基于光电技术的速度测量方法

王 宁，贾志龙，李莉君

（华中科技大学 物理学院，湖北 武汉430074）

1 引 言

速度测量在机械加工和精密实验，乃至日常生活中都有着重要的应用，精确测量或无接触式测量在某些领域也有着迫切的需求.目前使用比较广泛的速度测量方法是多普勒效应和光电门测速，其原理简单，但成本相对较高［1-2］.基于光电鼠标的工作原理，本文提出了利用光学方法进行测速.激光光束照射在粗糙物体表面上会发生漫反射，物体表面的颜色不同其反射率也不同，反射率被定义为反射光强度与入射光强度之比.一般情况下，漫反射表面颜色越深，反射率越小，即相同入射光强度下，反射光的强度越小.

本实验使用间距相同的黑白相间条纹，激光照射在黑色和白色条纹上的反射光强度不同，当条纹发生匀速移动时，反射光的强度则出现周期性强弱变化.光电器件对入射光的强度变化十分敏感，利用光电器件设计的光电探测器能够将光强信号转化为电压信号，根据测量的电压波形即可计算条纹移动的速度.

本测量系统主要分为4个模块：光源及光信息接收模块、无线通讯模块、电路及单片机模块、LabVIEW软件模块.

2 设计原理

2.1 实验原理

瞬时速度的定义为

由（1）式可知，只要能够得到在无穷小的时间范围内的位移变化量，就可以得到瞬时速度，因此精确测量较短时间内的位移变化量和时间成为影响系统测量精度的关键因素.

本文基于光电鼠标的成像原理［3-4］，设计实验方案并做出实际测量装置，并运用该装置测试了运动物体的瞬时速度.光电鼠标的原理是1束光照射到物体表面上，反射光投射到图像处理芯片的感光元件上，在感光元件表面成像.图像处理芯片记录并对比不同时刻的像素图，得出鼠标移动了多少像素，而每个像素代表的位移是确定值，图中每个小格代表1个像素点，从2张图可以比较出移动的像素数量，进而得出移动位移量［5］，如图1所示.因此清晰的成像会使得位移的测量更加精确.

因为光束照射在粗糙物体表面上会发生漫反射，空间各位置的光强不同，传统的光学导航芯片使用普通的LED光源，即非相干光，抗干扰性较差，对物质表面有很多特殊的要求，激光鼠标中的光学导航芯片采用激光作为光源具有明显优势，使其综合性能远远优于传统鼠标.激光的相干性［6］使得光线从表面反射时产生对比度很高的图像，微型摄像头对空间的光线进行“捕获”，得到空间光强分布图，图像间接反映了物体表面的形貌.运用图像处理专用芯片ADNS-7050对移动轨迹上摄取的系列图像进行分析处理，并对这些图像上特征点位置的变化进行分析，来判断移动的方向和位移量，从而完成光标的定位.通过单片机进一步处理，将定位信息转化为速度的信息，从而完成速度的测量.此方法测量速度快捷、方便且成本低，不易受到环境不稳定因素的影响.同时，利用此方法可以精确记录下物体运动的整个过程及其位移随时间变化的情况.

图1 像素比较示意图

数据采集模块由NRF24L01无线模块、RS232串口及LabVIEW编写程序控制构成.测量数据通过NRF24L01无线模块发送到连接计算机的通讯模块上，通讯模块数据通过RS232串口发送给计算机［7］.运用LabVIEW编写程序控制计算机串口接收数据，并实时显示速度与时间的变化曲线，可以实时得出相应的速度曲线和加速度曲线，更清晰地反映速度的变化.

2.2 实验装置设计

速度测量装置主体部分实物图如图2所示.在本文的速度测量装置中，采用的光路测量原理图如图3所示，ADNV-6340半导体红外激光器作为光源，光线发射到运动物体经过反射，由ADNS-7050光学导航芯片捕获并进行分析.

图2 实物装置图

图3 测量光路图

通过上述光路对运动的物体进行“拍照”，获得的图像信息由图4所示的电路进行控制及数据计算.

图4 控制及测量电路图

单片机定时器控制系统每间隔1ms进行1次测量，同时控制ADNS-7050芯片读出位移，系统计算出的瞬时速度即时显示在LCD显示模块上，同时通过无线通讯模块，将数据传输至计算机［8］.LabVIEW编程的软件同时采集串口数据并且显示在2个图表上，显示出运动的瞬时速度，每10ms刷新1次，程序界面图如图5所示，可以进行远程读数.

图5 LabVIEW程序界面

软件上显示的X与Y方向的速度分别对应ADNS-7050芯片上水平和竖直2个测量方向.本实验装置选择了使速度保持与Y方向平行，因此X方向的测量值为0.

3 实验结果和分析

为了对实验装置的测量结果进行标定，用精密机械位移平台进行校准实验，数据如表1所示.由表1数据可得出速度越小误差越大，根据3σ法则将最后1组数据舍弃，线性拟合结果见图6，横坐标是步进电机的速度，纵坐标是用实验装置测量值，拟合关系式：y＝1.070 1x-0.064 7，R2＝0.995 5.拟合结果表明该装置实现了设计目标，性能良好，测量结果可根据得到的线性关系式计算得出实际线性速度.

表1 校准实验测量数据

图6 校准曲线

4 结束语

速度测量在很多实际应用领域都有着重要意义.本文所介绍的基于光电技术的速度测量装置运用光学方法测量，因而具有测量速度快、非接触式测量、成本低与实时显示测量结果的优势.目前，该实验装置在测量稳定性方面还需进一步改进，完善之后可用于低速物体的精密速度测量及测量较高加速度的的研究中.

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