基于FPGA的高速運動(dòng)目標單光幕測速系統設計

引 言
高速運動(dòng)物體的物理狀態(tài)檢測分析一直以來(lái)都是一項重要的研究?jì)热?，特別是對于高速運動(dòng)物體瞬時(shí)運動(dòng)速度的檢測。這是瞬態(tài)過(guò)程及效應物理研究中的一個(gè)有待發(fā)展的領(lǐng)域，可能會(huì )導致極端條件下的新物理效應，在高速碰撞等方面有著(zhù)直接的應用背景，也給檢測和控制技術(shù)提出了更高的挑戰。

1 測量方法
對于高速運動(dòng)的物體，常用的速度測量方法按測量原理可分成三類(lèi)，即瞬時(shí)速度測量法、平均速度測量法和多普勒原理測量法。瞬時(shí)速度測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，但測試誤差較大，目前很難達到高的精度。多普勒測速法是利用波傳播中多普勒效應進(jìn)行測速的方法，也是一種比較有效的測量速度方法。平均速度測量法是在測量目標前進(jìn)方向放置兩道光幕；通過(guò)測量?jì)晒饽恢g的距離S和測量目標通過(guò)兩光幕之間的時(shí)間t；然后利用平均速度公式v=S／t計算測量目標的速度，如圖1所示。

但在使用雙光幕的平均速度測量法中，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。在要求高精度的測量中，這些誤差會(huì )對結果產(chǎn)生附加的負面的影響。另外，兩個(gè)光幕射出的光要求嚴格平行，否則測量結果也會(huì )產(chǎn)生誤差，而嚴格平行在現實(shí)測量中也很難做到?；诖?，這里提出一種單光幕的速度測量系統。在避免兩路信號通過(guò)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(xiàn)不平行產(chǎn)生的誤差。

2 測量系統原理
該系統采用單光頭測量，系統總體結構如圖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，使光敏器件可以準確接收到光源所發(fā)出的光束。測量開(kāi)始后，當目標前端擋住光源發(fā)出的光時(shí)，光敏器件因接收不到光而輸出低電壓信號；當目標通過(guò)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。被測目標的長(cháng)度L可以事先通過(guò)矩陣鍵盤(pán)輸入到測速度系統，根據電信號的變化觸發(fā)和停止計數單元，可以記錄到目標通過(guò)光源下方的時(shí)間t，在假設目標運動(dòng)方向與光束垂直時(shí)，可近似取L計算目標在這段時(shí)間內的平均速度v=L／t。此時(shí)，目標不受運動(dòng)方向上力的作用，所以速度變化微小，此速度可看作目標的出口速度。