鋼琴琴鍵排列平整性的測量
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摘 要： 介紹一種非接觸掃描法測量鋼琴琴鍵平整性的方法，討論了建立測量基準的兩種方法以及測量系統(tǒng)的基本組成。
本文引用地址：http://cafeforensic.com/article/255702.htm關(guān)鍵詞： 平整性測量 激光模擬傳感器 直線導(dǎo)軌 測量基準
鋼琴琴鍵排列平整與否不僅關(guān)系到鋼琴外形美觀，而且影響演奏時的手感和舒適度。因此，它是現(xiàn)代高級鋼琴的一項重要質(zhì)量指標。目前國內(nèi)鋼琴生產(chǎn)廠家對鋼琴琴鍵排列平整性的測量是使用一根長直尺，靠在琴鍵上，用眼睛觀察琴鍵與直尺之間的光隙，以確定其平整程度。該測量方法效率低，受人為因素影響大，同時，直尺為木質(zhì)材料，長時間使用，直尺的直線度會發(fā)生變化，因此需要經(jīng)常校準，給使用帶來不便。為了提高鋼琴的產(chǎn)品質(zhì)量，生產(chǎn)效率和企業(yè)的經(jīng)濟效益，鋼琴生產(chǎn)廠家迫切需要能夠自動檢測琴鍵排列平整性的測量儀器。
１ 測量原理
由于琴鍵表面光潔度要求很高，不允許有劃痕，因此，需采用非接觸法進行測量。在測量系統(tǒng)中，我們使用了一對激光模擬傳感器，分別對黑鍵和白鍵進行測量，傳感器安裝在離開琴鍵一定距離（該距離為傳感器要求的工作距離）的平直導(dǎo)軌的滑塊上，分別測出每個琴鍵到傳感器的距離。根據(jù)測量基準，計算出每個琴鍵的測量處與測量基準的偏差，再換算為琴鍵支點處的偏差，最終結(jié)果以琴鍵支點處應(yīng)加減墊片數(shù)表示。
1.1 激光模擬傳感器的工作原理
激光模擬傳感器的核心部件是一個位置敏感檢測器即PSD，這是一種基于橫向光電效應(yīng)的新型位置敏感檢測器，其等效電路如圖1
所示，其中Q為光點位置，A、B為P側(cè)電極，C為n側(cè)電極，而Io為在Q點形成的電流，Di為理想二極管，Cj為結(jié)電容，Rsh為并聯(lián)電阻，S為電流源。在光的照射下，半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生截流子，它們在耗盡層內(nèi)電場的作用下發(fā)生漂移，空穴進入P-層，電子進入n+層，Q點到電極A及到電極B之間的R1及R2分別與Ｑ點到A及B之間的距離成正比。進入P-層的空穴根據(jù)電阻R1和R2進行分配，并以I1和I2的形式從電極A、B輸出，設(shè)電極A
由上式可知，I1、I2是入射光能量（產(chǎn)生Io）和入射位置的函數(shù)，由（1），（2），（3）可求得：
將（4）式代入（6）式，可得到被測物體到傳感器的距離：
激光模擬傳感器的輸出信號大小與各個琴鍵相對傳感器的距離有關(guān)，由于傳感器所在導(dǎo)軌平面與琴鍵平面不一定相互平行，因此，必須確定一條參考直線作為測量基準，然后找出各琴鍵與測量基準直線的距離，該數(shù)值的差異就反映了琴鍵排列的平整度。測量基準直線的選取方法很多，最直接最簡單的是用首尾琴鍵連線法確定測量基準。
由激光模擬傳感器輸出的信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后輸入計算機進行數(shù)據(jù)處理，得到從1#到n#鍵相對安裝在導(dǎo)軌滑塊上的傳感器的高度值，h1，h2，…，hi，…h(huán)n，如圖３所示。理想直線上第i號鍵與傳感器的距離為hio，實際上i號鍵與傳感器的距離為hi，由此可得到i號琴鍵高度偏差Δhi：
