紅外光電轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)和優(yōu)化

胡恩濤

【摘要】 本文介紹一種用于轉(zhuǎn)子速度測(cè)量的紅外光電轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置，系統(tǒng)的硬件電路簡(jiǎn)單，測(cè)量轉(zhuǎn)速范圍較寬，且具有較高的測(cè)量精度，對(duì)于低轉(zhuǎn)速的測(cè)量也有相當(dāng)高的精度，可用于各行業(yè)轉(zhuǎn)速的非接觸式檢測(cè)和控制中。

【關(guān)鍵詞】 紅外光電傳感器；轉(zhuǎn)速測(cè)量

在物理實(shí)驗(yàn)和工業(yè)生產(chǎn)中，轉(zhuǎn)速的測(cè)量是一個(gè)很重要也很復(fù)雜的問(wèn)題。有關(guān)測(cè)量轉(zhuǎn)子速度的方法比較多，但要求測(cè)量?jī)x器的制造成本低、測(cè)量精度高、線性度好的卻很少。介紹一種安裝方便、測(cè)量精度高的新型轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x，它的系統(tǒng)硬件電路簡(jiǎn)單，測(cè)量轉(zhuǎn)速范圍較寬，且具有較高的測(cè)量精度，對(duì)于低轉(zhuǎn)速的測(cè)量也有相當(dāng)高的精度，可用于各行業(yè)轉(zhuǎn)速的非接觸式檢測(cè)和控制中。

一、測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

光電轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x由紅外光電傳感器和信號(hào)處理電路、單片機(jī)以及數(shù)字顯示部分組成。其工作過(guò)程如下：當(dāng)齒盤(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于輪齒的遮擋，紅外發(fā)射管與接收管之間的紅外線光路時(shí)斷時(shí)續(xù)，信號(hào)處理電路將此變化的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)，一個(gè)脈沖信號(hào)即表示齒盤(pán)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒。單片機(jī)對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，同時(shí)通過(guò)其內(nèi)部的計(jì)時(shí)器對(duì)接收一定數(shù)目的脈沖計(jì)時(shí)，根據(jù)脈沖數(shù)目及所用時(shí)間就可計(jì)算出齒盤(pán)的轉(zhuǎn)速，最后通過(guò)數(shù)字顯示部分將轉(zhuǎn)速顯示出來(lái)。如下圖：

1、紅外光電傳感器

紅外光電傳感器利用高靈敏度的光電探測(cè)器作為檢測(cè)元件，包括光學(xué)成像系統(tǒng)及前置放大電路。

⑴光學(xué)成像系統(tǒng)

紅外光電傳感器發(fā)出的光，聚焦到被測(cè)的旋轉(zhuǎn)軸上，光由轉(zhuǎn)軸反射后，再聚焦到傳感器光電探測(cè)器的光敏面上。聚焦在旋轉(zhuǎn)軸上的光斑的大小直接影響到測(cè)量的靈敏度，在旋轉(zhuǎn)速度一定時(shí)如果光斑比較小，那么光斑渡越矩形反射區(qū)間的時(shí)間很快，反應(yīng)到脈沖波形上，上升沿將會(huì)比較陡。如果光斑比較大，那么光斑渡越矩形反射區(qū)間的時(shí)間相對(duì)慢一些，因而其輸出的脈沖信號(hào)的上升沿將會(huì)有一定的坡度。對(duì)于頻率測(cè)量來(lái)說(shuō)，脈沖信號(hào)的上升沿越陡，頻率測(cè)量分辨率越高。

⑵前置放大電路

選用的探測(cè)器件是高靈敏度的光電二極管探測(cè)器，其敏感波長(zhǎng)恰在0.94μm 附近。轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，每轉(zhuǎn)到高反射的矩形鋁箔處，光電探測(cè)器就輸出一脈沖信號(hào)。通過(guò)交流放大，將該脈沖信號(hào)放大到一定幅度。由于測(cè)速儀經(jīng)常工作于車(chē)間生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，空間電磁干擾很大，為了有效避免干擾的影響，選用貼片式的運(yùn)放器件，將前置放大電路和光電二極管做在一起，并封裝在光電傳感器探頭內(nèi)部。

