鋼琴琴鍵排列平整性的測量

作者：時(shí)間：2006-05-07 來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )

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摘要：介紹一種非接觸掃描法測量鋼琴琴鍵平整性的方法，討論了建立測量基準的兩種方法以及測量系統的基本組成。

本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/255702.htm

關(guān)鍵詞：平整性測量激光模擬傳感器直線(xiàn)導軌測量基準

鋼琴琴鍵排列平整與否不僅關(guān)系到鋼琴外形美觀(guān)，而且影響演奏時(shí)的手感和舒適度。因此，它是現代高級鋼琴的一項重要質(zhì)量指標。目前國內鋼琴生產(chǎn)廠(chǎng)家對鋼琴琴鍵排列平整性的測量是使用一根長(cháng)直尺，靠在琴鍵上，用眼睛觀(guān)察琴鍵與直尺之間的光隙，以確定其平整程度。該測量方法效率低，受人為因素影響大，同時(shí)，直尺為木質(zhì)材料，長(cháng)時(shí)間使用，直尺的直線(xiàn)度會(huì )發(fā)生變化，因此需要經(jīng)常校準，給使用帶來(lái)不便。為了提高鋼琴的產(chǎn)品質(zhì)量，生產(chǎn)效率和企業(yè)的經(jīng)濟效益，鋼琴生產(chǎn)廠(chǎng)家迫切需要能夠自動(dòng)檢測琴鍵排列平整性的測量?jì)x器。

１測量原理

由于琴鍵表面光潔度要求很高，不允許有劃痕，因此，需采用非接觸法進(jìn)行測量。在測量系統中，我們使用了一對激光模擬傳感器，分別對黑鍵和白鍵進(jìn)行測量，傳感器安裝在離開(kāi)琴鍵一定距離（該距離為傳感器要求的工作距離）的平直導軌的滑塊上，分別測出每個(gè)琴鍵到傳感器的距離。根據測量基準，計算出每個(gè)琴鍵的測量處與測量基準的偏差，再換算為琴鍵支點(diǎn)處的偏差，最終結果以琴鍵支點(diǎn)處應加減墊片數表示。

1.1 激光模擬傳感器的工作原理

激光模擬傳感器的核心部件是一個(gè)位置敏感檢測器即PSD，這是一種基于橫向光電效應的新型位置敏感檢測器，其等效電路如圖1所示，其中Q為光點(diǎn)位置，A、B為P側電極，C為n側電極，而Io為在Q點(diǎn)形成的電流，Di為理想二極管，Cj為結電容，Rsh為并聯(lián)電阻，S為電流源。在光的照射下，半導體內產(chǎn)生截流子，它們在耗盡層內電場(chǎng)的作用下發(fā)生漂移，空穴進(jìn)入P-層，電子進(jìn)入n+層，Q點(diǎn)到電極A及到電極B之間的R1及R2分別與Ｑ點(diǎn)到A及B之間的距離成正比。進(jìn)入P-層的空穴根據電阻R1和R2進(jìn)行分配，并以I1和I2的形式從電極A、B輸出，設電極A、B的中點(diǎn)到Q點(diǎn)的距離為X，電極A、B間的距離為L(cháng)，則I1和I2分別是可由式（1）和式（2）表示：

鋼琴琴鍵排列平整性的測量由上式可知，I1、I2是入射光能量（產(chǎn)生Io）和入射位置的函數，由（1），（2），（3）可求得：

將（4）式代入（6）式，可得到被測物體到傳感器的距離：

激光模擬傳感器的輸出信號大小與各個(gè)琴鍵相對傳感器的距離有關(guān)，由于傳感器所在導軌平面與琴鍵平面不一定相互平行，因此，必須確定一條參考直線(xiàn)作為測量基準，然后找出各琴鍵與測量基準直線(xiàn)的距離，該數值的差異就反映了琴鍵排列的平整度。測量基準直線(xiàn)的選取方法很多，最直接最簡(jiǎn)單的是用首尾琴鍵連線(xiàn)法確定測量基準。

由激光模擬傳感器輸出的信號經(jīng)A/D轉換后輸入計算機進(jìn)行數據處理，得到從1#到n#鍵相對安裝在導軌滑塊上的傳感器的高度值，h1，h2，…，hi，…h(huán)n，如圖３所示。理想直線(xiàn)上第i號鍵與傳感器的距離為hio，實(shí)際上i號鍵與傳感器的距離為hi，由此可得到i號琴鍵高度偏差Δhi：



