光幕测试

光幕测试（精选6篇）

光幕测试 篇1

0 引言

在武器研制和生产过程中,对弹丸飞行速度和着靶坐标的测试,一直是靶场测试领域中外弹道试验的重要内容,速度与着靶密集度也是衡量枪炮特性、弹药特性和弹道特征的重要指标[1]。目前,基于天幕靶和光幕靶原理的光幕[2,3,4,5],采用多个光幕组成光幕阵列,测试弹丸速度与着靶密集度,以其非接触、无损伤、实时性好、测试精度高等优点,在靶场测试领域得到广泛应用[6,7]。其中,四幕阵列的光幕立靶可以实现对弹丸速度和坐标的同时测试[8,9]。但是四幕阵列要求弹丸垂直于靶面入射或只能以较小的角度斜入射[10]。这在实际使用时很难做到,即使弹道枪固定在刚性枪架上,射击前精确瞄准,由于弹丸散布的存在,每一发弹道也不一定垂直入射[11]。

在四光幕阵列的基础上增加两个光幕,组成六光幕阵列可以实现大角度斜入射下的精确测试[12]。对于一种确定的光幕阵列,影响光幕阵列测试精度的因素较多,本文以V型六光幕阵列为研究对象[13],通过理论分析和仿真分析,研究不同参数条件对测试精度的影响。为双V型六光幕精度靶的工程设计优化及测试误差估计提供参考。

1 测试模型及公式

双V型六光幕阵列结构如图1 所示,在六面体内六个光幕面以特定的角度分别放置,依次记做G1、G2、G3、G4、G5、G6。其中,G1与G6相互平行并与预设弹道方向垂直,其余4 个面在G1和G6之间两两成V字型排列。选取的直角坐标系YOZ面位于G1光幕平面内,O点为G1光幕面的中心点,X轴正向与预设弹道方向重合。其中,G1与G6之间的距离为靶距S;G2与G3间夹角为2α;G4与G5间夹角为2β;其中S、α、β 统称为结构参数。

弹丸射向靶面时实际弹道与预设弹道的偏差可以用图2 的弹丸速度矢量示意图表述[13]。

图中,θ 为俯仰角,γ 为方位角,速度矢量在XOY平面的投影与XOZ平面的夹角为 γ2,若记弹丸穿过G1、G2、G3、G4、G5、G6六个光幕的时刻分别为t1、t2、t3、t4、t5、t6,称其为时刻序列。靶距S与结构参数α、β 为已知量,则可以得到弹丸在竖直方向的俯仰角 θ 和水平方向的方位角 γ:

弹丸在靶内的平均速度V:

弹丸的着靶坐标:

其中:

由测试公式可知测试结果除了由弹丸穿过光幕的时刻序列决定外,还与结构参数、入射位置、入射角度等因素相关,下节将进行详细分析这些因素对测试精度的影响。

2 测试精度分析

为简化测试公式,设T1=t5+t4-t6,T2=t5-t4,T3=t3+t2-t6,T4=t3-t2,T5=t6-t1,T6=t2-t1,T7=t4-t1,则式(1)~式(6)变为

在实际中,一般认为第一个光幕G1为起始光幕面,即认为时刻t1=0。

2.1误差传播公式

测试误差传播公式用以下公式表示:

2.2结构参数对误差的影响

结合实际参数,本文中选取双V型光幕阵列靶距S=2 m,靶距误差ΔS=1 mm,弹丸速度V=720 m/s,靶面大小800 mm×800 mm,认为弹丸入射角度θ5||°≤、γ5||°≤,取时间误差为Δt=0.5μs,有ΔT1=ΔT3=1.5μs,ΔT2=ΔT4=ΔT5=ΔT6=ΔT7=1μs。结构参数角度可采用双经纬仪空间标定技术标定光幕夹角[14],选取光幕夹角误差Δα与Δβ等于0.01°。

增大靶距S可以提高测试精度,但过大的靶距会给使用带来不便,本文只研究光幕结构参数α、β对测试结果的影响。假定弹丸是从G1光幕中心(Z,Y)=(0,0)处入射,取θ=γ=1.5°,令β=25°,α从10°逐渐变化至80°,考虑弹丸速度和着靶坐标测试误差随α的变化,由式(11)和式(17)可知,纵坐标Y与α无关,这里只需考察横坐标Z与速度V的误差随α的变化关系,在MATLAB中仿真得到误差分布图3。

图3(a)表明,双V型六光幕阵列中弹丸的坐标测试误差随结构参数α 的增大而减小;图3(b)表明,双V型六光幕阵列中弹丸的速度测试误差亦随结构参数 α 的增大而减小。且 α 从10°增加至30°的过程中,测试误差的减小较为显著,之后误差的减小随角度的增大趋于平缓,在由40°增加至80°的区间内,横坐标测试误差的减小量小于1 mm,速度误差减小仅约1 mm/s,与其各自在之前的变化量相比小很多。

对坐标Z和Y的测试,区别仅在于前者是在水平面投影计算,而后者是在竖直面的投影进行计算,从光幕结构和测试原理上二者满足对称关系,令上述其它仿真条件不变,令α=25°,β 由10°逐渐变化至80°,可以得到与图3(a)类似的ΔY与 β 的关系,和与图3(b)类似的ΔV与 β 的关系。

2.3 入射角度对误差的影响

其它参数不变,选取入射点坐标位置(Z,Y)=(100,100),结构参数α =45°、β=45°,分析θ≤ 4° 、γ≤ 4°情况下入射角度对坐标测试误差 ΔZ、ΔY的影响可得图4。

同样条件下,考虑|θ|≤5°、 |γ|≤5°方向角 γ 和俯仰角 θ 对速度测试误差 ΔV产生的影响可得到图5。

由仿真结果可见,ΔZ主要受 γ 影响且随 γ 的增大而增大;ΔY主要受 θ 的影响且随 θ 的增大而增大。ΔV随 γ、θ 均呈曲线变化,且均在 γ、θ 为0 时出现极小值,在极小值两侧随着弹丸入射角度与预设弹道夹角的增大而增大。

2.4 入射位置对误差的影响

横坐标的误差仅与入射点的横坐标有关,纵坐标的误差仅与入射点的纵坐标有关,其他条件不变,选取α=40°、β=40°,弹丸入射角 θ=5°、γ=5°,考虑800 mm×800 mm靶面内,弹丸坐标误差 ΔZ、ΔY及弹丸速度误差 ΔV的分布如图6,图7,图8 所示。

