专利名称：运动球速度光电测试仪的制作方法
技术领域：
本实用新型属于运动物体速度检测的技术领域。
在普通物理力学实验中，利用气垫导轨和数字毫秒计装置可测量运动物体的速度。其工作原理如下在气垫导轨的某一位置上设有一个横跨导轨的光电门，在门框两侧分别装有光敏二极管和聚光灯泡，而聚光灯炮发出的光线正好照在光敏二极管上，光敏二极管又与触发器相连，被测物体顶部安装有一距形薄片，称为挡光板，当该物体沿气垫导轨上运动时，挡光板前沿首先遮住光敏二极管的光线，使数字毫秒计开始计时，而挡光板后沿通过光电门后遮光结束，使数字毫秒计停止计时，于是便记录下挡光板遮光所经历的时间T。如已知挡光板宽度为S，则运动物体在通过光电门时的速度为V＝S／T(1)本实用新型正是运用挡光时间来间接测速这一基本思路，但本实用新型可用于在空间作曲线运动的球在任一位置速度大小的测量，同时可测出在该位置上的速度方向，以及运动球的球心高度。
本实用新型的目的在于对运动球在任一位置的运动状态进行实时、简便地测量。例如当体育运动员投掷球形器具时，可准确地测出投掷物的出手速度大小和方向，以及此时球心高度。这可为定量地评价运动员的投掷能力，指导训练和选拔运动员提供科学依据和重要的技术参数。
本实用新型的工作原理如下首先使平行光照在整个光敏器件列阵上，而当直径为D的运动球在列阵平面上穿过时，由微机接口电路记录下列阵上各光敏器件的挡光时间，再经计算机处理得出运动球通过光敏列阵平面时的速度，同时也可得出速度方向以及此时球心高度。
以上扼要地叙述了测量运动球运动状态的基本原理。现在我们具体分析运动球穿过光敏列阵平面时的速度测量方法，以及速度方向与球心高度的确定方法。为了方便起见，我们设平行光行进方向为X轴负方向，N个光敏器件分别以间距H沿Z轴排列。球在光敏器件列阵前YZ平面内运动，球通过光敏列阵平面即XZ平面时，在平行光的照射下，相当于球的投影圆在光敏列阵上扫过。投影圆的直径D相等。如果球的运动方向与Y轴夹角为θ，则投影圆遮挡光敏器件的个数为n≥D／(Hcosθ)的整数部分。各光敏器件挡光时间中最大值Tmax为距投影圆心最近的遮光弦AMBM所对应的挡光时间。见
图1所示。因此有V＝ANBN／Tmax(2)或近似表示V≈D／Tmax(3)当运动球直径D＝100mm，投影遮挡光敏器件的个数n＝5，用(3)式计算，速度V的最大随机误差为2％。
下面我们用另一种方法来求解运动球的速度V、飞行方向θ及过光敏列阵时的球心高度ZM。
对于图1所示情况，如果将各遮光弦挡光时间之半由大到小排列t0、t1、t2、t3、t4，设z为投影圆的圆心至最近挡光弦的距离，由图1所示的几何关系可得下列关系式R2＝(vt0)2＋(zcosθ)2R2＝(vt1)2＋［(H－z)cosθ］2R2＝(vt2)2＋［(H＋z)cosθ］2(4)R2＝(vt3)2＋［(2H－z)cosθ］2R2＝(vt4)2＋［(2H＋z)cosθ］2其中R＝D／2由(4)式可以看出，式中任意三个方程都可解出未知量V、θ、Z。为精确起见，我们选前三个方程，因t0、t1、t3较大，其相对测量误差较小，故由此得到的间接量误差较小。用前三个方程求解得出的未知量表达式为z＝［H(t12－t22)］／［2(2t02－t12－t22)］ (5)V＝［8R2(2t02－t12－t22)］／［(4t02－(t1－t2)2)(4t02－(t1＋t2)2)］ (6)θ＝cos－1｛［4R2(2t02－t12－t22)］／［H2(4t02－(t1－t2)2)(4t02－(t1＋t2)2)］｝1／2(7)ZM＝z0＋z (8)其中z0为挡光时间t0所对应的光敏器的高度。
