基于光电控制原理展示的互动演示装置设计

王 爽，才 华，姜春雨，王英鸿，赵 智

(1.长春中国光学科学技术馆，长春 130000； 2.长春理工大学，长春 130022)

长春中国光学科学技术馆是我国唯一的国家级光学专业科技馆，长春中国光学科学技术馆以“科技之光·引领未来”为主题，经国家批示建立了大型光学科普基础设施。长春中国光学科学技术馆具有光学科技成果展示、光学知识普及教育、光学科技发展研讨及国际光学合作交流等多项功能。其中第五展厅主题为光的时代，主要是通过对光学重要技术的体验，感受光学的创新与发展。光电控制互动装置正是这个展厅特点的完美体现。

光电控制技术是光学领域中不可或缺的、领域广泛的一项技术，渗透于生活生产的方方面面。光电控制是利用光学传感器对某些物理量进行探测，进而对机械动作实施控制的光(学)、机(械)、电(子)、算(计算机)一体化综合技术。

光学传感器能够检测绝大部分物理参数。例如长度、面积、体积、角度、形状、位置、距离等几何参数；速度、加速度、振动等运动参数；光洁度、伤痕等表面形貌；湿度、流量、压力、pH值、浓度等物理参数；重量、压力、应变、压强等机械参数；电流、电压、电场、磁场等电学参数；吸收、反射、透射、光度、色度、波长、光谱等光学参数。

光电控制的应用领域十分广泛，在航空航天、国防军事、汽车工业、医疗卫生、生活电器等方方面面；光电控制的技术特点：非接触、高精度、高速度、远距离、寿命长、数字化和智能化等。其发展趋势是向更高精度的光电测量新技术，更快速度的光、机、电检测系统，微空间和大空间的三围测量技术，光电测量与光电控制一体化技术，向人们无法触及的领域发展。

1 装置原理

光电控制互动演示装置是利用光学传感器进行非接触测量及测得被控物体的状态信息后，经过软件程序的计算和处理，由电子系统驱动机械系统，完成预先设计的规定动作。

光电控制互动演示装置包括：主动球、检测装置、从动球装置。原理结构图如图1所示。

图1 光电控制互动装置原理图

其中，光电传感器通过非接触检测方式测量主动球的运动状态，随后将接收到的信号传输给计算机进行软件处理，经处理的信号被传送至控制器，控制器按信号要求驱动电机，带动随动球转动，使随动球达到与主动球一样的运动轨迹。

2 装置设计

此互动演示装置摆脱了传统的展品陈列展示方式，增强了展示内容与参观游客之间的双向互动。既满足了参观者获取科学知识的向往，又满足了参观者自主动手参与的乐趣。在设计光电控制互动装置的时候，要本着提高互动性、趣味性，且增强使用寿命，便于维修维护等因素考虑。装置主动球装置和从动球装置分别固定安装于透明展示墙的内外，在展项适当位置处，将透明展示墙贯穿一非接触检测信号窗，信号处理及控制器等装置隐藏在展示板/展示墙后侧。

2.1 机械装置

此机械装置为主动球的移动滑道，其主要有两个设计要点：一是最大限度满足参观者的互动，能够轻松地移动主动球，但不能将球从滑道中取出，以保证展项便于维护；二是在非接触检测口处的反光镜固定架应保证和主动球非接触，且在结构设计中增加可调节螺丝及垫片，实现对光路的调试，便于装调，实现检测信号接收。机械结构如图2所示。

1.主动球；2.主动球移动的滑道；3.滑道固定板；4.调整垫片；5.固定板；6.联结圈；7.反光镜固定圈；8.反光镜方位调整架图2 主动球装置

图2中4和8都是在装调过程中完成光路调试的重要结构。从动球的运动轨迹由伺服机构接收到的位移信号控制，由磁力吸引做实时位移运动。

2.2 非接触测量

光电测距仪具有测量速度快、方便，受地形影响小，测量精度高等优点，已逐渐代替常规量距，光电测距技术凭借其很好的准确性、实时性以及非接触式等突出优势在自动测量、在线检测等领域有着广泛的应用。本展项利用了可见光作为载波，通过测定光线在测线两端点间往返的传播时间t，算出主动球的移动距离D的公式如式(1)：

D=1/2·ct，

(1)

式中c为电磁波在大气中传播的速度。

光电测距具有测量速度快、方便、测量精度高等优点，是光电非接触式测量的一个典型的原理，将它应用于光学展项，可以说是光学原理与光学展项的一个经典结合。

3 改造及升级

此互动演示装置在多年使用过程中，展示效果良好，但目前由于展项运行时间较长，出现了一些亟待解决的问题：1)长时间运行情况下，快速移动主动球，从动球运动明显滞后；2)从动球的磁传感装置，在长期磨损下，对从动球的小幅度运动控制不便，出现大幅晃动、位移偏差纠正时间过长等现象。

图3 现有展项实物图

改造从动球装置，若单纯地将磁感装置中的磁片与从动球更换，不能从根本上解决问题。本文提出了一种升级改造方案，从原理上改造从动球装置，以达到升级展项的目的。目前经统计，最受欢迎的展项与互动性和有奇特直觉效果密不可分，而将从动球的机械结构彻底改变成其他展示结构，增加更多的光学原理知识，会得到更多参观者的喜爱，也会提高展项的兴趣点。

图4 线阵LED视觉暂留显示原理

磁力控制小球的移动，是一个展示手段，但在展示过程中从动球并未运用光学原理。而本文提出一种新的展示光电控制非接触检测显示原理。利用人眼视觉暂留原理，将从动结构更换成为视觉暂留LED线阵显示屏，根据接收主动球的位移信号改变信号输入，在线阵LED显示屏上显示主动球位置，根据展项设计，在主动球静止10 s后进入演示模式，根据不同指令显示不同的图形。基于视觉暂留的旋转线阵LED显示屏指的是利用人眼的视觉暂留效应，通过机械扫描的方式让一列线阵LED在正确的位置上使特定的LED发光而形成图形、文字等的一种显示屏。这样既避免了原来装置的弊端，又增加了光学显示原理。使参观者的互动体验感增强，体现了光学视觉效果，提高展项的观赏互动性。