弹射物测速仪及校准方法

幺计量测试与检定METROLOGY TEST TECHNOLOGY & VERIFICATION弹射物测速仪及校准方法于召亮，岑淑琼旷东科学研究院广州5KMO5 【摘 要】介绍了玩具弹射物速度测盘方法；讨论了对射式弹道屏的测速原理;分析了该系统的测速正确度；由自由落 体试脸证明：对射式弹追屏测速系统达到小于1%的测速正确度.【关键词】对射式；弹道屏；速度；自由落体法 38 Industrial Measurement 2012 Supplementary Issue 2幺计量测试与检定METROLOGY TEST TECHNOLOGY & VERIFICATION # Industrial Measurement 2012 Supplementary Issue 2幺计量测试与检定METROLOGY TEST TECHNOLOGY & VERIFICATION收稿日期2012 -08 -20弹射物速度是衡呆玩具安全性能的币要参数之准确测量弹射物速度便成为研究课题。弹射物速 度测凰可以分为接触式和非接触式两种.玩具弹射物 速度测量多采用非接触测量,如感应线圈,多普勒雷 达.磁阻传感器.高速摄影和光电传感器等.其中 光电传感器乂分为反射式和对射式两种。对射式弹道 屏以II结构简单，准确度髙，而获得广泛应用与认 可。1对射式弹道屏测速原理用J：测宦弹射物速度的测速仪器主要由两个带有 ）1电感应装应的弹道屏组成间距为S。当弹射物接 触 或飞至）第i弹道屏时.仪器开始计时.至第二 弹道屏时，计时结束，总行时间为通过两个屏之间 的飞行距离和飞行时间可以测;11弹射物的飞行速度叭 弹射动能测试仪器的弹道屏之间的距离通常为100 300mm o对射式弹道屏测速般采用定距测就法.即按固 定位国和间隔平行放理两组光发射器件、接收器件及 有关结构如图1所示，第-组为开始屏，第二组为 结束屏，开始屏为测时仪提供起始信号，结束屏为测 时仪提供停止信号.图1两弹道屏功能图当弹射物乖直穿过1、2弹道屏.光电传感器将 传递开关鼠给控制仪.控制仪抿据提前设曽的间茨S （单位：mm）及两次记录的开关旺时刻（1弹道屏2弹道屏D单位：时），从而测定飞过该屏垂直 方向的平均速度 倬位：m/s ）ov = -（1 ）Zl Z22对射式弹道屏的结构和特点对射式弹道屏测速系统的在使用时的环境条件:（A）温度：（1525）T；（B）相对湿度：不大于85%； （C ）电压：AC （220 22 ）V.频率为（50 60川z。表1为测速系统的主要技术指标。对射式弹 道屏测速系统如图2所示2 ,主要由屏体、屏架和控 制仪三部分组成.各部分的主要功能为：（1）屏架. 主要是支撑屏体，安装控制仪,测时仪及显示仪。Q）屏体.主要由两组红外发射器和红外接收器纽 成.接收弹射物飞过两弹道屏的信号。当物体飞过对 射式弹道屏时，引起光通培的变化.由光敏二极管和 放人电路组成的接收器响应，从而产生可以由控制仪 探测到的信号。G）控制仪.用来给接收器供电.并 接收信号.然后测就信号发牛的时间间隔.根据之前 测：得到的距离.计算物体飞行速度。表1主要技术指标表图2弹道屏测速系统简图对射式弹道屏“的主要特点：（1）弹道屏集成一 # Industrial Measurement 2012 Supplementary Issue 2METROLOGY TEST TECHNOLOGY & VERIFICATION计量测试与检定体.结构紧凑.测速距离短.准确性高；G）冇效光 幕面枳大.不容易出现漏测，误测等现象；6）抗于 扰强，工作稳定可靠；）光敏开关可以人为设匿. 适应环境光线变化；6）操作简单维护方便。3对射式弹道屏的准确度分析由式（1 ）及不确定度传播律.弹射物平均速 度r的合成标准不确定度叫 ）按下式Q ）计算讥）訥韵/ $）+ （黑宀） Q） 式中：”为弹射物平均速度.m/s； 5为两弹道屏间的 刖距，山m; /为弹射物穿越两併间的时间，叫。平均 速度测址结果的标准不确定度由时间测量结果和距离 测就结果两部分不确定度分伙组成.下面分别讨论。 31时间间隔测量结果的不确定度在时频晶振为12MHz的情况下,对射式弹道屏 测速系统时间间隔测鼠结果的不确定度主要来源于: 晶振频率、电路系统本身固有的时延、1、2弹道屏之 间乂敏度的是异以及数字系统随机抖动，外界F扰引 起的不确定度晶振频率每次计时带来84ns的测量 不确定度.