综上所述，方法1的优点是数据处理方法简单，得到的速度虽有一定的误差，但已满足体育运动上的实际测量要求。而方法2公式虽复杂一些，但可对运动球的运动状态的测试及其误差作更为精确的理论分析。用方法2时光敏器件可适当减少，在球直径D内光敏器件大于3个即可。
本实用新型由三部分组成传感系统〈1〉，计算机接口〈2〉，计算机系统〈3〉。如图2所示。
一、传感系统〈1〉由白炽灯、透镜、光敏器件和放大整形电路构成，N个白炽灯分别位于N个透镜的焦点上，透镜依次排成一列，其光轴相互平行并在同一平面内，形成N束平行光，白炽灯可选用汽车专用灯泡，透镜可选平凸透镜。由N个光敏器件也依次排成一列，并位于由相互平行的光轴所组成的平面上垂直接受平行光，N个光敏器件与N束平行光一一对应，也可一束平行光照射2个以上光敏器件，光敏器件为等距排列。光敏器件与透镜间的距离为0.05－5m。于是光源产生的平行光被列阵排列的光敏器件接受，如图3所示。光敏器件可选用光敏二极管，每个光敏二极管均连接一个反相放大器再串联一个倒相器，经有光照和无光照在光敏二极管，经该放大整形电路后，得到一个电压峰高为5V，宽度与挡光时间相等的矩形电压脉冲，如图4所示。如上所述的N＝3，4………500。可根据不同的要求选定N为几。现举一实例如下
运动球的直径D＝100mm。
光源可按如下设置汽车专用灯泡12个，平凸透镜12片，焦距为50mm。
光敏二极管可按下列排布光敏二极管24个，间距20mm。
光敏二极管与透镜间的距离小于5m。
二、计算机接口〈2〉如图5所示的逻辑图，图中只画了第i路信号的计算机接口逻辑图，实际上与光敏器件的个数相对应。该接口电路需要cpu控制线4条即Bθ、RESET、RD、IORQ，8条地址线A0－A7，8条数据线D0－D7。cpu时钟Bθ经分频器输出某一所需频率φi，φi要取得合适以便计数器所计数目即不溢出，又要保证一定精度。φi与被测信号Vi(信号放大整形电路的输出信号)相与后所得脉冲信号送脉冲计数器暂存，该脉冲数对应Vi的宽度，即挡光时间。如若取该路信号，则将计算机输出的RD、IORQ“非与”后与计数器数据“与”(该过程在数据总线驱动器内进行)，地址A0－A7以及IORQ和地址A0－A7中Ai“与”后送入译码器译码，将译码所得的信号Yi作为数据总线驱动器的开门信号，于是数据总线驱动器将计数器中的数据送到数据总线上，由cpu接收。由于输给译码器的地址不同则cpu可分别接收其它计数器的数据，待cpu把全部数据取完后，将计数器中数目用RESET复位，准备下次计数。此时该接口电路完成了一个全过程。
三、计算机系统〈3〉是由微型计算机或单板机或单片机配置我们的专用程序软件组成。
专用程序有两种一种是测量运动球速度V、速度方向θ、球心高度ZM。
另一种仅测量运动球速度V。
上述测量结果均可由打印机打出，还可记录每次运动球的状态和平均值以及统计分布。
本实用新型所采用的传感器覆盖面积很大，解决了球形物体在空间运动时的速度测量问题。由于用计算机处理数据可测最大速度为100米／秒，这足以满足体育运动的要求。另外计算机接口系统中设置了分频电路，这样所测的速度值覆盖很广。