由图6 得到,随着入射位置横坐标的增大,即远离光幕V型夹角的方向,横坐标测试误差呈减小的趋势,图7 可以在纵向上得到类似的结论。对于弹丸的速度误差 ΔV,在靶面内分布如图8 所示,在距光幕交角最近的位置速度误差 ΔV最大,且沿Z向和Y向远离光幕交角时 ΔV逐渐变小,在距离两个光幕交角均最远时达到最小值。

3 结论

1) 随结构参数α、β 的增大,坐标和速度测试误差均呈减小趋势,且在α、β 取值越小时,误差随结构参数增大而减小的速率越快;

2) 横坐标测试误差主要与方向角相关,纵坐标测试误差主要与俯仰角相关,且横坐标测试误差随入射角度 γ 的增大呈增大趋势,纵坐标测试误差随 θ 的增大呈增大趋势;在 γ 和 θ 为0 时,速度测试误差达到最小值,且随入射角度与预设弹道夹角绝对值的增大呈现增大趋势;

3) 横坐标测试误差仅与入射点的横坐标相关,纵坐标测试误差仅与入射点的纵坐标相关,在入射点沿横、纵坐标远离光幕交角的方向上,各自的坐标测试误差均呈减小趋势;在弹丸入射点沿横、纵坐标远离光幕交角方向上,速度测试误差也呈减小的趋势,且在入射点距离两个光幕交角均为最远时达到极小值。文章的研究结果对工程设计有一定指导意义,为提高六光幕阵列测试精度提供了参考。

大面积平行光幕弹着点测试系统 篇2

关键词：弹着点位置,菲涅耳透镜,平行光幕,大面积弹着点测量系统

0 引言

弹丸射击密集度既是衡量低伸弹道武器系统的射击效果和评价其性能优劣的主要特征参量之一,同时也是目前枪、炮、弹生产厂家在产品检验中主要测量的技术指标之一。能否精确地分析出武器系统的射击密集度,这将对提高武器系统的战斗效能起非常重要的作用[1]。

在相当长的一段时间内我国一直利用传统的接触式立靶测量弹着点坐标,就是用纸板、木板或纺织布等材料在弹道的测试截面立一道可见的靶板,武器瞄准射击,射击完成后,由人工测量靶上弹孔的位置获得武器的射弹散布。如美国陆军试验操作规程的弹道散布中提到一种木板靶射击精度测量系统,靶面为2.3m×2.3 m[2],美国国防部手册提到的射击控制系统特性的测试试验就是采用一种木板靶作为靶面测试射击精度[3],文献[4]、[5]中也提到了用接触式立靶。这种方法虽然直观,但检测方法比较落后,费时、费力、靶面小、精确度不高且难以识别重合孔和接近重合孔的位置,无法测试连发的状态,易受到各种外界和人为因素的影响,更无法做到快速检测,数据周期长且难以实现远距离的快速显示。自20世纪八十年代初以来国内外相关研究所和大学就在进行非接触式立靶弹着点测试技术研究,现在非接触式立靶在射击实验中应用越来越广泛,包括声靶、光电靶以及基于无线电的测量方法。常见的光电靶主要有激光光幕靶,光纤编码天幕靶,半导体器件阵列测量靶和线阵CCD交汇靶等[6]。本文设计的该系统具有大面积靶面,满足兵器发展的需求,具有广阔的应用前景。

1 系统结构及工作原理

1.1 系统结构概述

大面积弹着点测试系统是由若干个平行光幕单元模块无缝拼接形成的,根据实际所需要的光幕靶面的大小选择平行光幕单元模块的个数,每个平行激光幕单元沿宽度方向的光通量密度呈高斯分布,一定直径的弹丸通过光幕的不同横向位置时探测器获取的信号不同,通过信号的幅值来细分平行光幕单元宽度范围内弹着点的位置。该系统主要由产生数据采集触发信号的激光光幕、弹着点坐标测试的激光光幕和数据采集系统组成,把产生触发信号的激光光幕作为测速的启动信号,弹着点坐标测试的激光光幕作为测速停止信号,启动光幕和停止光幕之间预设一个靶距,根据区截测速原理还可以实现弹丸过靶速度的测试。弹着点坐标测试光幕由相互正交共面的平行光幕组成,水平方向的平行光幕负责测试弹丸过靶的纵坐标,竖直方向的平行光幕负责测试弹丸过靶的横坐标(见图1)。

当有弹丸通过该系统时,弹丸首先经过测速启动光幕靶面,经过一定的靶距后再经过弹着点坐标测试兼测速停止光幕靶面,弹丸经过光幕时会引起探测器上光通量的变化,由信号处理电路获取该信号并传至数据采集系统,再经过上位机处理得到该弹丸过靶速度和弹着点坐标。

1.2 弹着点坐标测试细分原理

为了满足弹着点坐标测量的精度要求,测试系统根据光电探测器得到的信号幅值大小来细分光通量密度分布不均匀的平行激光幕单元,原理如图2所示。

由于激光器输出的激光是高斯光束,根据高斯光束通过理想光学系统的传输规律,高斯光束扩束成平行光幕后沿宽度方向的通量密度分布也为高斯分布,则弹丸穿过光幕的不同位置会造成整个光幕光通量的改变量不同,所以通过光电探测器将光通量的变化量转化为对应幅值的电压信号,对该信号进行处理计算即可得到弹丸穿过平行激光幕单元的位置坐标。

设平行激光幕单元某点处的激光强度E与该点处的位置坐标x成函数关系,即E=y(x),弹丸穿过光幕时的位置坐标为x0,弹丸的直径为b,则弹丸穿过光幕时造成的光通量的变化量δ为

很明显,当y(x)是单调函数、弹丸的直径b一定时,δ只与x0有关,即光通量的变化量只与弹丸穿过光幕单元的位置坐标有关。通过测量光通量的变化量,再经过式(1)计算后就可以得到子弹穿过光幕单元的位置坐标。大面积光幕靶面是由若干个平行激光幕单位无缝拼接形成的,每个单元的信号粗分大面积光幕靶面的弹丸位置坐标,与粗分相对,再由单元光幕细分的方案可以精确的测试每个单元光幕上的弹着点坐标。

