空气炮弹射物体测速实验中,实验数据如表1 所示。

 

  表1 测速数据表

  表1 测速数据表

 

  5 结语

 

  建立了基于红外光电开关的测速系统,分析了测试系统的误差,现场试验结果证明该方法能够将高速直线运动物体的测试误差保证在0.0015%以内。本系统仅用一套对射型光电发射/接收装置,预想进一步提高整个测速系统的测速精度,可采取在测速轨道上多安置几组光电开关来一同测速,最后将各组测试数值取均值得出最终数据。

声明: 本文转载自其它媒体或授权刊载,目的在于信息传递,并不代表本站赞同其观点和对其真实性负责,如有新闻稿件和图片作品的内容、版权以及其它问题的,请联系我们及时删除。(联系我们,邮箱:evan.li@aspencore.com )
0
评论
热门推荐
  • 相关技术文库
  • 硬件
  • 原理图
  • 信号完整性
  • EMI
  • 工程师需了解的芯片datasheet

    注 | 文末留言有神器 本文主要介绍芯片datasheet的查找、使用方法以及重要性,不管是设计硬件电路还是编程,datasheet都是重要的资料, 芯片的使用方法都在datasheet里,这也是最权威的资料! Datasheet(数据手册)的快速阅读能力是每个工程师都应该具备的基本

    05-11
  • 三级管的无刷电机滤波应用

    如图1是无刷电机霍尔信号的滤波电路,为了保证波形质量,简单的阻容滤波并不能完全解决实际复杂的工作环境所带来的波形异常,量产的无刷驱动模块也有该电路。 为了保证滤波质量,在RC滤波后面加一个NPN三极管,利用三极管自身的响应速度达到高质量滤波目的。

    05-11
  • 为什么烧毁的总是相同的电容?

    我曾在一家光通信公司担任设计工程师,该公司生产的1000台设备安装在世界各地。现场的模块很多,送回公司返修的也很多,我的工作便是搞清这些模块出了什么故障。其中一次故障查找经历给我上了精彩的一课,我至今记忆犹新。 客户寄回来一个模块,其故障原因很

    05-11
  • 理解PID,探究微分、积分电路的本质

    很多朋友觉得PID是遥不可及,很神秘,很高大上的一种控制,对其控制原理也很模糊,只知晓概念性的层面,知其然不知其所以然,那么本期从另类视角来探究微分、积分电路的本质,意在帮助理解PID的控制原理(PID:P表示比例控制;I表示积分控制;D表示微分控制)

    05-10
  • 555定时器电路图汇总

    3*3*3光立方 警报器 闪光器 鸣笛警报器 闪烁电路 闪烁电路 激光射线 闩 电子骰子 LED调光器 555放大器 光检测器 机器枪 金属探测器 电机脉宽调制 LED闪光电路 音乐盒 玩具器官 警灯 另一个警灯 驱动双色LED 模型铁路时间 雨水警报 反应计时器 继电器 继电器

    05-07
  • 电解电容的计算与选择

    输入侧的电解电容计算 我们一般按照在最低输入电压下,最大输出的情况下,要求电解电容上的纹波电压低于多少个百分点来计算。当然,如果有保持时间的要求,那么需要按照保持时间的要求重新计算,二者之中,取大的值。 假如在最低输入电压下,电源的输入功率为

    05-07
  • 一个按键开关机的硬件软件设计

    要设计一个产品,只有一个按键,长按开机,再长按就关机(关机电路上的电源需要断开)。那么硬件需要怎么设计呢,软件又可以怎么做呢? 硬件电路设计如下。 硬件PCB设计如下。 硬件的工作原理是这样的,长按按键SW1时,MOS管Q1导通,电源VBAT+给系统供电,单片

    05-06
  • 电子硬件英文缩写术语解析

    常用控制接口 EN:Enable,使能。使芯片能够工作。要用的时候,就打开EN脚,不用的时候就关闭。有些芯片是高使能,有些是低使能,要看规格书才知道。 CS:Chip Select,片选。芯片的选择。通常用于发数据的时候选择哪个芯片接收。例如一根SPI总线可以挂载多个

    05-06
  • 二极管限幅电路的具体分析细节

    二极管最基本的工作状态是导通和截止两种,利用这一特性可以构成限幅电路。所谓限幅电路,就是指限制电路中某一点的信号幅度大小,当信号幅度大到一定程度时,不让信号的幅度再增大;当信号的幅度没有达到限制的幅度时,限幅电路不工作。具有这种功能的电路称

    05-07
  • 60%的EMI问题可以用这个来解决

    随着信号上升沿时间的减小,信号频率的提高,电子产品的EMI问题,也来越受到电子工程师的重视。高速pcb设计的成功,对EMI的贡献越来越受到重视,几乎60%的EMI问题可以通过高速PCB来控制解决。 1 高速信号走线屏蔽规则 如上图所示:在高速的PCB设计中,时钟等

    04-30
  • 几种常用的传感器数据处理

    在传感器使用中,我们常常需要对传感器数据进行各种整理,让应用获得更好的效果,以下介绍几种常用的简单处理方法: 1.加权平滑:平滑和均衡传感器数据,减小偶然数据突变的影响; 2.抽取突变:去除静态和缓慢变化的数据背景,强调瞬间变化; 3.简单移动平均线

    04-30
  • 工程师硬件面试的几个问题

    今天给大家分享一些硬件常见面试题。 问1 晶体管基本放大电路有共射、共集、共基三种接法,请简述这三种基本放大电路的特点。 共射:共射放大电路具有放大电流和电压的作用,输入电阻大小居中,输出电阻较大,频带较窄,适用于一般放大。 共集:共集放大电路

    04-29
下载排行榜
更多
广告
X
广告