基于光電控制原理展示的互動(dòng)演示裝置設(shè)計(jì)

王 爽，才 華，姜春雨，王英鴻，趙 智

(1.長(zhǎng)春中國(guó)光學(xué)科學(xué)技術(shù)館，長(zhǎng)春 130000； 2.長(zhǎng)春理工大學(xué)，長(zhǎng)春 130022)

長(zhǎng)春中國(guó)光學(xué)科學(xué)技術(shù)館是我國(guó)唯一的國(guó)家級(jí)光學(xué)專業(yè)科技館，長(zhǎng)春中國(guó)光學(xué)科學(xué)技術(shù)館以“科技之光·引領(lǐng)未來(lái)”為主題，經(jīng)國(guó)家批示建立了大型光學(xué)科普基礎(chǔ)設(shè)施。長(zhǎng)春中國(guó)光學(xué)科學(xué)技術(shù)館具有光學(xué)科技成果展示、光學(xué)知識(shí)普及教育、光學(xué)科技發(fā)展研討及國(guó)際光學(xué)合作交流等多項(xiàng)功能。其中第五展廳主題為光的時(shí)代，主要是通過(guò)對(duì)光學(xué)重要技術(shù)的體驗(yàn)，感受光學(xué)的創(chuàng)新與發(fā)展。光電控制互動(dòng)裝置正是這個(gè)展廳特點(diǎn)的完美體現(xiàn)。

光電控制技術(shù)是光學(xué)領(lǐng)域中不可或缺的、領(lǐng)域廣泛的一項(xiàng)技術(shù)，滲透于生活生產(chǎn)的方方面面。光電控制是利用光學(xué)傳感器對(duì)某些物理量進(jìn)行探測(cè)，進(jìn)而對(duì)機(jī)械動(dòng)作實(shí)施控制的光(學(xué))、機(jī)(械)、電(子)、算(計(jì)算機(jī))一體化綜合技術(shù)。

光學(xué)傳感器能夠檢測(cè)絕大部分物理參數(shù)。例如長(zhǎng)度、面積、體積、角度、形狀、位置、距離等幾何參數(shù)；速度、加速度、振動(dòng)等運(yùn)動(dòng)參數(shù)；光潔度、傷痕等表面形貌；濕度、流量、壓力、pH值、濃度等物理參數(shù)；重量、壓力、應(yīng)變、壓強(qiáng)等機(jī)械參數(shù)；電流、電壓、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等電學(xué)參數(shù)；吸收、反射、透射、光度、色度、波長(zhǎng)、光譜等光學(xué)參數(shù)。

光電控制的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，在航空航天、國(guó)防軍事、汽車(chē)工業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生、生活電器等方方面面；光電控制的技術(shù)特點(diǎn)：非接觸、高精度、高速度、遠(yuǎn)距離、壽命長(zhǎng)、數(shù)字化和智能化等。其發(fā)展趨勢(shì)是向更高精度的光電測(cè)量新技術(shù)，更快速度的光、機(jī)、電檢測(cè)系統(tǒng)，微空間和大空間的三圍測(cè)量技術(shù)，光電測(cè)量與光電控制一體化技術(shù)，向人們無(wú)法觸及的領(lǐng)域發(fā)展。

1 裝置原理

光電控制互動(dòng)演示裝置是利用光學(xué)傳感器進(jìn)行非接觸測(cè)量及測(cè)得被控物體的狀態(tài)信息后，經(jīng)過(guò)軟件程序的計(jì)算和處理，由電子系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)，完成預(yù)先設(shè)計(jì)的規(guī)定動(dòng)作。

光電控制互動(dòng)演示裝置包括：主動(dòng)球、檢測(cè)裝置、從動(dòng)球裝置。原理結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 光電控制互動(dòng)裝置原理圖

其中，光電傳感器通過(guò)非接觸檢測(cè)方式測(cè)量主動(dòng)球的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，隨后將接收到的信號(hào)傳輸給計(jì)算機(jī)進(jìn)行軟件處理，經(jīng)處理的信號(hào)被傳送至控制器，控制器按信號(hào)要求驅(qū)動(dòng)電機(jī)，帶動(dòng)隨動(dòng)球轉(zhuǎn)動(dòng)，使隨動(dòng)球達(dá)到與主動(dòng)球一樣的運(yùn)動(dòng)軌跡。

2 裝置設(shè)計(jì)

此互動(dòng)演示裝置擺脫了傳統(tǒng)的展品陳列展示方式，增強(qiáng)了展示內(nèi)容與參觀游客之間的雙向互動(dòng)。既滿足了參觀者獲取科學(xué)知識(shí)的向往，又滿足了參觀者自主動(dòng)手參與的樂(lè)趣。在設(shè)計(jì)光電控制互動(dòng)裝置的時(shí)候，要本著提高互動(dòng)性、趣味性，且增強(qiáng)使用壽命，便于維修維護(hù)等因素考慮。裝置主動(dòng)球裝置和從動(dòng)球裝置分別固定安裝于透明展示墻的內(nèi)外，在展項(xiàng)適當(dāng)位置處，將透明展示墻貫穿一非接觸檢測(cè)信號(hào)窗，信號(hào)處理及控制器等裝置隱藏在展示板/展示墻后側(cè)。