在弹着点坐标测量的光幕前面加一个启动光幕就可以根据区截测速的原理实现弹丸测速,测速靶由启动靶(激光幕)和停止靶(激光幕)组成(见图1)[7],弹丸穿过各光幕时,分别阻挡部分光线,光电探测器将变化的光通量转化成电流信号,经光电放大器放大成为弹丸过靶信号,由高速AD采集卡采集并送给计算机进行处理,根据信号波形间的时间间隔∆t和激光幕间的距离S(拟定为2 m)由v=S/∆t计算得到弹丸过靶速度。由于采用AD采集卡获取弹丸过靶波形,计时时刻的选取可根据过靶波形的具体情况进行优化,可选取过靶波形的前沿或后沿,如对制式弹丸可选取弹丸过靶波形后沿(下降沿)的某处作为特征点来启停计时,该特征点处波形斜率较大,计时误差较小,对应的是弹丸尾部飞离激光幕的瞬间,使测试精度更高。为了实现测速、测坐标系统一体化,测试系统采用了测坐标激光光幕兼作测速停止激光光幕的方案,使结构更简单、紧凑。

2 大面积平行光幕的形成

2.1 菲涅耳透镜

菲涅尔透镜(Fresnel lens)是一种精密的光学系统,它是根据对接收灵敏度和接收角度的要求设计制造的,通常由聚乙烯材料注塑成薄纹片,再刻上精细的镜面和纹理。其技术精度要求甚高,优质透镜必须纹理清晰、表面光洁、厚度在0.65 mm左右。红外光的透过率应大于65%。与传统的光学玻璃透镜相比,菲涅尔透镜具有重量轻,材料来源丰富,成本低,制作方便,口径大,厚度薄等特点[8]。

菲涅尔透镜在成像上有一个突出的优点——有非球面透镜的作用,可以消除球差。菲涅耳透镜是一块其中一面刻有一系列同心棱形槽的轻薄光学塑料片,其每个环带都相当于一个独立的折射面,这些棱形环带都能使入射光线会聚到一个共同的焦点。在平行光垂直入射的情况下,在其焦面上能得到一个无像差的会聚点。根据系统要求,选择长焦距消球差的柱面菲涅耳透镜(见图3)。

2.2 平行光幕

平行光幕是保证坐标测试精度的关键,利用半导体激光线发生器作光源,经长焦距消球差的柱面菲涅耳透镜形成平行光幕单元,光幕要求有良好的平行性,这样才能保证具有相同一维坐标的点投影到探测平面的同一位置上(见图2)。平行光幕发生器采用可拼接的模块单元化结构,该模块单元的光幕宽度拟定为400 mm。

由于激光器发出的激光是呈高斯光束,经过菲涅尔透镜后还是一个高斯光束,即

其中:A、b和w为常数,高斯函数是偶函数[9],将一个模块单元的光幕沿平行光幕中心对称分成两部分平行光幕,这样每部分平行光幕的光强度分布函数都是一个单调函数(见图4),其中左边为单调上升,右边为单调下降。只要确定了参数A、b和w就可以用式(1)来测量弹着点坐标,基于此采用两个相同光电探测器分别来探测一个高斯激光器形成的平行光幕的高斯光束的两边(见图2),根据单元细分原理每个探测器输出的电压幅值都是由平行光幕的中心向边缘递减,由数据采集系统和上位机软件处理即可得出弹着点坐标。

2.3 弹着点坐标测试系统

由于“一”字线激光器输出的高斯光束形成平行光幕后沿宽度方向的光通量密度分布也服从高斯分布,因此,把平行光幕沿宽度方向分成上下两个分区,分别通过光电二极管来接收,由数据采集系统获取信号波形,这两个信号实现了平行光幕单元的上下两个分区的粗分,由于相同弹丸过靶信号波形的幅度由中心向边缘递减,与粗分相对,则实现了平行光幕单元的每个分区沿宽度方向的光通量密度细分,这种光通量密度细分方案成本较低,可通过标定的方法,由软件处理获取的信号波形得到较高精度的坐标,但对激光发生模块和光电接收模块的性能一致性和稳定性有较高的要求,数据采集系统要有较高的分辨率和较多的通道数。

平行光幕发生器采用可拼接的模块单元化结构,该模块单元采用400 mm的长焦距消球差的柱面菲涅耳透镜和经扩束后的“一”字线半导体激光器构成,形成平行光幕的宽度为400 mm,光信号分别通过两个相同的柱面菲涅尔透镜会聚后由两个光电二极管来探测,每个光电二极管来覆盖200 mm范围内的一维坐标探测(见图2),平行光幕长度能保证大光幕的需求,这里光幕长度拟定为10 m,宽度可通过无缝拼接实现不同靶面的需要,用25个模块无缝拼接可实现10 m×10 m的大面积平行光幕。弹丸穿过大面积光幕引起光幕光通量的变化,光电二极管将光通量的变化转化为有一定幅值的电压信号,经采集装置采集和计算机软件处理可得到弹丸过靶的坐标值。由于采用共扼光学系统,光源和探测部分的光学器件是相同的,在模块的结构设计中会带来很大方便。

3 试验结果

3.1 平行光幕光强度分布曲线参数测试

采用经准直扩束后的“一”字线半导体激光器作光源,放在长为400 mm的长焦距消球差的柱面菲涅耳透镜的焦点处,用CCD相机采集经该菲涅耳透镜形成的平行光幕投射在白纸屏上的亮条纹,CCD相机记录下来的灰度值信息与整个激光条纹上各点的光强信息相对应,用纵向像元素的灰度值相加的和表示某点的相对光强来测量平行光幕光强度的空间分布。对CCD相机采集的激光条纹图像采用Matlab软件进行图像处理获得激光光强度的分布曲线(见图5),∆E是光强的相对值,x是400 mm宽的平行光幕中每点位置,单位是mm,经过曲线拟合可以得到平行光幕光强度分布曲线参数,则得到光强度的分布函数为

