基于光電技術的速度測量方法

王 寧，賈志龍，李莉君

（華中科技大學 物理學院，湖北 武漢430074）

1 引 言

速度測量在機械加工和精密實驗，乃至日常生活中都有著重要的應用，精確測量或無接觸式測量在某些領域也有著迫切的需求.目前使用比較廣泛的速度測量方法是多普勒效應和光電門測速，其原理簡單，但成本相對較高［1-2］.基于光電鼠標的工作原理，本文提出了利用光學方法進行測速.激光光束照射在粗糙物體表面上會發生漫反射，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度與入射光強度之比.一般情況下，漫反射表面顏色越深，反射率越小，即相同入射光強度下，反射光的強度越小.

本實驗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度不同，當條紋發生勻速移動時，反射光的強度則出現周期性強弱變化.光電器件對入射光的強度變化十分敏感，利用光電器件設計的光電探測器能夠將光強信號轉化為電壓信號，根據測量的電壓波形即可計算條紋移動的速度.

本測量系統主要分為4個模塊：光源及光信息接收模塊、無線通訊模塊、電路及單片機模塊、LabVIEW軟件模塊.

2 設計原理

2.1 實驗原理

瞬時速度的定義為

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

本文基于光電鼠標的成像原理［3-4］，設計實驗方案并做出實際測量裝置，并運用該裝置測試了運動物體的瞬時速度.光電鼠標的原理是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比不同時刻的像素圖，得出鼠標移動了多少像素，而每個像素代表的位移是確定值，圖中每個小格代表1個像素點，從2張圖可以比較出移動的像素數量，進而得出移動位移量［5］，如圖1所示.因此清晰的成像會使得位移的測量更加精確.

因為光束照射在粗糙物體表面上會發生漫反射，空間各位置的光強不同，傳統的光學導航芯片使用普通的LED光源，即非相干光，抗干擾性較差，對物質表面有很多特殊的要求，激光鼠標中的光學導航芯片采用激光作為光源具有明顯優勢，使其綜合性能遠遠優于傳統鼠標.激光的相干性［6］使得光線從表面反射時產生對比度很高的圖像，微型攝像頭對空間的光線進行“捕獲”，得到空間光強分布圖，圖像間接反映了物體表面的形貌.運用圖像處理專用芯片ADNS-7050對移動軌跡上攝取的系列圖像進行分析處理，并對這些圖像上特征點位置的變化進行分析，來判斷移動的方向和位移量，從而完成光標的定位.通過單片機進一步處理，將定位信息轉化為速度的信息，從而完成速度的測量.此方法測量速度快捷、方便且成本低，不易受到環境不穩定因素的影響.同時，利用此方法可以精確記錄下物體運動的整個過程及其位移隨時間變化的情況.

圖1 像素比較示意圖

數據采集模塊由NRF24L01無線模塊、RS232串口及LabVIEW編寫程序控制構成.測量數據通過NRF24L01無線模塊發送到連接計算機的通訊模塊上，通訊模塊數據通過RS232串口發送給計算機［7］.運用LabVIEW編寫程序控制計算機串口接收數據，并實時顯示速度與時間的變化曲線，可以實時得出相應的速度曲線和加速度曲線，更清晰地反映速度的變化.

2.2 實驗裝置設計

速度測量裝置主體部分實物圖如圖2所示.在本文的速度測量裝置中，采用的光路測量原理圖如圖3所示，ADNV-6340半導體紅外激光器作為光源，光線發射到運動物體經過反射，由ADNS-7050光學導航芯片捕獲并進行分析.

圖2 實物裝置圖

圖3 測量光路圖

通過上述光路對運動的物體進行“拍照”，獲得的圖像信息由圖4所示的電路進行控制及數據計算.

圖4 控制及測量電路圖

單片機定時器控制系統每間隔1ms進行1次測量，同時控制ADNS-7050芯片讀出位移，系統計算出的瞬時速度即時顯示在LCD顯示模塊上，同時通過無線通訊模塊，將數據傳輸至計算機［8］.LabVIEW編程的軟件同時采集串口數據并且顯示在2個圖表上，顯示出運動的瞬時速度，每10ms刷新1次，程序界面圖如圖5所示，可以進行遠程讀數.

圖5 LabVIEW程序界面

軟件上顯示的X與Y方向的速度分別對應ADNS-7050芯片上水平和豎直2個測量方向.本實驗裝置選擇了使速度保持與Y方向平行，因此X方向的測量值為0.

3 實驗結果和分析

為了對實驗裝置的測量結果進行標定，用精密機械位移平臺進行校準實驗，數據如表1所示.由表1數據可得出速度越小誤差越大，根據3σ法則將最后1組數據舍棄，線性擬合結果見圖6，橫坐標是步進電機的速度，縱坐標是用實驗裝置測量值，擬合關系式：y＝1.070 1x-0.064 7，R2＝0.995 5.擬合結果表明該裝置實現了設計目標，性能良好，測量結果可根據得到的線性關系式計算得出實際線性速度.

表1 校準實驗測量數據

圖6 校準曲線

4 結束語

速度測量在很多實際應用領域都有著重要意義.本文所介紹的基于光電技術的速度測量裝置運用光學方法測量，因而具有測量速度快、非接觸式測量、成本低與實時顯示測量結果的優勢.目前，該實驗裝置在測量穩定性方面還需進一步改進，完善之后可用于低速物體的精密速度測量及測量較高加速度的的研究中.

［1］張艷艷，鞏軻，荷淑芳，等.激光多普勒測速技術的發展［J］.激光與紅外，2010，40（11）：1157-1162.

［2］周勇，李更磊，鄭小平.對光電門測得的瞬時速度的誤差分析［J］.物理實驗，2009，29（1）：24-26.

［3］閆海濤，王鳴.數字散斑相關方法實現鼠標定位原理［J］.光學學報，2008，28（3）：467-471.

［4］陳智博，林永忠，蔡鐘山，等.光電鼠標傳感器的精密測量與控制系統［J］.單片機與嵌入式系統應用，2009（2）：57-59.

［5］Avago Technologies.ADNS-3040，ultra low-power optical mouse sensor data sheet［Z］.2006.

［6］Hecht E.Optics［M］.北京：高等教育出版社，2004：372-435.

［7］吳興中，歐青立.一種PC與單片機多機RS232串口通信設計［J］.國外電子測量技術，2009，29（1）：74-76.

［8］李寧.基于 MDK的LPC1100處理器開發應用［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2010：9-26