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激光測(cè)速光幕靶的原理介紹

時(shí)間:2025/6/5閱讀:60
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激光測(cè)速光幕靶是一種非接觸式的速度測(cè)量裝置,主要用于測(cè)量高速運(yùn)動(dòng)物體(如炮彈、彈丸、火箭彈、破片等)在飛行過程中的瞬時(shí)速度。它在兵器測(cè)試、彈道學(xué)研究、安全防護(hù)測(cè)試、材料沖擊試驗(yàn)、體育科研等領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。

核心原理

其核心原理基于光遮擋計(jì)時(shí)定距測(cè)速

  1. 構(gòu)建光幕: 系統(tǒng)由至少兩對(duì)(或更多對(duì))平行設(shè)置的激光發(fā)射器和對(duì)應(yīng)的光電接收器組成。每一對(duì)激光發(fā)射器和接收器構(gòu)成一個(gè)光幕平面(或稱為“靶面")。當(dāng)沒有物體穿過時(shí),激光束持續(xù)照射在接收器上,接收器輸出穩(wěn)定的電信號(hào)(通常為高電平)。

  2. 遮擋觸發(fā): 當(dāng)被測(cè)物體(如彈丸)依次穿過這些光幕平面時(shí),會(huì)暫時(shí)遮擋激光束,導(dǎo)致接收器接收到的光信號(hào)中斷。每次遮擋都會(huì)使接收器的輸出電信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)下降沿脈沖

  3. 計(jì)時(shí): 系統(tǒng)內(nèi)部的精密計(jì)時(shí)器(通常基于高速計(jì)數(shù)器或時(shí)間間隔測(cè)量芯片)會(huì)精確記錄下第一個(gè)光幕(起始靶)被遮擋的時(shí)刻 T1 和第二個(gè)光幕(停止靶)被遮擋的時(shí)刻 T2

  4. 測(cè)速計(jì)算: 已知兩個(gè)平行光幕平面之間的固定距離 S。物體的飛行速度 V 即可通過最基本的物理公式計(jì)算:
    V = S / (T2 - T1)
    其中 (T2 - T1) 就是物體飛越兩個(gè)光幕之間距離 S 所花費(fèi)的時(shí)間。

關(guān)鍵組件

  1. 激光發(fā)射器陣列: 通常使用可見光(紅光)或不可見光(紅外)半導(dǎo)體激光器。多個(gè)激光器緊密排列,形成一道密集、均勻、平行的“光墻"(光幕)。高功率、窄發(fā)散角的激光器能保證光幕的均勻性和強(qiáng)度。

  2. 光電接收器陣列: 與激光發(fā)射器一一對(duì)應(yīng),通常是高速光電二極管或光電晶體管。它們負(fù)責(zé)接收激光信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。接收器前通常裝有窄帶濾光片,以抑制環(huán)境雜散光的干擾。

  3. 信號(hào)處理電路: 負(fù)責(zé)放大、整形接收器輸出的微弱電信號(hào),將其轉(zhuǎn)換成干凈、陡峭的脈沖信號(hào),便于后續(xù)的計(jì)時(shí)電路識(shí)別觸發(fā)邊沿。

  4. 高精度計(jì)時(shí)單元: 這是系統(tǒng)的核心。需要很高的時(shí)間分辨率(通常達(dá)到納秒級(jí))來精確測(cè)量極短的時(shí)間間隔(對(duì)于高速彈丸,這個(gè)間隔可能只有幾微秒甚至更短)。

  5. 數(shù)據(jù)處理與控制單元: 通常是微處理器(MCU)或現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)。它負(fù)責(zé):

    • 控制激光器開關(guān)(如果需要)。

    • 接收來自計(jì)時(shí)單元的時(shí)間數(shù)據(jù) T1 和 T2

    • 根據(jù)預(yù)設(shè)的光幕間距 S 計(jì)算速度 V

    • 處理數(shù)據(jù)(如多次測(cè)量求平均、剔除異常值)。

    • 與上位機(jī)(PC)或其他設(shè)備通信(通過RS232, RS485, USB, 以太網(wǎng)等),輸出測(cè)量結(jié)果(速度值、過靶時(shí)刻等)。

    • 提供人機(jī)交互界面(如顯示、按鍵)。

  6. 機(jī)械結(jié)構(gòu): 用于精確固定和校準(zhǔn)激光發(fā)射器陣列與接收器陣列,確保它們嚴(yán)格平行,并且間距 S 精確已知、穩(wěn)定。結(jié)構(gòu)需要堅(jiān)固,能抵抗輕度沖擊和振動(dòng)。光幕的尺寸(高度和寬度)根據(jù)被測(cè)物體的大小和預(yù)計(jì)飛行區(qū)域確定。