3.2 大长度平行光幕模拟弹丸过靶信号采集试验

用Φ5 mm的塑料珠模拟弹丸投射通过由两个400 mm×10 m的平行光幕模块单元无缝拼接够成有效靶区为800 mm×10 m的不同位置,采集离平行光幕发生器10 m处的光电接收模块单元的模拟弹丸过靶信号,验证探测系统的探测能力。在有效靶区内不同位置模拟弹丸过靶位置示意图见图6,其相应的过靶波形见图7。

3.3 细分测量坐标试验

该试验主要是验证单元细分方案测量坐标的可行性。试验采用两个400 mm×10 m的平行激光光幕模块单元无缝拼接构成有效靶区为800 mm×10 m的大面积平行激光光幕,对该有效靶区,由4个光电探测器分成4个区域进行探测,见图6。用4通道数据采集系统采集Φ7.62 mm弹丸实弹射击时的过靶波形,根据不同纵坐标过靶位置的过靶波形幅值,由计算机软件处理得出子弹的坐标值。实弹射击试验数据如表1所示,部分子弹过靶波形见图8。

4 结论

平行光幕光强度分布曲线参数测试结果显示平行光幕是高斯光束。在有效靶区内不同位置模拟弹丸过靶波形试验结果表明平行光幕弹着点测试系统有足够的灵敏度能获取小目标的过靶波形。Φ7.62 mm弹丸实弹射击验证试验表明单元细分方案测量坐标是可行的,尽管在曲线拟合数据量较少的情况下,对10 m长的靶面,实弹试验坐标靶测量坐标值与弹孔测量坐标值差值的标准差达到了5.16 mm。

在该验证试验的数据处理中,用于曲线拟合的数据仅为当次试验的数据,数量少,精度差。通过一体化设计大面积弹着点测试系统中的平行光幕发生器和光电探测部分,并优化激光光强分布规律后将会得到更好的效果,可减小对激光发生模块和光电接收模块的性能一致性和稳定性的要求。该系统在实际工程应用中采用平行光幕的高斯光束相对光强的算法可大量减少标定的次数,只需要少量的几个典型标定数据和平行光幕相对光强分布曲线经过专用算法可实现高精度的弹着点坐标测试。

参考文献

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应理性关注的电梯部件——光幕 篇3

关键词：电梯,光幕,安全

随着城市化进程的加速, 我国电梯的拥有量与日俱增。电梯已经成为居民日常工作、生活必不可少的设备之一。人们在享受电梯的高速和舒适的同时, 也饱受了因电梯故障而受困轿厢内精神和肉体的折磨。与此同时, 电梯的使用安全越来越受到百姓和政府的关注, 因此, 电梯部件的技术现况是最能说明这些表现的载体, 作为电梯门保护装置的光幕, 就是这其中的一个。

那么什么是电梯光幕?电梯光幕是一种光线式电梯门安全保护装置, 适用于客梯、货梯, 保护乘客的安全。由安装在电梯轿门两侧的红外发射器和接收器、安装在轿顶的电源盒及专用柔性电缆四大部分组成。在发射器内有32个 (16个) 红外发射管, 在MCU的控制下, 发射接收管依此打开, 自上而下连续扫描轿门区域, 形成一个密集的红外线保护光幕。当其中任何一束光线被阻挡时, 控制系统立即输出开门信号, 轿门即停止关闭并反转开启, 直至乘客或阻挡物离开警戒区域后电梯门方可正常关闭, 从而达到安全保护目的, 避免电梯夹人事故的发生。

光幕实际上就是一种光电传感器。那么什么又是光电传感器呢?可分为以下几层: (1) 当保护区域内无侵入物体时, 传感器的接收器处于受光状态, 此时接收器的通讯指示灯 (红灯) 应熄灭, 发射指示灯 (黄灯) 点亮, 这时按下被保护设备的工作开关, 设备可正常运转。 (2) 当有物体 (不小于最小可检测体或者分辨率) 侵入保护区域时, 接收器的红色指示灯将被点亮 (可能是接收器处于遮光状态, 也可能是光通讯被遮断) , 此时被保护设备受控, 处于强制停顿状态。 (3) 当侵入物体撤出保护区域后, 光幕传感器将返回1.状态, 设备将继续工作。在安全光幕传感器开机进入工作状态后, 使用直径为最小检测体尺寸的测试棒 (或同等直径的不透明物体, 垂直侵入保护区域, 分别按顺时针和逆时针方向在保护区域内做平移运动, 此时光幕传感器应一直有红色指示灯被点亮, 受控设备无法工作正常开关门时, 光线没有遮断, 光路通畅, 安全关门。如若在关门时, 有人进出或有其他物体阻挡, 光路被遮挡, 安全回路控制电梯重新开门, 然后再关闭, 以避免夹到乘客。

光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。它可用于检测直接引起光量变化的非电量, 也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量。光电式传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点。光电传感器的功能主要有:检测物体的有无, 检测透明物体, 检测色标, 检测颜色, 检测发光物体, 检测位移, 激光传感器, CCD视像传感器, 槽形开关等;安全光幕的功能主要有:对人的手指, 手掌, 手臂等身体各部位的2级和4级保护。

光电传感器的特点: (1) 检测距离长。 (2) 对检测物体的限制少。 (3) 响应时间短。 (4) 分辨率高。 (5) 可实现非接触的检测。 (6) 可实现颜色判别。 (7) 便于调整。

鉴于以上特点, 电梯常见的门入口保护装置有接触式保护装置和非接触式保护装置。光幕是典型的非接触式保护装置。与机械安全触板相比, 光幕装置无机械运动部件、无精密机械转感器, 与物体无接触, 因而故障率低、可靠性强、光幕保护系统作为一项成熟技术已逐渐被电梯行业认可。

当前, 用光幕替代机械式安全触板, 或将光幕与触板复合成为具有双重保护功能的二合一光幕, 已成为电梯业内广泛采用的电梯门保护装置。然而, 在以价格为取向的形势下, 什么样的光幕最适合于电梯;不同用途的电梯是否需要使用不同功能特性和性能指标的光幕;在防止功能过剩的适用原则下, 如何评价功能齐备和性能优良的光幕;在以诚信为基础的经营原则下, 光幕的制造厂家又该怎样向电梯制造厂家真实地介绍有关光幕的技术参数, 并提供给用户具有较高性价比的、高可靠性的光幕。

