基于光電技術(shù)的速度測(cè)量方法

王 寧，賈志龍，李莉君

（華中科技大學(xué) 物理學(xué)院，湖北 武漢430074）

1 引 言

速度測(cè)量在機(jī)械加工和精密實(shí)驗(yàn)，乃至日常生活中都有著重要的應(yīng)用，精確測(cè)量或無接觸式測(cè)量在某些領(lǐng)域也有著迫切的需求.目前使用比較廣泛的速度測(cè)量方法是多普勒效應(yīng)和光電門測(cè)速，其原理簡(jiǎn)單，但成本相對(duì)較高［1-2］.基于光電鼠標(biāo)的工作原理，本文提出了利用光學(xué)方法進(jìn)行測(cè)速.激光光束照射在粗糙物體表面上會(huì)發(fā)生漫反射，物體表面的顏色不同其反射率也不同，反射率被定義為反射光強(qiáng)度與入射光強(qiáng)度之比.一般情況下，漫反射表面顏色越深，反射率越小，即相同入射光強(qiáng)度下，反射光的強(qiáng)度越小.

本實(shí)驗(yàn)使用間距相同的黑白相間條紋，激光照射在黑色和白色條紋上的反射光強(qiáng)度不同，當(dāng)條紋發(fā)生勻速移動(dòng)時(shí)，反射光的強(qiáng)度則出現(xiàn)周期性強(qiáng)弱變化.光電器件對(duì)入射光的強(qiáng)度變化十分敏感，利用光電器件設(shè)計(jì)的光電探測(cè)器能夠?qū)⒐鈴?qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，根據(jù)測(cè)量的電壓波形即可計(jì)算條紋移動(dòng)的速度.

本測(cè)量系統(tǒng)主要分為4個(gè)模塊：光源及光信息接收模塊、無線通訊模塊、電路及單片機(jī)模塊、LabVIEW軟件模塊.

2 設(shè)計(jì)原理

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

瞬時(shí)速度的定義為

由（1）式可知，只要能夠得到在無窮小的時(shí)間范圍內(nèi)的位移變化量，就可以得到瞬時(shí)速度，因此精確測(cè)量較短時(shí)間內(nèi)的位移變化量和時(shí)間成為影響系統(tǒng)測(cè)量精度的關(guān)鍵因素.

本文基于光電鼠標(biāo)的成像原理［3-4］，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案并做出實(shí)際測(cè)量裝置，并運(yùn)用該裝置測(cè)試了運(yùn)動(dòng)物體的瞬時(shí)速度.光電鼠標(biāo)的原理是1束光照射到物體表面上，反射光投射到圖像處理芯片的感光元件上，在感光元件表面成像.圖像處理芯片記錄并對(duì)比不同時(shí)刻的像素圖，得出鼠標(biāo)移動(dòng)了多少像素，而每個(gè)像素代表的位移是確定值，圖中每個(gè)小格代表1個(gè)像素點(diǎn)，從2張圖可以比較出移動(dòng)的像素?cái)?shù)量，進(jìn)而得出移動(dòng)位移量［5］，如圖1所示.因此清晰的成像會(huì)使得位移的測(cè)量更加精確.

因?yàn)楣馐丈湓诖植谖矬w表面上會(huì)發(fā)生漫反射，空間各位置的光強(qiáng)不同，傳統(tǒng)的光學(xué)導(dǎo)航芯片使用普通的LED光源，即非相干光，抗干擾性較差，對(duì)物質(zhì)表面有很多特殊的要求，激光鼠標(biāo)中的光學(xué)導(dǎo)航芯片采用激光作為光源具有明顯優(yōu)勢(shì)，使其綜合性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)鼠標(biāo).激光的相干性［6］使得光線從表面反射時(shí)產(chǎn)生對(duì)比度很高的圖像，微型攝像頭對(duì)空間的光線進(jìn)行“捕獲”，得到空間光強(qiáng)分布圖，圖像間接反映了物體表面的形貌.運(yùn)用圖像處理專用芯片ADNS-7050對(duì)移動(dòng)軌跡上攝取的系列圖像進(jìn)行分析處理，并對(duì)這些圖像上特征點(diǎn)位置的變化進(jìn)行分析，來判斷移動(dòng)的方向和位移量，從而完成光標(biāo)的定位.通過單片機(jī)進(jìn)一步處理，將定位信息轉(zhuǎn)化為速度的信息，從而完成速度的測(cè)量.此方法測(cè)量速度快捷、方便且成本低，不易受到環(huán)境不穩(wěn)定因素的影響.同時(shí)，利用此方法可以精確記錄下物體運(yùn)動(dòng)的整個(gè)過程及其位移隨時(shí)間變化的情況.