2、信號(hào)處理電路

信號(hào)處理系統(tǒng)由脈沖整形處理及倍頻電路，單片機(jī)信號(hào)處理系統(tǒng)等幾部分組成。

由于受周?chē)h(huán)境，光電探測(cè)器距轉(zhuǎn)軸的距離等因素的影響，運(yùn)放輸出的電信號(hào)的幅度將會(huì)呈現(xiàn)出起伏變化。在信號(hào)整形處理電路中，如果采用固定電平的辦法對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行整形處理，將可能影響整形信號(hào)的輸出。選擇比較電平時(shí)，可根據(jù)脈沖信號(hào)的輸出波形，選擇信號(hào)上升沿最陡的地方進(jìn)行二值化處理。該比較電平可以根據(jù)探測(cè)器接收到的反射信號(hào)的幅值，自動(dòng)調(diào)節(jié)電平的大小。當(dāng)傳感器與轉(zhuǎn)軸之間的距離有變化時(shí)，輸出的脈沖幅度將會(huì)有所改變，而比較電平也會(huì)相應(yīng)的改變，保證了信號(hào)整形的正常進(jìn)行，不會(huì)影響到矩形脈沖的輸出。因而，采用該信號(hào)處理方法，可以有效抑制干擾信號(hào)的影響，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

3、單片機(jī)信號(hào)處理系統(tǒng)

對(duì)脈沖信號(hào)的頻率計(jì)量一般采用兩種方法，一是在固定時(shí)間內(nèi)測(cè)量脈沖個(gè)數(shù)，二是測(cè)量脈沖周期的方法。第一種方法，對(duì)于較低頻率信號(hào)存在著測(cè)量的實(shí)時(shí)性與測(cè)量準(zhǔn)確度之間的矛盾。要想提高測(cè)量準(zhǔn)確度，必須增加測(cè)量脈沖個(gè)數(shù)，導(dǎo)致測(cè)量時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，不能應(yīng)用于實(shí)際測(cè)量過(guò)程。第二種方法適宜于測(cè)量低頻信號(hào)，但對(duì)于高頻脈沖信號(hào)測(cè)量精度相對(duì)要低。利用單片機(jī)的兩個(gè)定時(shí)／計(jì)數(shù)器，采用測(cè)量脈沖個(gè)數(shù)和測(cè)量脈沖周期相結(jié)合的方法，可以達(dá)到轉(zhuǎn)速測(cè)量的實(shí)時(shí)性，并能在較寬的頻率范圍內(nèi)獲得高準(zhǔn)確度的測(cè)速值。

4、數(shù)字顯示部分

紅外線發(fā)射管發(fā)射的紅外線未被輪齒擋住時(shí)，接收管受紅外線照射呈導(dǎo)通狀態(tài)，經(jīng)反相器輸入到單片機(jī)中斷端口的電壓為高電平，不產(chǎn)生中斷；而當(dāng)紅外線發(fā)射管發(fā)射的紅外線被輪齒擋住時(shí)，接收管不受紅外線照射則呈截止?fàn)顟B(tài)，經(jīng)反相器輸入到單片機(jī)中斷端口的電壓跳變?yōu)榈碗娖健亩せ钪袛喑绦驅(qū)γ}沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。由于計(jì)數(shù)需要與計(jì)時(shí)同步，所以需要在產(chǎn)生第一次紅外光被擋住時(shí)(紅外光被擋住時(shí)Pass=0，反之Pass=1)，也即中斷口電位由高變低時(shí)打開(kāi)定時(shí)器。從初始時(shí)刻開(kāi)始，計(jì)數(shù)器T0作為對(duì)光電傳感器輸出的脈沖計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器T1作為定時(shí)器對(duì)基準(zhǔn)振蕩周期同時(shí)計(jì)數(shù)，到達(dá)預(yù)定的測(cè)速時(shí)間t1 時(shí)，單片機(jī)應(yīng)發(fā)出停止計(jì)數(shù)指令，由于此時(shí)光電傳感器輸出的脈沖不一定恰好是在整個(gè)周期處，所以計(jì)數(shù)器T1仍然對(duì)機(jī)器基準(zhǔn)周期繼續(xù)計(jì)數(shù)一段時(shí)間t，直到下一個(gè)脈沖信號(hào)的上升沿時(shí)停止計(jì)數(shù)器T1的(2)工作，這時(shí)計(jì)數(shù)器T0的計(jì)數(shù)值N1與T1的計(jì)數(shù)時(shí)間（t1+t2）之比即為要測(cè)量的轉(zhuǎn)速大小。轉(zhuǎn)速為：rEN1／（t1+t2）

二、結(jié)論

該方法結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，安裝也比較方便。檢測(cè)轉(zhuǎn)速時(shí)，對(duì)轉(zhuǎn)軸沒(méi)有太多的要求，只要在旋轉(zhuǎn)軸上粘貼一高反射率的矩形鋁箔，轉(zhuǎn)軸表面的反射率明顯低于矩形鋁箔即可進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量轉(zhuǎn)速比較方便，精度也比較高，實(shí)時(shí)性較好，可以應(yīng)用在多數(shù)轉(zhuǎn)軸速度測(cè)量的場(chǎng)合。

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