其中y(x)為琴鍵的測量值，x為琴健的坐標值則每一個(gè)測量數據與擬合曲線(xiàn)的偏差為：

鋼琴琴鍵排列平整性的測量

由方程組（11）解出a與b再代入（9）式，即得到由各琴鍵測量數據所確定的擬合直線(xiàn)的表達式，即用最小二乘法確定的測量基準直線(xiàn)，再將每個(gè)琴鍵高度與理想基準線(xiàn)的高度相比較，由此得出每個(gè)琴鍵的高度偏差值。

測量?jì)x研制成功后，對多臺鋼琴進(jìn)行測試，測量基準分別用首尾連線(xiàn)法和最小二乘法確定，結果證明，后者的效果好于前者，以一次測量為例（琴鍵總數為88個(gè)），具體數據見(jiàn)表１。

很明顯，最小二乘法確定測量基準優(yōu)于首尾連線(xiàn)法，所需調整的琴鍵數目和墊片數目明顯下降。

1.3由偏差值計算支點(diǎn)處增減墊片數

黑白鍵的測量點(diǎn)與支點(diǎn)間的位置關(guān)系如圖４所示。

支點(diǎn)處的偏差為：

白鍵Δha′=(Sa′/Sa)×Δha

黑鍵Δhb′=(Sb′/Sb)×Δhb

其中Δha，Δhb：白黑鍵測量點(diǎn)處偏差值。

設墊片厚度為δ，則應增減墊片數為：

白鍵Na=Δha′/δ=(Sa′/Sa)×Δha/δ

黑鍵Nb=Δhb′/δ＝(Sb′／Sb)×Δhb/δ

２測量系統的組成

整個(gè)測量系統分為三部分。第一部分是傳動(dòng)機構和支撐機構，用于升降和支撐測頭和導軌；第二部分是測量機構，包括直線(xiàn)導軌，傳感器和橫向掃描拖動(dòng)機構，這部分是本系統最主要的部分，用于掃描測量；第三部分是測控系統接口和軟件，包括計算機打印機和A/D轉換電路，步進(jìn)電機驅動(dòng)電路，輸入輸出接口電路，以及系統中控制測量，數據處理和計算用軟件。

２．１直線(xiàn)導軌與傳感器橫向掃描拖動(dòng)機構

從測量原理可知，導軌本身的精度直接影響儀器的檢測精度，根據測量精度要求，選用陜西漢江機床廠(chǎng)生產(chǎn)的滾動(dòng)直線(xiàn)導軌，其規格為長(cháng)1480mm，精度≤9μm，傳感器固定在直線(xiàn)導軌的滑塊上，用步進(jìn)電機帶動(dòng)滑塊沿琴鍵排列的方向運動(dòng)，以?huà)呙铚y量每個(gè)琴鍵，為了使傳感器準確地采集到各琴鍵中心位置處的高度數據，用鍵縫作為每次行進(jìn)距離的參考點(diǎn)，這樣就消除了拖動(dòng)機構行進(jìn)中的累積誤差。

２．２測控系統接口電路的軟件

測控系統接口的功能主要是采集傳感器輸出的表示琴鍵高度位置的模擬信號，并將其送入計算機中。為達到這一目的，首先必須有A/D轉換器，其次還要有步進(jìn)電機控制電路，以便完成對每個(gè)琴鍵的測量。

軟件主要完成測量數據的處理、計算以及系統誤差的修正，其流程如圖５、如圖6所示。

儀器研制成功后，對多臺不同型號的鋼琴進(jìn)行了測試，結果表明：儀器的測量精度滿(mǎn)足實(shí)際要求，重復測量穩定性高，按照儀器給出的數據（各個(gè)琴鍵支點(diǎn)處應增減的墊片數）對琴鍵進(jìn)行調整，一般重復兩次就能將琴鍵調平，這比使用直尺調整要快得多，而且調出的鋼琴一致性好。

參考文獻

１朱尚明．位置敏感檢測器PSD及其應用研究．儀器技術(shù)與傳感器，1996；(2)

２徐士良．計算機常用算法．北京：清華大學(xué)出版社

３ (日)吉野新治等．傳感器電路設計手冊．北京：中國計量出版社

４王士元．IBM PC/XT(長(cháng)城0520)接口技術(shù)及其應用。天津：南開(kāi)大學(xué)出版社

５ (日)日本松下電工有限公司．日本松下電工LM100，LM300傳感器說(shuō)明書(shū)

６陜西漢江機床廠(chǎng)．陜西漢江機床廠(chǎng)滾動(dòng)直線(xiàn)導軌HJG-D說(shuō)明書(shū)

(收稿日期：1999-07-01)