基于FPGA的高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)單光幕測(cè)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引 言
高速運(yùn)動(dòng)物體的物理狀態(tài)檢測(cè)分析一直以來(lái)都是一項(xiàng)重要的研究?jī)?nèi)容，特別是對(duì)于高速運(yùn)動(dòng)物體瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)速度的檢測(cè)。這是瞬態(tài)過程及效應(yīng)物理研究中的一個(gè)有待發(fā)展的領(lǐng)域，可能會(huì)導(dǎo)致極端條件下的新物理效應(yīng)，在高速碰撞等方面有著直接的應(yīng)用背景，也給檢測(cè)和控制技術(shù)提出了更高的挑戰(zhàn)。

1 測(cè)量方法
對(duì)于高速運(yùn)動(dòng)的物體，常用的速度測(cè)量方法按測(cè)量原理可分成三類，即瞬時(shí)速度測(cè)量法、平均速度測(cè)量法和多普勒原理測(cè)量法。瞬時(shí)速度測(cè)量法采用彈道擺或微波傾角法，可以換算出物體的瞬時(shí)飛行速度，但測(cè)試誤差較大，目前很難達(dá)到高的精度。多普勒測(cè)速法是利用波傳播中多普勒效應(yīng)進(jìn)行測(cè)速的方法，也是一種比較有效的測(cè)量速度方法。平均速度測(cè)量法是在測(cè)量目標(biāo)前進(jìn)方向放置兩道光幕；通過測(cè)量?jī)晒饽恢g的距離S和測(cè)量目標(biāo)通過兩光幕之間的時(shí)間t；然后利用平均速度公式v=S／t計(jì)算測(cè)量目標(biāo)的速度，如圖1所示。

但在使用雙光幕的平均速度測(cè)量法中，由于每個(gè)光幕及其后處理電路在工作中的處理速度和延時(shí)不可能完全一致，這樣就會(huì)造成難以避免的誤差。在要求高精度的測(cè)量中，這些誤差會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生附加的負(fù)面的影響。另外，兩個(gè)光幕射出的光要求嚴(yán)格平行，否則測(cè)量結(jié)果也會(huì)產(chǎn)生誤差，而嚴(yán)格平行在現(xiàn)實(shí)測(cè)量中也很難做到?；诖耍@里提出一種單光幕的速度測(cè)量系統(tǒng)。在避免兩路信號(hào)通過光幕及其后的電路時(shí)由于處理時(shí)間不一致而在產(chǎn)生誤差的同時(shí)，也避免了因兩束光線不平行產(chǎn)生的誤差。

2 測(cè)量系統(tǒng)原理
該系統(tǒng)采用單光頭測(cè)量，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。將光源置于發(fā)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(zhǔn)確接收到光源所發(fā)出的光束。測(cè)量開始后，當(dāng)目標(biāo)前端擋住光源發(fā)出的光時(shí)，光敏器件因接收不到光而輸出低電壓信號(hào)；當(dāng)目標(biāo)通過后，光敏器件重新接收到光源所發(fā)出的光后，輸出變回高電壓信號(hào)。被測(cè)目標(biāo)的長(zhǎng)度L可以事先通過矩陣鍵盤輸入到測(cè)速度系統(tǒng)，根據(jù)電信號(hào)的變化觸發(fā)和停止計(jì)數(shù)單元，可以記錄到目標(biāo)通過光源下方的時(shí)間t，在假設(shè)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)方向與光束垂直時(shí)，可近似取L計(jì)算目標(biāo)在這段時(shí)間內(nèi)的平均速度v=L／t。此時(shí)，目標(biāo)不受運(yùn)動(dòng)方向上力的作用，所以速度變化微小，此速度可看作目標(biāo)的出口速度。