王 寧，賈志龍，李莉君

（華中科技大學(xué) 物理學(xué)院，湖北 武漢430074）

1 引 言

速度測量在機(jī)械加工和精密實(shí)驗(yàn)，乃至日常生活中都有著重要的應(yīng)用，精確測量或無接觸式測量在某些領(lǐng)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(yīng)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(biāo)的工作原理，本文提出了利用光學(xué)方法進(jìn)行測速.激光光束照射在粗糙物體表面上會發(fā)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(qiáng)度與入射光強(qiáng)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(qiáng)度下，反射光的強(qiáng)度越小.

本實(shí)驗(yàn)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(qiáng)度不同，當(dāng)條紋發(fā)生勻速移動時，反射光的強(qiáng)度則出現(xiàn)周期性強(qiáng)弱變化.光電器件對入射光的強(qiáng)度變化十分敏感，利用光電器件設(shè)計的光電探測器能夠?qū)⒐鈴?qiáng)信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，根據(jù)測量的電壓波形即可計算條紋移動的速度.

本測量系統(tǒng)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(jī)模塊、LabVIEW軟件模塊.

2 設(shè)計原理

2.1 實(shí)驗(yàn)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(nèi)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(nèi)的位移變化量和時間成為影響系統(tǒng)測量精度的關(guān)鍵因素.

本文基于光電鼠標(biāo)的成像原理［3-4］，設(shè)計實(shí)驗(yàn)方案并做出實(shí)際測量裝置，并運(yùn)用該裝置測試了運(yùn)動物體的瞬時速度.光電鼠標(biāo)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(biāo)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(diǎn)，從2張圖可以比較出移動的像素數(shù)量，進(jìn)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?yàn)楣馐丈湓诖植谖矬w表面上會發(fā)生漫反射，空間各位置的光強(qiáng)不同，傳統(tǒng)的光學(xué)導(dǎo)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(zhì)表面有很多特殊的要求，激光鼠標(biāo)中的光學(xué)導(dǎo)航芯片采用激光作為光源具有明顯優(yōu)勢，使其綜合性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)鼠標(biāo).激光的相干性［6］使得光線從表面反射時產(chǎn)生對比度很高的圖像，微型攝像頭對空間的光線進(jìn)行“捕獲”，得到空間光強(qiáng)分布圖，圖像間接反映了物體表面的形貌.運(yùn)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(jìn)行分析處理，并對這些圖像上特征點(diǎn)位置的變化進(jìn)行分析，來判斷移動的方向和位移量，從而完成光標(biāo)的定位.通過單片機(jī)進(jìn)一步處理，將定位信息轉(zhuǎn)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(huán)境不穩(wěn)定因素的影響.同時，利用此方法可以精確記錄下物體運(yùn)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(shù)據(jù)采集模塊由NRF24L01無線模塊、RS232串口及LabVIEW編寫程序控制構(gòu)成.測量數(shù)據(jù)通過NRF24L01無線模塊發(fā)送到連接計算機(jī)的通訊模塊上，通訊模塊數(shù)據(jù)通過RS232串口發(fā)送給計算機(jī)［7］.運(yùn)用LabVIEW編寫程序控制計算機(jī)串口接收數(shù)據(jù)，并實(shí)時顯示速度與時間的變化曲線，可以實(shí)時得出相應(yīng)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(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計

速度測量裝置主體部分實(shí)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(dǎo)體紅外激光器作為光源，光線發(fā)射到運(yùn)動物體經(jīng)過反射，由ADNS-7050光學(xué)導(dǎo)航芯片捕獲并進(jìn)行分析.

圖2 實(shí)物裝置圖

圖3 測量光路圖

通過上述光路對運(yùn)動的物體進(jìn)行“拍照”，獲得的圖像信息由圖4所示的電路進(jìn)行控制及數(shù)據(jù)計算.

圖4 控制及測量電路圖

單片機(jī)定時器控制系統(tǒng)每間隔1ms進(jìn)行1次測量，同時控制ADNS-7050芯片讀出位移，系統(tǒng)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(shù)據(jù)傳輸至計算機(jī)［8］.LabVIEW編程的軟件同時采集串口數(shù)據(jù)并且顯示在2個圖表上，顯示出運(yùn)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(jìn)行遠(yuǎn)程讀數(shù).

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(yīng)ADNS-7050芯片上水平和豎直2個測量方向.本實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

為了對實(shí)驗(yàn)裝置的測量結(jié)果進(jìn)行標(biāo)定，用精密機(jī)械位移平臺進(jìn)行校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)如表1所示.由表1數(shù)據(jù)可得出速度越小誤差越大，根據(jù)3σ法則將最后1組數(shù)據(jù)舍棄，線性擬合結(jié)果見圖6，橫坐標(biāo)是步進(jìn)電機(jī)的速度，縱坐標(biāo)是用實(shí)驗(yàn)裝置測量值，擬合關(guān)系式：y＝1.070 1x-0.064 7，R2＝0.995 5.擬合結(jié)果表明該裝置實(shí)現(xiàn)了設(shè)計目標(biāo)，性能良好，測量結(jié)果可根據(jù)得到的線性關(guān)系式計算得出實(shí)際線性速度.

表1 校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)

圖6 校準(zhǔn)曲線

4 結(jié)束語

速度測量在很多實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域都有著重要意義.本文所介紹的基于光電技術(shù)的速度測量裝置運(yùn)用光學(xué)方法測量，因而具有測量速度快、非接觸式測量、成本低與實(shí)時顯示測量結(jié)果的優(yōu)勢.目前，該實(shí)驗(yàn)裝置在測量穩(wěn)定性方面還需進(jìn)一步改進(jìn)，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(shù)的發(fā)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(shí)驗(yàn)，2009，29（1）：24-26.

［3］閆海濤，王鳴.數(shù)字散斑相關(guān)方法實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)定位原理［J］.光學(xué)學(xué)報，2008，28（3）：467-471.

［4］陳智博，林永忠，蔡鐘山，等.光電鼠標(biāo)傳感器的精密測量與控制系統(tǒng)［J］.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)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(jī)多機(jī)RS232串口通信設(shè)計［J］.國外電子測量技術(shù)，2009，29（1）：74-76.

［8］李寧.基于 MDK的LPC1100處理器開發(fā)應(yīng)用［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010：9-26