在没有相关的标准去衡量光幕的优劣, 没有相关的标准去保证技术的健康发展, 没有相关的标准去制约市场竞争中的企业行为的前提下, 以至于在低价竞争的怪圈中, 光幕的功能被片面追求适用而简单, 光幕的性能因无标准制约而粗略。光幕得以普遍应用, 但又未受相关标准所制约的情况下, 如何正确认识及鉴别光幕, 合理选择和使用光幕, 对保证电梯的安全有效运行是十分重要的。光幕的制造厂家, 有必要切实地介绍和真实地提供光幕的基本技术参数, 以利于电梯制造厂家针对其所产电梯的结构特点以及用户使用要求, 合理地、最大效益地选用光幕。

目前光幕的技术现况。

(1) 从保护和运行形式上看, 现有光幕的运行形式, 已被明显划分为普通光幕、二合一光幕和三维光幕。直接替代机械式安全触板的普通光幕, 分为运动型光幕和非运动型光幕。具有双重保护功能的二合一光幕, 将成为电梯门保护装置的主流。随着电梯售后服务及运行管理模式的发展, 二合一光幕的功能特点更加得以突现。三维光幕虽已有近十年的历史, 但在技术上有待改进, 所以在某种程度上限定着其在市场中的地位。

(2) 从功能特点上看, 光幕的基本探测功能被价格弱化或扭曲, 基本探测功能以外的一些辅助功能没有得到应有的重视和发展。无论是机械式安全触板还是光幕, 其作为电梯门保护装置的基本功能, 就是防止电梯门对人体及物体的碰撞和夹持。两者的区别在于:机械式安全触板是在碰撞和夹持到人体及物体之后发出开门信号。它最能实现其基本功能的时段是在门距为800mm至50mm之间, 小于50mm后可能无保护作用;而光幕应是在未碰撞和夹持到人体及物体之前发出开门信号。门距大于800mm时, 光信号较弱, 易阻断, 基本探测功能不难实现, 可这并不是电梯门关门过程中最需要保护的时段。随着门距的减小, 较强的光信号就不易被阻断。一些低价的光幕因无法较好地处理信号而在门距小于500mm后已基本丧失探测功能。

现代电梯的运行管理, 要求光幕在具有基本探测功能的同时, 不仅能对自身的工作状况进行诊断和显示, 而且还要具有一些辅助功能。

长久以来, 灰尘和水对光幕的影响和损坏, 占据着光幕故障率的最高比例。以往采取的方法通常为用胶水封堵透镜, 或加密封胶垫, 或在电路板上浸涂防水层, 或将光电器件局部密封等等。这些方法都有一定的局限性。

基于光纤无盲区的光幕研究 篇4

针对目前情况, 本文利用光纤研制出无盲区的光幕, 相对传统红外光幕的优势: (1) 系统结构简单, 性能稳定, 操作方便; (2) 相对传统红外光幕, 光纤光幕没有盲区。

1 基本原理

并排紧密的排列相对20根光纤, 使其成为光纤的发射端与接收端, 这样可以去除光幕中的盲区。

选择合适的激光器使之打出发散光束, 与并排排列的发射一端多根光纤耦合, 光纤发射端头与接收端头通过光纤打磨融合技术[4], 使之能够更好的接受传递光束, 接收光纤另一端与硅光电池连接, 使光信号转变为电信号, 通过后续开关电路使其成为安全可靠无盲区的光幕系统, 当有物体阻碍光线传播, 开关电路中继电器跳开。该过程可以用图1表示。

2 光线与激光器耦合条件

为满足光纤中的全反射条件, 入射光束的最大入射角必须在数值孔径决定的范围内[5]。另外, 欲使光束约束在纤芯内, 入射光束在光纤端面上的尺寸必须小于芯径, 如图2所示。

即激光与光纤的耦合需满足以下的匹配条件:

其中dspot为聚焦光斑直径, dcore为光纤芯径, θin为聚焦光束的最大入射角度, NA为光纤的数值孔径, 在激光技术中常用BPP (光束参数乘积因子) 来描述激光器的光束质量, 其定义为 :

式中ω为束腰半径, θ 为光束远扬发散角 (半角) 。

3 光纤自身研磨球形透镜

本文采用1mm塑料单模光线, 通过自身熔点来在光线一端制作球形透镜。

用机床在方型的铁块上车出直径为1mm的球形孔槽, 利用DS18b20制作温度监控系统, 使之检测铁块的温度。把光纤的一端放入铁块的球形孔槽中, 加热铁块, 检测温度使其达到光纤熔点, 这时取出光纤放入水中使其固定成前端球形因此制作成自己的球形透镜。在相同条件下平面端头光纤和球形端头光纤光束传播使之转变为电信号对比如表1。

4 光纤光幕接收驱动开关电路

当硅光电池转化为电信号后[6], 通过后续放大电路, 再与电压比较器连接使之输出高低电平, 比较器输出端再连接继电器[7], 当有物体通过光幕时候, 硅光电池转化电信号强度小于比较器的基准电压, 使之输出低电平, 从而继电器跳开, 这样就制作成一个简单的开光电路。如图3所示。

5 结语

本文对利用光纤实现无盲区光幕的思想加以介绍, 同时论述了激光器与光纤耦合的条件, 并阐述了光纤端头制作球形透镜的方法, 以及光纤光幕接收电路的搭建。通过实验表明, 光纤光幕结构简单, 性能稳定, 并且相对红外光幕是无盲区安全光幕。

摘要：在工业制造中, 事故频发的设备主要为冲剪IE机械设备等, 一旦操作人员疏忽大意, 将手或者身体其他部位进入或停留在模具运动区, 将对人身带来严重威胁。光幕在工业生产中, 对人身安全的保护极为重要, 但现有的光幕基本都存在盲区。本文利用激光与光纤耦合以及光纤自身耦合特性, 同时利用光纤体积小, 灵活性强的特点, 采用并排排列光纤, 使之消除盲点。通过实验证明, 该实验能准确, 可靠的实现无盲区的光幕实验系统。

关键词：光幕,光纤,激光传输,硅光电池,无盲区

参考文献

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一种电梯光幕保护系统的设计 篇5

随着电梯技术的不断发展, 光幕作为电梯出入口保护装置正越来越广泛被应用在电梯上。与传统的安全触板相比, 光幕利用红外技术, 具有无需接触即可检测人和 (或) 物体的优点;但是同时存在容易受到强光、灰尘干扰, 使用寿命短, 存在检测盲区等缺点。本文从软硬件上设计电梯光幕保护系统, 在充分发挥光幕优点的基础上, 规避其缺点对电梯正常运行的影响。