2.1 機(jī)械裝置

此機(jī)械裝置為主動(dòng)球的移動(dòng)滑道，其主要有兩個(gè)設(shè)計(jì)要點(diǎn)：一是最大限度滿足參觀者的互動(dòng)，能夠輕松地移動(dòng)主動(dòng)球，但不能將球從滑道中取出，以保證展項(xiàng)便于維護(hù)；二是在非接觸檢測(cè)口處的反光鏡固定架應(yīng)保證和主動(dòng)球非接觸，且在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中增加可調(diào)節(jié)螺絲及墊片，實(shí)現(xiàn)對(duì)光路的調(diào)試，便于裝調(diào)，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)信號(hào)接收。機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.主動(dòng)球；2.主動(dòng)球移動(dòng)的滑道；3.滑道固定板；4.調(diào)整墊片；5.固定板；6.聯(lián)結(jié)圈；7.反光鏡固定圈；8.反光鏡方位調(diào)整架圖2 主動(dòng)球裝置

圖2中4和8都是在裝調(diào)過(guò)程中完成光路調(diào)試的重要結(jié)構(gòu)。從動(dòng)球的運(yùn)動(dòng)軌跡由伺服機(jī)構(gòu)接收到的位移信號(hào)控制，由磁力吸引做實(shí)時(shí)位移運(yùn)動(dòng)。

2.2 非接觸測(cè)量

光電測(cè)距儀具有測(cè)量速度快、方便，受地形影響小，測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)，已逐漸代替常規(guī)量距，光電測(cè)距技術(shù)憑借其很好的準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性以及非接觸式等突出優(yōu)勢(shì)在自動(dòng)測(cè)量、在線檢測(cè)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。本展項(xiàng)利用了可見(jiàn)光作為載波，通過(guò)測(cè)定光線在測(cè)線兩端點(diǎn)間往返的傳播時(shí)間t，算出主動(dòng)球的移動(dòng)距離D的公式如式(1)：

D=1/2·ct，

(1)

式中c為電磁波在大氣中傳播的速度。

光電測(cè)距具有測(cè)量速度快、方便、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)，是光電非接觸式測(cè)量的一個(gè)典型的原理，將它應(yīng)用于光學(xué)展項(xiàng)，可以說(shuō)是光學(xué)原理與光學(xué)展項(xiàng)的一個(gè)經(jīng)典結(jié)合。

3 改造及升級(jí)

此互動(dòng)演示裝置在多年使用過(guò)程中，展示效果良好，但目前由于展項(xiàng)運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，出現(xiàn)了一些亟待解決的問(wèn)題：1)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行情況下，快速移動(dòng)主動(dòng)球，從動(dòng)球運(yùn)動(dòng)明顯滯后；2)從動(dòng)球的磁傳感裝置，在長(zhǎng)期磨損下，對(duì)從動(dòng)球的小幅度運(yùn)動(dòng)控制不便，出現(xiàn)大幅晃動(dòng)、位移偏差糾正時(shí)間過(guò)長(zhǎng)等現(xiàn)象。

圖3 現(xiàn)有展項(xiàng)實(shí)物圖

改造從動(dòng)球裝置，若單純地將磁感裝置中的磁片與從動(dòng)球更換，不能從根本上解決問(wèn)題。本文提出了一種升級(jí)改造方案，從原理上改造從動(dòng)球裝置，以達(dá)到升級(jí)展項(xiàng)的目的。目前經(jīng)統(tǒng)計(jì)，最受歡迎的展項(xiàng)與互動(dòng)性和有奇特直覺(jué)效果密不可分，而將從動(dòng)球的機(jī)械結(jié)構(gòu)徹底改變成其他展示結(jié)構(gòu)，增加更多的光學(xué)原理知識(shí)，會(huì)得到更多參觀者的喜愛(ài)，也會(huì)提高展項(xiàng)的興趣點(diǎn)。

圖4 線陣LED視覺(jué)暫留顯示原理

磁力控制小球的移動(dòng)，是一個(gè)展示手段，但在展示過(guò)程中從動(dòng)球并未運(yùn)用光學(xué)原理。而本文提出一種新的展示光電控制非接觸檢測(cè)顯示原理。利用人眼視覺(jué)暫留原理，將從動(dòng)結(jié)構(gòu)更換成為視覺(jué)暫留LED線陣顯示屏，根據(jù)接收主動(dòng)球的位移信號(hào)改變信號(hào)輸入，在線陣LED顯示屏上顯示主動(dòng)球位置，根據(jù)展項(xiàng)設(shè)計(jì)，在主動(dòng)球靜止10 s后進(jìn)入演示模式，根據(jù)不同指令顯示不同的圖形。基于視覺(jué)暫留的旋轉(zhuǎn)線陣LED顯示屏指的是利用人眼的視覺(jué)暫留效應(yīng)，通過(guò)機(jī)械掃描的方式讓一列線陣LED在正確的位置上使特定的LED發(fā)光而形成圖形、文字等的一種顯示屏。這樣既避免了原來(lái)裝置的弊端，又增加了光學(xué)顯示原理。使參觀者的互動(dòng)體驗(yàn)感增強(qiáng)，體現(xiàn)了光學(xué)視覺(jué)效果，提高展項(xiàng)的觀賞互動(dòng)性。