[实用新型]运动球速度光电测试仪

说明书

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T_max为距投影圆心最近的遮光弦A_MB_M所对应的挡光时间。见图1所示。因此有：

V＝A_NB_N／T_max（2）

或近似表示：

V≈D／T_max（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Z_M。

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）²

R²＝（vt₁）²＋［（H－z）cosθ］²

R²＝（vt₂）²＋［（H＋z）cosθ］²（4）

R²＝（vt₃）²＋［（2H－z）cosθ］²

R²＝（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：