图1为运动球投影在YZ平面上的投影圆。AMBM为被挡光的光敏器件相对于运动球投影圆上最长的轨迹。投影圆上有5条该轨迹均称为遮光弦。虚线为作几何分析的辅助线。R为投影圆半径。θ为遮光弦与Y轴夹角。V为运动球的速度。t1、t4均为遮光弦挡光时间的1／2。H为光敏器件间的距离。z为AMBM遮光弦所对的光敏器件与投影圆圆心的距离。
图2为运动球光电测试仪框图。由平行光源产生的光垂直照射到光敏器件列阵上，当运动球挡心时光电信号被放大整形后输入给计算机接口电路，这部分为传感系统〈1〉。信号由计算机接口电路〈2〉输入到计算机系统〈3〉进行数据处理。
图3为光源产生的平行光被列阵排列的光敏器件所接的示意图。由点光源列阵和透镜列阵产生平行光场被光敏器件列阵垂直接收。
图4为信号放大整形电路。Vi为第i个光敏器件挡光信号。
为脉冲波形。该电路由光敏二极管，电阻R1、R2，放大器及倒相器构成。
图5为计算机接口电路。cpu为计算机中央处理器，其中Bθ为时钟，RESET为复位线，RD读线，IORQ为输入输出请求线，A0－A7为地址线，D0－D7为数据线。该电路由分频器，“与”门“非与”门，计算器，译码器，数据总线驱动器构成。图中的φi为分频器输出信号，Yi为译码器输出信号Vi为信号放大整形电路输出信号。
我们按照图2的原理，采用了上述所举传感器的实例，以及参照图4的信号放大整形电路，图5计算机接口逻辑图，配置了TP801单板机，制出了运动球光电测速仪，在实际应用中得到了满意结果。
权利要求1.一种光电测速仪由传感器、计算机接口电路、计算机系统组成。本实用新型特征是传感系统<1>由白炽灯、透镜、光敏器件和放大整形电路构成。光源由分别位于N个透镜焦点上的N个白炽灯构成，形成N束平行光，N个透镜的光轴相互平行，并在同一平面内。排成一列的光敏器件列阵垂直接受N束平行光，N个光敏器件与N束光一一对应，也可一束平行光照射2个以上的光敏器件，光敏器件为等距排列。光敏器件与透镜间的距离为0.05-5m。这里的N=3，4，…500。每个光敏器件均连接一个反相放大器再串联一个倒相器，组成信号放大整形电路。计算机接口电路<2>由CPU的4条控制线Bθ与分频器连接、RESET与计数器连接、RD和IORQ连接到“非与”门上，IORQ与地址线A0-A7中的第A1“与”后连同A0-A7连接到译码器上，数据总线D0-D7连接到数据总线驱动器上，由分频器输出φ1和被测信号V1(信号放大整形电路输出信号)相“与”后输入到计数器上，计数器输出信号和“非与”门输出信号在数据总线驱动器内相“与”、当译码器输出信号Y1输入到数据总线驱动器上则将计数器的数据经数据总线驱动器送入CPU数据总线D0-D7上。传感系统中有几个光敏器件就有几个计算机接口电路。
2.根据权利要求1其特征是白炽灯为汽车专用灯泡，透镜为平凸透镜，光敏器件为光敏二极管。
3.根据权利1，2其特征是汽车专用灯泡12个，平凸透镜12片，焦距为50mm，光敏二极管24个，其间距为20mm。
专利摘要本实用新型解决了球形物出手速度或它在空间任一位置速度的实时检测问题。当运动球穿过照射在按特定间距排列的光敏器件列阵上的平行光场时，球挡光的时间被记录下来，再经计算机处理即得出此时球的速度、速度方向、球心高度。当光敏器件列阵平面距离投掷物出手处相当近时，所测得的速度为出手速度。
文档编号G01P3/64GK2037478SQ8821389
公开日1989年5月10日 申请日期1988年9月2日 优先权日1988年9月2日
发明者郭善儒, 孙杰, 徐汉耆, 曲衍方 申请人:天津理工学院