电路系统本身固冇的时延带来的测呆结果 的不确定度可以由软硬件的设计来控制在因 此时间间隔测蜀结果的合成标准不确定度为:叫O = 丿84 + 84 + 84 s = 146ns3.2距离测量结果的不确定度茨离测就结果的不确定度来源主要冇以下四个 方面：a）弹射物运动轨迹不垂点弹道屏对屏距测呈的 影响玩具弹射物运动的速度通常较低.考虑弹射物初 始速度以及在运动过程中受力的悄况.弹射物的运动 轨迹与弹道屏的垂线始终不平行.若弹射物运动轨迹 与弹道屏乖线的夹角为m.两弹道屏间距为s.弹射 物E行的实际距离与理论距离之是为A5,（如图3 ）。 这一差值可以由式6）计算得到。常采用准星瞄准的方法保证与弹道屏垂直半 S = 152mm.=5,则 0.6mm。（2 ）弹道屏1、2不平行对屏距测量的影响如图4,屏2不平行于屏1,两弹道屏夹角a?， 弹道屏直径为76mm时.引起屏距误差：76sina, 亠 S, = =38tana, ）2cosa2为减少弹道屏不平行，用数显深度卡尺多次测 量,并微调有关机构，使夹角8W0.1。，即有”2 0 0. 07 in in 图4两弹道屏不平行图3）测凰丁具对屏距测董结果的影响两弹道屏之间的距离由数显深度卡尺测就. 300mm数显深度卡尺会有0. 04mm的示值误是；考虑 测臺过程、读数、环境温度变化尊因索的影响.屏距 测量误差A-S =0. 5mm。4）弹道屏本身的宽度及响应区域不-致对屏距 测呈结果的影响发射器和接收器组成的光幕耶度约等于弹道屏的 宽度即为2mm因此.被测量值可能值区间的半宽 度为1mm。所以.弹道屏本身的宽度及响应区域不- 致程度，对屏距测凰结果的影响可以表述为：A = 1 mm。6 ）距离测就结果的不确定度 （S ）假设上述测呈值服从止态分布，包含槪率0.95, 包含因子A = 1.96时.距离测量结果的不确定度可表 + AS? + ASj + AS4一1.2 mm。3.3速度测量结果的不确定度由式Q）及上面的计算，以弹射物的飞行速度 r = 10m/s为例，则飞行时间/ = 15.2ms.将上述参数 代入式Q）得：-/卩.0012V10.0152/10x1.46x100.0152工业计虽2012年増刊20. 0789m/scO. 08m/s在速度为l0m/s.包含槪率为095的悄形下.测 39 7K 为：u （S ） = j = 1.11 mm W 幺计量测试与检定METROLOGY TEST TECHNOLOGY & VERIFICATION就结果的扩展不确定度为0. 16m/s测就结果的相对 扩展不确定度为：,=16%.4试验4.1试验依据将弹射物测速系统竖立放置.让弹射物在-定高 度自由下落”（如图5）.分別测戢弹射物下落起点 与两个弹道屏之间的距离他和珞，两弹道屏间的距 经过两弹道屏的平均速度r则可以按下式 计算： (5 )匹(A- #7)第二弹道厢图5弹射物自由下落图4.2弹射物测速系统不确定度验证试验让直径为5 mm的小钢球在不同高度门由落下. 将所在地丑力加速度9. 7883m/s2小钢球下落位置及 屏间距等参数代入6）式得到对比试验结果（如表 2所示）。表2对比试验表F落位fit /m测址次数n由落体法 测ht结果/ （m-厂1 ）对射式弹逋 屏测肚结果 / H1 ）测1让垦值/ m s1 )1.00104. 424.410.012.00106. 266. 230. 035. 981010. 8210. 770.05从表2可以看出,自由落体法与对射式弹道屏测 速方法测址结果非常接近.每组速度测址相对羞值均 小于0.5%试验结果表明对射式弹道屏测速系统准 的性可靠，一致性良好。5结论利用比电转换原理研制而成的玩具弹射物测速系 统貝.冇体积小巧、测速范围广、易于操作.对使用环 境要求不岛等优点。经自由落体法验证.氏具弹射物 测速系统止确度较高利丿U光电转换原理研制而成的 玩貝前射物测速系统无论从理论分析还是实际校准. 示值误差测呆结果的测就不确定度均优于1%。参考文献】UJ刘森.髙連运动H标的光电箱密测速技术研究【）硕 士学位论文.天津大学，2006.2J GB/T 26175-2010.弹射玩斤动能测试方法SJ.3周志广雷彬,李治源.对射式激光测速系统设计与实现J 计算机测屋与控制，2011, 19 01 ）： 36-38.14J JJE 1001-2011. ig用计虽术语及定义SJ.5九群华.施浣芳，阀廉先.等.红外比廉耙测速系统和特 度分析 IJ 光子学报.2004. 01 ）： 130-132.【城辑：薛敏 40 Industrial Measurement 2012 Supplementary Issue 2