其中y(x)為琴鍵的測量值，x為琴健的坐標值則每一個測量數(shù)據(jù)與擬合曲線的偏差為：
由方程組（11）解出a與b再代入（9）式，即得到由各琴鍵測量數(shù)據(jù)所確定的擬合直線的表達式，即用最小二乘法確定的測量基準直線，再將每個琴鍵高度與理想基準線的高度相比較，由此得出每個琴鍵的高度偏差值。
測量儀研制成功后，對多臺鋼琴進行測試，測量基準分別用首尾連線法和最小二乘法確定，結(jié)果證明，后者的效果好于前者，以一次測量為例（琴鍵總數(shù)為88個），具體數(shù)據(jù)見表１。
很明顯，最小二乘法確定測量基準優(yōu)于首尾連線法，所需調(diào)整的琴鍵數(shù)目和墊片數(shù)目明顯下降。
1.3由偏差值計算支點處增減墊片數(shù)
黑白鍵的測量點與支點間的位置關(guān)系如圖４所示。
支點處的偏差為：
白鍵Δha′=(Sa′/Sa)×Δha
黑鍵Δhb′=(Sb′/Sb)×Δhb
其中Δha，Δhb：白黑鍵測量點處偏差值。
設(shè)墊片厚度為δ，則應(yīng)增減墊片數(shù)為：
白鍵Na=Δha′/δ=(Sa′/Sa)×Δha/δ
黑鍵Nb=Δhb′/δ＝(Sb′／Sb)×Δhb/δ
２ 測量系統(tǒng)的組成
整個測量系統(tǒng)分為三部分。第一部分是傳動機構(gòu)和支撐機構(gòu)，用于升降和支撐測頭和導(dǎo)軌；第二部分是測量機構(gòu)，包括直線導(dǎo)軌，傳感器和橫向掃描拖動機構(gòu)，這部分是本系統(tǒng)最主要的部分，用于掃描測量；第三部分是測控系統(tǒng)接口和軟件，包括計算機打印機和A/D轉(zhuǎn)換電路，步進電機驅(qū)動電路，輸入輸出接口電路，以及系統(tǒng)中控制測量，數(shù)據(jù)處理和計算用軟件。
２．１ 直線導(dǎo)軌與傳感器橫向掃描拖動機構(gòu)
從測量原理可知，導(dǎo)軌本身的精度直接影響儀器的檢測精度，根據(jù)測量精度要求，選用陜西漢江機床廠生產(chǎn)的滾動直線導(dǎo)軌，其規(guī)格為長1480mm，精度≤9μm，傳感器固定在直線導(dǎo)軌的滑塊上，用步進電機帶動滑塊沿琴鍵排列的方向運動，以掃描測量每個琴鍵，為了使傳感器準確地采集到各琴鍵中心位置處的高度數(shù)據(jù)，用鍵縫作為每次行進距離的參考點，這樣就消除了拖動機構(gòu)行進中的累積誤差。
２．２ 測控系統(tǒng)接口電路的軟件
測控系統(tǒng)接口的功能主要是采集傳感器輸出的表示琴鍵高度位置的模擬信號，并將其送入計算機中。為達到這一目的，首先必須有A/D轉(zhuǎn)換器，其次還要有步進電機控制電路，以便完成對每個琴鍵的測量。
軟件主要完成測量數(shù)據(jù)的處理、計算以及系統(tǒng)誤差的修正，其流程如圖５、如圖6所示。
儀器研制成功后，對多臺不同型號的鋼琴進行了測試，結(jié)果表明：儀器的測量精度滿足實際要求，重復(fù)測量穩(wěn)定性高，按照儀器給出的數(shù)據(jù)（各個琴鍵支點處應(yīng)增減的墊片數(shù)）對琴鍵進行調(diào)整，一般重復(fù)兩次就能將琴鍵調(diào)平，這比使用直尺調(diào)整要快得多，而且調(diào)出的鋼琴一致性好。
參考文獻
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６ 陜西漢江機床廠．陜西漢江機床廠滾動直線導(dǎo)軌HJG-D說明書
(收稿日期：1999-07-01)
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