RT-Ⅱ型非接觸式車輛測(cè)試儀的研制

王群（湖南汽車工程職業(yè)學(xué)院，湖南　株洲　412001）

RT-Ⅱ型非接觸式車輛測(cè)試儀的研制

王群
（湖南汽車工程職業(yè)學(xué)院，湖南株洲412001）

五輪儀測(cè)試車輛的參數(shù)誤差大，而且自身較重大。采用光電傳感器研制而成的RT-Ⅱ型測(cè)試儀測(cè)量精度相對(duì)較高，質(zhì)量輕巧，使用方便。論文介紹了光電傳感器的原理及特點(diǎn)，重點(diǎn)設(shè)計(jì)了測(cè)試儀的信號(hào)窄帶通跟蹤濾波器，有效地消除了干擾，防止了信號(hào)失真。為了解決高速及起步車速測(cè)量的誤差較大的難關(guān)，設(shè)計(jì)了鎖相環(huán)預(yù)偏電路。設(shè)計(jì)中的跟蹤濾波技術(shù)可適用頻率信號(hào)范圍十分廣，有很大的推廣潛力。

傳感器；測(cè)試儀；跟蹤濾波；窄帶通；鎖相環(huán)預(yù)偏

0　引言

當(dāng)今是交通飛速發(fā)展的時(shí)代，其中汽車在這中間起到最為重要的作用，汽車的各種技術(shù)在不斷地發(fā)展，對(duì)車輛的動(dòng)態(tài)參數(shù)如行駛距離、速度、加速度、地理位置等及時(shí)準(zhǔn)確的測(cè)量顯得十分重要了。

傳統(tǒng)的車輛測(cè)試儀主要用五輪儀來實(shí)現(xiàn)，這種儀器體重大，測(cè)量精度不夠，反應(yīng)慢，尤其是它屬于接觸式測(cè)試儀，使用不方便，容易出故障。隨著光電傳感器的出現(xiàn)于技術(shù)革新，為非接觸式測(cè)試儀的發(fā)展提供了基礎(chǔ)與條件。

本設(shè)計(jì)就是基于光電傳感器的一種非接觸式測(cè)試儀，主要設(shè)計(jì)了性能好又實(shí)用在車輛上的梳狀光電傳感器，分析了它的工作原理，設(shè)計(jì)了信號(hào)調(diào)理電路的幾個(gè)重要組成部分，通過實(shí)驗(yàn)證明：這種測(cè)試儀克服了傳統(tǒng)測(cè)試儀致命的幾個(gè)缺點(diǎn)，測(cè)試方便，精度高，跟蹤快，很有推廣應(yīng)用的空間。

1　梳狀光電傳感器的選擇及原理

光電檢測(cè)可測(cè)參數(shù)很多，而且具有精度高、響應(yīng)快、非接觸、性能可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈活多樣等許多優(yōu)點(diǎn)，因此，采用光電式光電檢測(cè)取代傳統(tǒng)的五輪儀，克服了五輪儀致命的兩個(gè)缺陷。光電傳感器由光源、光學(xué)通路和光電元件三部分組成，它先把被測(cè)量的轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，再把將光信號(hào)借助光電元件轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。RT-Ⅱ型非接觸式測(cè)試儀就是采用梳狀光電傳感器來檢測(cè)信號(hào)，它主要有儀用放大器、梳狀光電組件、照明組件、長(zhǎng)鏡頭透鏡及外殼等幾個(gè)部件。照明組件產(chǎn)生強(qiáng)光，投射到路面形成光斑，光斑通過長(zhǎng)鏡頭透鏡在梳狀光電組件上形成對(duì)應(yīng)的像，產(chǎn)生相應(yīng)的電信號(hào)，儀用放大器可把電信號(hào)放大到約100mV的傳感器信號(hào)。各部分組件的工作原理如圖1所示。

圖1中，有許許多多硅光二極管成陣列對(duì)稱均勻分布成光敏條，硅光二極管當(dāng)無光照時(shí)，它與普通二極管一樣，反向電流很小，但當(dāng)有光照時(shí)，載流子被激發(fā)，產(chǎn)生光電。如果把這些光敏條分成A與B兩組連接，當(dāng)光照在A與B兩組光敏條上會(huì)形成IA與IB兩個(gè)光電流，再把這兩個(gè)光電流進(jìn)行轉(zhuǎn)換成一個(gè)IA-IB差動(dòng)信號(hào)，放大器放大到要求值輸出。該信號(hào)反映了A、B兩組光敏條上的兩個(gè)圖像的平衡性，一般情況下是平衡的，如果圖像在不斷變化，IA-IB差動(dòng)信號(hào)必然也會(huì)對(duì)應(yīng)變化。假設(shè)某時(shí)IA＞IB，那么隨著傳感器的移動(dòng)，圖像也會(huì)相應(yīng)移動(dòng)，當(dāng)移動(dòng)L/2距離時(shí)，A、B兩組的光敏條所處位置會(huì)進(jìn)行對(duì)換，所以IA-IB差動(dòng)光電流信號(hào)會(huì)反相；同理，當(dāng)再移動(dòng)L/2距離時(shí)，A、B兩組光敏條會(huì)再次進(jìn)行位置對(duì)調(diào)，IA-IB差動(dòng)光電流信號(hào)再次反相，從而形成一個(gè)偽正弦波，可以推出傳感器每移動(dòng)L距離就形成一個(gè)完整的正弦波。如果放大倍數(shù)為K，則相對(duì)地面而言，就移動(dòng)KL的距離，傳感器就形成一個(gè)完整的偽正弦波。我們?cè)儆肧D-380動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀對(duì)該偽正弦波進(jìn)行測(cè)量隔直放大，就可得到諧波分量很小奇次諧波，再經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，形成TTL信號(hào)。微機(jī)對(duì)電平方波進(jìn)行計(jì)數(shù)，就可得到車輛行駛的距離、速度、加速度等信息。因此光電傳感器可用于車輛跟蹤制導(dǎo)、位移監(jiān)控及本文設(shè)計(jì)的非接觸車輛測(cè)試儀。