  7. 電源: 為所有電子部件和激光器供電。

主要特點(diǎn)

  • 非接觸測(cè)量: 不影響被測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),測(cè)量結(jié)果真實(shí)可靠。

  • 高精度: 時(shí)間測(cè)量精度可達(dá)納秒級(jí),配合精確的固定間距 S,速度測(cè)量精度很高(通常優(yōu)于 0.1% 或更高)。

  • 高速度: 能夠測(cè)量從亞音速到超高速(數(shù)千米/秒)物體的速度。

  • 實(shí)時(shí)性好: 測(cè)量速度快,結(jié)果可實(shí)時(shí)輸出。

  • 結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單可靠: 核心原理清晰,關(guān)鍵部件成熟。

  • 可擴(kuò)展性: 可以設(shè)置多個(gè)光幕(大于2個(gè)),不僅可以測(cè)量速度,還可以測(cè)量速度變化率(加速度)、章動(dòng)角,甚至結(jié)合其他傳感器測(cè)量位置、姿態(tài)等。

  • 抗干擾能力: 通過使用調(diào)制激光、窄帶濾光片和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù),可以有效抑制環(huán)境光干擾。

應(yīng)用場(chǎng)景

  • 兵器測(cè)試: 炮彈、火箭彈、戰(zhàn)斗部破片等的初速、炮口速度、存速、著速測(cè)量;彈道性能評(píng)估。

  • 安全防護(hù): 玻璃、裝甲車輛等的抗彈性能測(cè)試,測(cè)量破片或彈丸的撞擊速度。

  • 材料與結(jié)構(gòu)沖擊試驗(yàn): 測(cè)量沖擊物(如飛片、彈丸)撞擊目標(biāo)前的速度。

  • 航空航天: 模型火箭、無人機(jī)等的速度測(cè)量。

  • 體育科研: 測(cè)量球類(棒球、高爾夫球、網(wǎng)球等)的發(fā)射速度、出射速度(雖然雷達(dá)測(cè)速儀更常見,但光幕靶在特定場(chǎng)景下仍有應(yīng)用)。

  • 工業(yè)自動(dòng)化: 測(cè)量生產(chǎn)線上高速運(yùn)動(dòng)的小物體速度(如瓶蓋、零件)。

重要參數(shù)

  • 光幕間距 (S): 決定測(cè)速范圍和精度。

  • 光幕尺寸 (寬 x 高): 決定有效測(cè)量區(qū)域。

  • 測(cè)速范圍: 能測(cè)量的最小和最大速度。

  • 測(cè)速精度: 測(cè)量結(jié)果的誤差范圍(通常以百分比或絕對(duì)誤差表示)。

  • 時(shí)間分辨率: 計(jì)時(shí)單元能分辨的最小時(shí)間間隔(納秒級(jí))。

  • 激光波長(zhǎng): 通常為可見紅光(650nm)或紅外光(如808nm, 905nm)。

  • 輸出接口: 如 RS232, RS485, USB, Ethernet, 模擬輸出等。

  • 供電要求: 電壓、電流、功耗。

  • 環(huán)境適應(yīng)性: 工作溫度范圍、防護(hù)等級(jí)(IP 等級(jí))。

與其他測(cè)速方法的比較

  • 雷達(dá)測(cè)速(多普勒雷達(dá)): 適用于遠(yuǎn)距離、連續(xù)測(cè)速,但對(duì)小尺寸目標(biāo)精度有限,對(duì)金屬目標(biāo)更敏感。光幕靶近距離精度高,對(duì)目標(biāo)材質(zhì)不敏感,但測(cè)量區(qū)域有限。

  • 高速攝影/攝像: 能提供豐富的運(yùn)動(dòng)信息(軌跡、姿態(tài)),但數(shù)據(jù)處理復(fù)雜,速度計(jì)算精度相對(duì)光幕靶可能稍低,成本較高。

  • 線圈靶: 利用彈丸穿過線圈時(shí)引起的電感變化計(jì)時(shí)。需要目標(biāo)具有磁性或?qū)щ娦裕揖€圈易被破壞。光幕靶對(duì)目標(biāo)材質(zhì)無特殊要求,不易損壞。

總結(jié)

激光測(cè)速光幕靶是一種基于精密時(shí)間間隔測(cè)量和固定間距原理的高精度、高可靠性的非接觸式速度測(cè)量工具。它在需要精確測(cè)量高速飛行物體瞬時(shí)速度的應(yīng)用領(lǐng)域,尤其是在兵器測(cè)試、安全防護(hù)和沖擊試驗(yàn)中,扮演著不可替代的角色。其核心優(yōu)勢(shì)在于高精度、非接觸、高速度測(cè)量能力以及對(duì)目標(biāo)材質(zhì)不敏感。




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