2. 光幕保护装置

2.1 光幕的组成及工作原理

光幕一般由发射装置、接收装置、控制装置组成, 如图1所示。

光幕发射装置内有若干个红外发射管, 接收装置内有若干个红外接收管, 分别安装在电梯轿门两端。在微处理器的控制下, 发射管依次发射红外线, 接收管依次接收红外线, 形成一个密集的红外线保护区域。当其中任何一束光线被阻挡而使接收管没有接收到红外线时, 光幕控制装置输出遮挡信号给电梯控制系统, 电梯控制系统控制轿门停止关闭并且重新反向开门, 直至乘客或阻挡物离开保护区域, 从而达到安全保护目的。

2.2 光幕的选用

在电梯上选用光幕, 需要重点关注以下基本参数:发射管和接收管对数、光束数目、光点间距、最高光束、最低光束、最小探测距离、最大探测距离、响应时间。

红外光定向性差, 容易产生发散的特点, 光幕装置普遍利用该特点来实现交叉扫描。如图2所示。红外光由发射管发射, 发散后形成多个光束被多个接收管接收到。如果光幕装置采用1对5的扫描方式, 则光束数目= (发射管和接收管对数×5) -6。

虽然GB7588-2003没有对动力驱动门保护装置覆盖的范围做出明确要求, 但是DIN EN81-20-DRAFT送审稿5.3.6.2.1.1条对此却做出明确的要求:

The protective device (e.g.light curtain) shall cover the opening over the distance between at least 25 mm and 1600mm above the car door sill[1]。

意思为:该保护装置应能覆盖至少从轿门地坎上方25mm到1600mm的开放区域 (如:光幕) 。故在选用光幕时, 必须关注最低光束高度不能高于20mm (当预留5mm作为轿厢地坎和光幕发射接收装置外沿的间隙时) , 最高光束高度不能低于1600mm。

国标GB7588-2003的8.7.2.1.1.3条规定:保护装置的作用可在每个主动门扇最后50mm的行程中被消除[2]。DIN EN81-20-DRAFT送审稿5.3.6.2.1.1条的规定更严格, 把50mm缩减到20mm。这就要求我们在选用光幕时, 最小探测距离不能小于50mm, 推荐选用最小探测距离不小于20mm的光幕。光幕最大探测距离则根据开门宽度来选择, 最大探测距离必须大于开门宽度。

3. 光幕优缺点

3.1 光幕的优点

光幕通过红外线检测的方式, 无须接触即可检测到人和 (或) 物体, 与传统需要接触才能检测的机械触板相比, 能有效减少电梯门对人和 (或) 物体的撞击。

3.2 光幕的缺点

光幕有容易受到强光、灰尘干扰, 使用寿命短, 存在检测盲区, 安装要求高等缺点。

安装在室外的电梯或者观光电梯, 容易受到太阳光直射而产生误动作, 导致光幕不能有效地检测出遮挡物。

光幕在实际应用中, 经常出现光幕的光束被灰尘遮挡而误动作, 导致电梯无法关门运行。特别是在新建大楼装修期间, 这种情况发生的频率非常高。

光幕的红外发射管和接收管都是电子器件, 而且需要不断循环扫描以检测遮挡物。与采用机械结构的触板相比, 使用寿命短, 故障发生频率高。

光幕都存在垂直允差、水平允差和纵向角度允差, 对安装的要求高。电梯在使用的过程中, 特别是新楼装修期间, 轿门容易受到撞击而发生变形, 使光幕允差过大而误动作, 影响电梯正常使用。

4. 光幕保护系统设计

在设计光幕保护系统时, 首先需要符合国标GB7588-2003的规定。在此基础上, 既要考虑光幕能准确、迅速地检出人和 (或) 物体, 避免电梯关门撞击人和 (或) 物体, 又要最大限度地降低光幕本身的缺点对电梯正常使用的影响, 及时检测出光幕的故障, 同时延长光幕的使用寿命。

4.1 标准规定

国标GB7588-2003的8.7.2.1.1.3条对电梯出入口保护系统的规定:

“当乘客在轿门关闭过程中, 通过入口时被门扇撞击或将被撞击, 一个保护装置应自动地使门重新开启。此保护装置的作用可在每个主动门扇最后50mm的行程中被消除。

对于这样的一个系统, 即在一个预定的时间后, 它使保护装置失去作用以抵制关门时的持续阻碍, 则门扇在保护装置失效下运动时, 8.7.2.1.1.2规定的动能不应大于4J (焦耳) 。”[2]

4.2 硬件设计

光幕保护系统硬件由光幕装置、门控系统、主控系统组成, 如图3所示。其中光幕装置检测电梯出入口是否有人和 (或) 物体, 门控系统控制电梯门电机动作, 主控系统根据各种逻辑判断门控系统开关门动作。

光幕装置的电源由门控系统来控制, 其输出的光幕遮挡信号通过输出继电器同时输出给主控系统和门控系统。光幕装置通过串行通信把状态和故障信号传给门控系统。当光幕装置发生故障时, 门控系统通过控制继电器对光幕装置重新上电复位。

光幕装置遮挡信号输出采用常闭触点输出, 即当光幕被遮挡时, 输出继电器触点断开, 输出低电平, 以防止遮挡信号线断开而使主控系统和门控系统收不到遮挡信号。

4.3 软件设计

4.3.1 总体设计

光幕保护系统软件是电梯嵌入式控制软件的组成部分, 基于瑞萨HEW (High-performance Embedded Workshop) 4.0开发环境, 采用C语言开发设计。光幕保护系统软件由电梯正常运行保护模块、检修运行保护模块、消防员运行保护模块、光幕故障检出与处理模块组成, 如图4所示。