圖1 像素比較示意圖

數(shù)據(jù)采集模塊由NRF24L01無線模塊、RS232串口及LabVIEW編寫程序控制構(gòu)成.測(cè)量數(shù)據(jù)通過NRF24L01無線模塊發(fā)送到連接計(jì)算機(jī)的通訊模塊上，通訊模塊數(shù)據(jù)通過RS232串口發(fā)送給計(jì)算機(jī)［7］.運(yùn)用LabVIEW編寫程序控制計(jì)算機(jī)串口接收數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)顯示速度與時(shí)間的變化曲線，可以實(shí)時(shí)得出相應(yīng)的速度曲線和加速度曲線，更清晰地反映速度的變化.

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

速度測(cè)量裝置主體部分實(shí)物圖如圖2所示.在本文的速度測(cè)量裝置中，采用的光路測(cè)量原理圖如圖3所示，ADNV-6340半導(dǎo)體紅外激光器作為光源，光線發(fā)射到運(yùn)動(dòng)物體經(jīng)過反射，由ADNS-7050光學(xué)導(dǎo)航芯片捕獲并進(jìn)行分析.

圖2 實(shí)物裝置圖

圖3 測(cè)量光路圖

通過上述光路對(duì)運(yùn)動(dòng)的物體進(jìn)行“拍照”，獲得的圖像信息由圖4所示的電路進(jìn)行控制及數(shù)據(jù)計(jì)算.

圖4 控制及測(cè)量電路圖

單片機(jī)定時(shí)器控制系統(tǒng)每間隔1ms進(jìn)行1次測(cè)量，同時(shí)控制ADNS-7050芯片讀出位移，系統(tǒng)計(jì)算出的瞬時(shí)速度即時(shí)顯示在LCD顯示模塊上，同時(shí)通過無線通訊模塊，將數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)［8］.LabVIEW編程的軟件同時(shí)采集串口數(shù)據(jù)并且顯示在2個(gè)圖表上，顯示出運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)速度，每10ms刷新1次，程序界面圖如圖5所示，可以進(jìn)行遠(yuǎn)程讀數(shù).

圖5 LabVIEW程序界面

軟件上顯示的X與Y方向的速度分別對(duì)應(yīng)ADNS-7050芯片上水平和豎直2個(gè)測(cè)量方向.本實(shí)驗(yàn)裝置選擇了使速度保持與Y方向平行，因此X方向的測(cè)量值為0.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

為了對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行標(biāo)定，用精密機(jī)械位移平臺(tái)進(jìn)行校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)如表1所示.由表1數(shù)據(jù)可得出速度越小誤差越大，根據(jù)3σ法則將最后1組數(shù)據(jù)舍棄，線性擬合結(jié)果見圖6，橫坐標(biāo)是步進(jìn)電機(jī)的速度，縱坐標(biāo)是用實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)量值，擬合關(guān)系式：y＝1.070 1x-0.064 7，R2＝0.995 5.擬合結(jié)果表明該裝置實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)，性能良好，測(cè)量結(jié)果可根據(jù)得到的線性關(guān)系式計(jì)算得出實(shí)際線性速度.

表1 校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)

圖6 校準(zhǔn)曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

速度測(cè)量在很多實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域都有著重要意義.本文所介紹的基于光電技術(shù)的速度測(cè)量裝置運(yùn)用光學(xué)方法測(cè)量，因而具有測(cè)量速度快、非接觸式測(cè)量、成本低與實(shí)時(shí)顯示測(cè)量結(jié)果的優(yōu)勢(shì).目前，該實(shí)驗(yàn)裝置在測(cè)量穩(wěn)定性方面還需進(jìn)一步改進(jìn)，完善之后可用于低速物體的精密速度測(cè)量及測(cè)量較高加速度的的研究中.

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