4.3.2 正常运行光幕保护模块设计

电梯正常运行时, 当光幕检测到人和 (或) 物体时, 向主控系统和门控系统同时输出遮挡信号。门控系统收到光幕遮挡信号后, 立即停止关门动作并重新反向开门, 防止对人和 (或) 物体造成伤害。主控系统收到光幕遮挡信号后, 向门控系统输出开门信号, 电梯保持开门状态。当光幕长期被遮挡, 遮挡持续时间超过预设值后, 主控系统向门控系统输出光幕遮挡无效和关门信号, 门控系统控制门机徐徐关闭电梯门, 关门的动能不大于4J (焦耳) , 同时关门按钮灯闪亮并且轿顶蜂鸣器鸣响以提示乘客注意。

光幕长时间通电工作, 会缩短光幕的寿命。所以在电梯闲驶待机关门状态下, 主控系统向门机系统发出指令, 通过门机系统切断光幕的电源。这样, 一方面可以延长光幕的寿命, 一方面可以降低电梯的待机能耗。

4.3.3 检修运行光幕保护模块设计

电梯的检修运行是供电梯专业人员调试、维保使用, 包括光幕故障时使用。按照国标GB7588-2003的14.2.1.3条规定, 一旦进入检修运行, 应取消任何自动门的操作[3]。也就是说, 在检修运行时, 只有持续压揪开门或者关门操作按钮, 才能实现开关门操作。由此可见, 检修运行时, 应该屏蔽光幕作用, 使光幕无效。

4.3.4 消防员运行光幕保护模块设计

电梯的消防员运行是在发生火灾时, 供消防员使用电梯的特殊运行模式。在发生火灾时, 由于会产生大量的浓烟, 浓烟可能会使光幕误检测, 从而导致消防员操作时无法迅速关门。故消防员运行时, 同样应该屏蔽光幕作用, 使光幕无效。

正常运行、检修运行和消防员运行模式下, 光幕保护系统的控制程序流程图如图5所示。

4.3.5 光幕故障检出与处理模块设计

由光幕的缺点可知, 光幕比起机械触板容易发生故障。光幕由发射装置、接收装置和控制装置组成, 光幕故障也主要集中在它们身上。发射装置、接收装置故障主要是发射管故障、接收管故障、安装不良或灰尘导致长期被遮挡故障;控制装置故障主要是电源故障、通信故障、输出继电器故障。

为了降低光幕故障对电梯正常运行的影响, 在光幕保护系统设计时, 有必要对光幕故障进行记录及处理。当光幕发生故障时, 主控系统记录光幕故障信息, 然后通过门控系统对光幕装置重新上电复位。对于控制装置的光幕故障, 一般可以通过重新上电复位来解除。但是如果是发射管或者接收管发生故障, 则很难通过重新上电复位来修复。在此情况下, 如果大楼有多台群组电梯提供服务, 发生光幕故障电梯则停止提供正常运行服务, 大楼由群组其它电梯维持服务。如果大楼只有一台电梯提供服务, 该光幕故障电梯退出自动关门模式, 进入手动慢速关门模式。乘客通过持续按揪关门按钮的方式来实现手动慢速关门, 直到门完全关闭, 同时响蜂鸣器提示乘客注意安全。

光幕故障检出与处理程序流程图如图6所示。

5. 结束语

本文所述光幕保护系统已取代传统触板作为门保护系统, 在小机房住宅电梯得到广泛的使用, 减少门撞人事件的发生, 深受客户欢迎, 获得良好的市场反应。但是对于直径小于50mm的细小物, 依然存在检测盲区, 需要配合其它手段才能检测。

电梯门保护系统有向声音识别系统、图像识别系统方向发展的趋势, 特别是图像识别系统, 能够有效地解决绳子之类细小物检测问题。我们正密切关注着声音识别、图像识别技术在门保护方面的研究与应用, 以进一步完善电梯门保护系统设计。

摘要：介绍了光幕的组成和工作原理, 剖析其优缺点。结合国标GB7588-2003对电梯门保护装置的要求, 我们的光幕保护硬件系统是在电梯控制系统层面上设计的, 而软件系统则最大限度地发挥光幕的优点, 减少其缺点对电梯运行的影响。

关键词：电梯,光幕,门保护装置

参考文献

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一种光幕测速信号的图像处理技术 篇6

精确获得高速运动物体通过两光幕靶的间隔时间是精密光幕测速系统的主要环节之一。在实现间隔时间测量过程中,一种方法是直接利用光电探测信号触发时间计数器,记下开始和结束两次触发信号的数值,从而得到物体的飞行时间[1]。这种方法有较高的响应速度,但无法去除误触发信号,误差较大,精度不高。在该方法中,精确获取间隔时间的关键在于准确去除随机噪声造成的误触发信号,得到正确的触发信号。文献[2]利用数字滤波电路成功滤除了冲击波信号和蚊虫信号的干扰,这种方法能够去除特定干扰因素造成的误触发信号。文献[3]利用单稳电路整形去除误触发信号,这种方法具备一定的抗干扰能力,但由于加入了RC电路,增加了信号波形的上升时间和下降时间,并且精确确定R、C的具体数值比较困难,降低了系统的响应速度和精度,对高速、高精度测量不利。

本文采用基于图像处理算法的软件数字滤波的信号处理技术,处理快速,既避免了RC电路引入的延迟误差,又有效的去除了随机噪声造成的干扰,能够准确获取间隔时间,并且快速完成测量。

2 测量方法原理概述

对于高速运动的物体,如子弹、炮弹等的速度测量,常用的测量方法按测量原理可分成三类,即瞬时速度测量法、平均速度测量法和多普勒原理测量法[4,5]。对于测量500~2 000 m/s运动目标的速度,精度要求达到0.05%,瞬时速度测量法和多普勒测速法基本不能满足要求[5,6],本文采用基于光幕靶的平均速度测量法,它具有精度高,测量的重复性好等优点。

精密光幕测速系统的工作原理如下:首先由高速运动物体通过两个相距已知的光幕靶获得高速光电探测信号,然后通过高速比较器将它与参考电压相比较,当目标物体未挡住光束时,比较器输出为0,当目标物体挡住光束时,比较器输出为1,因此输出信号的0/1反映了目标经过光幕时的挡光状态。由于组成光幕的激光束存在一定间隔,弹尖较细,可能恰好处于两光束之间,因此头部信号不能准确反映头部位置。而弹底较粗而且平坦,挡光信号可以反映尾部位置,所以这里采用尾部挡光信号作为目标位置的测量基准。前光幕的后沿信号对应起始时刻,后光幕靶的后沿信号对应结束时刻,两者之差即为目标通过前后光幕的间隔时间。理想模型如图1所示,测速系统的信号为两个脉冲,后沿分别对应计数值N1和N2,可计算出物体通过前后两光幕靶的间隔时间为T=N2TcN1Tc,其中Tc为采样周期。

3 采样信号分析

在实际的测速过程中,由于光幕测速系统受到随机噪声的干扰,很难得到图1所示的理想信号。实际的比较输出信号如图2所示,b为参考电压,随机噪声干扰高速光电探测信号从而引起输入电压波动,如曲线a所示,比较输出信号就如曲线c所示。可知实际的比较输出信号中可能存在断点和毛刺等干扰信号。这些干扰信号会带来较大的测量误差,因此必须快速、准确的去除随机噪声造成的干扰信号,以得到正确的后沿信号。

4 采样图像的获取与处理

采用迟滞比较器替代比较器整形高速光电探测信号,可提高系统的抗干扰能力,但该方法只适合相对频率较低的信号;利用滤波电路也可滤除随机噪声造成的毛刺信号,但该方法会引入延迟误差,降低系统的响应速度和精度。本文采用了基于图像处理算法的软件数字滤波的信号处理技术。

4.1 图像的生成与分析

图像的采集过程如图3所示,光幕测速系统的前后两光幕靶均由横纵两个光幕组成,每个光幕均由等距的激光束和相应的光电探测器组成。两个光幕分别在X和Y方向上对高速运动物体(图中灰色实体)进行采样,然后将每个采样周期的图像线性的排列在一起,这样在X-T和Y-T两个平面上分别得到了物体穿越前后两单层光幕时的图像。图像的形成过程相当于物体静止且光幕靶以目标物体的速度做反向运动的激光扫描成像过程,因此,本文中得到的是物体的扫描图像,它反映的是目标物体的形状,如图4所示。由于横纵两光幕采集到的图像本质上是相同的,所以本文中可只取纵光幕采集到的图像为例进行说明。由于目标物体的尾部位置平坦,可作为目标位置的基准。只要根据目标物体的形状特征找到图像中物体的尾部位置,便能够换算出后沿对应的计数值N,从而分别得到目标物体通过前后两光幕靶的准确时间,两者相减便能得到物体通过两光幕靶的间隔时间。这样该方法便将间隔时间的获取转换为图像中目标物体尾部位置的获取。

4.2 目标物体尾部位置的获取

为了便于图像的分析处理,本文中将目标物体穿越单层光幕的飞行过程分为三个阶段:1)是物体头部进入光幕阶段;2)是物体进入且挡住激光束阶段;3)是物体尾部离开光幕阶段。这里只需要分析物体尾部离开光幕阶段的图像即可。

在物体尾部离开光幕阶段,物体尾部未离开光幕时,由于噪声干扰等因素,本应连续的区域可能出现若干断点,本应无图像的无目标区域可能出现多个孤立图像点或线。物体尾部离开光幕后,本应无图像的区域可能出现多个孤立图像点或线;在离开的临界区域,可能出现时断时续的振荡。如图5(a),图6(a)和图7(a)所示。由于物体是连通的实体,因此图像断点可以直接连通,图像孤立点可以直接去掉,重点是搜索通断的尾部的准确边界。

根据以上分析,目标物体尾部位置的获取过程如下:

1)首先连通图像断点和滤除图像孤立点。为了获得准确的边界,必须细致考虑连通和去点的顺序和原则,这里的顺序是:连通单像素点-滤除单像素孤立点-连通双像素点-滤除双像素孤立点。

2)经过前一个步骤,获得了大块的连通域,但仍有可能存在一定间隔的多个连通区。这里采用的原则是:从最后的连通区开始,如果后连通区与前连通区的间隔小于本连通区,则连接到前面的大连通区,否则去掉该连通区。

3)经过步骤2)获得了只有一个连通区的图像。该连通区的边界就对应物体的尾部。

4)由于物体尾部不是理想平面,所以尾部图像不是平齐的,单像素尾巴可达数个之多。这里计算方法是用图像面积除以平均宽度计算物体的长度,求出对应的尾部位置。

5 实验结果与分析

应用该处理技术对实际靶场实验中精密光幕测速系统采集到的图像进行了处理,下面以部分图像为例进行说明。

图5(a)中上部的图像为纵光幕实际采集到的图像,下面的为处理后的图像。为了能够更清晰的观察处理效果,分别截取相关部分,得到图5(b)和图5(c)。如图5(b)所示,物体尾部未离开光幕时,本应连续的区域出现了一个断点,本应无图像的无目标区域出现了多个孤立图像点组成的孤立连通区。处理后如图5(c)所示,断点已经被连通,孤立连通区被去掉了,获得了只有一个连通区的图像。

如图6(b)所示,在物体尾部离开光幕的临界区域,出现了时断时续的振荡。处理后如图6(c)所示,滤除了临界区域的振荡。

如图7(a)所示,物体尾部离开光幕后,本应无图像的区域出现了多个孤立图像点组成的孤立连通区。处理后如图7(b)所示,孤立连通区被去掉了。

本系统在现场实弹射击试验速度测试中,与测速雷达和天幕靶进行了同时对比试验。模拟实验和现场测速实验表明,应用该技术不仅有效消除了干扰引起的触发错误和计算错误,而且使测量的数据分散性降低近5倍。由于采样时钟频率高,脉冲个数多,因此时间测量相对精度达0.015%;而通过专用技术,光靶间隔距离精度达0.02%,所以对于1 200 m/s的速度测量,整个系统的速度测量精度完全可以控制在0.05%以内。

该技术有如下特点:

1)系统不需使用RC电路,大大缩小了信号采样的实际孔径时间,保证了光幕通断信号的准确采样;

2)系统采用全过程采样,通断的小干扰毛刺不影响系统的正常触发和工作。避免了采用触发中断信号控制计数等方式的计数错误问题;

3)图像处理算法是对目标形状和位置的优化综合计算,滤除了断点和孤立点干扰噪声的影响,大大降低了测量结果的均方差指标;

4)由于数据是全过程记录的,所以可以在测量以后进行深入细致的再处理,包括人工介入修正,有效避免了因偶然因素造成测量数据无效等问题,提高了测量试验的数据有效率和可靠性。

参考文献

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