圖1　梳狀光電組件的工作原理Fig.1 Principle of comb of optoelectronic components

2　信號(hào)調(diào)理電路的研制

2．1車輛行駛產(chǎn)生的傳感信號(hào)特點(diǎn)

綜上所述可知車輛行駛KL距離，傳感器形成就形成一個(gè)完整的偽正弦波，車輛從起步速到一定速度，頻率也會(huì)變化幾百倍，加上制造工藝及車輛顛簸等因素對(duì)成像的影響，這個(gè)IA-IB差動(dòng)光電流信號(hào)必然會(huì)產(chǎn)生不斷扭動(dòng)的直流分量及諧波分量。為了提高測(cè)量精度和信噪比，反復(fù)實(shí)驗(yàn)證明必須壓縮帶寬，濾除絕大部分諧波，效果才能達(dá)到預(yù)期效果，經(jīng)多次改進(jìn)，終于研制出窄帶通跟蹤濾波器，這是RT-Ⅱ型非接觸式車輛測(cè)試儀中又一個(gè)關(guān)鍵的部件。

2．2窄帶通跟蹤濾波器的設(shè)計(jì)

本跟蹤濾波器采用一個(gè)窄帶通濾波器，狹窄帶通濾波器主要根據(jù)濾波器的幅頻特性定義。在濾波器所要提取的信號(hào)頻率中設(shè)立一個(gè)極點(diǎn)為d=re^j2πkfT濾波器，當(dāng)r值接近1時(shí)，可得到很窄的通帶，且過度帶較陡峭，故名狹窄帶通濾波器。d=fn為中心頻率，fn隨信號(hào)頻率fs的變化而同步變化，該窄帶通濾波器能讓離fn較近的有用信號(hào)通過，又濾除了離fn較遠(yuǎn)的干擾信號(hào)，大大提高了信噪比。為了方便控制與調(diào)試，開關(guān)電容濾波器是較好的選擇。這就可以通過改變?yōu)V波器的阻容參數(shù)而方便地改變帶通濾波器的中心頻率，實(shí)現(xiàn)fn≈fs跟蹤濾波的目的，開關(guān)電容等效的電阻［1］和開關(guān)頻率fc的關(guān)系為：

R=1/C fc

因?yàn)閒c隨fs變化而變化，也就等于R也隨fs而變化而變化．只要我們改變開關(guān)電容濾波器的時(shí)間常數(shù)，就可以方便的改變中心頻率fn，實(shí)現(xiàn)fn≈fs，因而可實(shí)現(xiàn)跟蹤濾波。該窄帶通跟蹤濾波器的框圖設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2　信號(hào)調(diào)理電路框圖Fig.2 Signal conditioning circuit diagram

從圖2不難發(fā)現(xiàn)，光電傳感器信號(hào)先傳送給前置預(yù)處理電路，濾除了直流分量和頻率范圍之外的諧波干擾，只讓fn附近較窄帶寬頻率信號(hào)順利通過，再經(jīng)過放大、限幅得到圖示的Ui（fs）信號(hào)。經(jīng)預(yù)偏電路設(shè)置鎖相環(huán)無信號(hào)時(shí)的振蕩頻率，fc為開關(guān)電容的采樣頻率，當(dāng)有信號(hào)時(shí)fn=32fs。遠(yuǎn)大于參考文獻(xiàn)［2］中指出的20倍。圖中的Φ1、Φ2為通過fc雙比較器得到的互為反相的采樣信號(hào)。

圖3　預(yù)偏電路框圖Fig.3 Pre bias circuit diagram

（1）預(yù)偏電路的設(shè)置。設(shè)計(jì)的預(yù)偏電路主要有比較器、可控震蕩器、施密特整形電路和可重觸發(fā)單穩(wěn)電路組成，具體框圖如圖3所示。

本設(shè)計(jì)采用集成電路CD4046構(gòu)成32分頻的鎖相環(huán)，它主要包括兩個(gè)相位比較器與壓一個(gè)控振蕩器組成，外接相位負(fù)反饋閉環(huán)電路［5］（由比例積分環(huán)路濾披器構(gòu)成）。當(dāng)相位鎖定后32分頻電路的第4腳輸出fc=32· fs車輛行駛性能必須從起步車速測(cè)起，CD4046的12腳因此懸空，把起始頻率設(shè)置為fmin=0Hz，查文獻(xiàn)［6］得知：該電路要起振必須有一個(gè)預(yù)偏電壓，通過實(shí)測(cè)值為1.25V（當(dāng)電源Vcc=5V時(shí)），如沒設(shè)置預(yù)偏電壓，車輛在起步的時(shí)段，由施密特整形電路輸入鎖相環(huán)，相位比較器產(chǎn)生的電壓信號(hào)先是給鎖相環(huán)中的電容充電，當(dāng)充電到大于預(yù)偏電壓時(shí)，才有輸出，造成延遲，因此低頻時(shí)跟蹤性較差，所以設(shè)置預(yù)偏電壓（約1.25V），其具體的工作過程如下：當(dāng)車輛在起步fs=0Hz時(shí)，比較器輸出信號(hào)為0，單穩(wěn)電路的輸出為高電平 1，振蕩器開始起振 （fs= 12kHz），該高電平同時(shí)為74LS157的開關(guān)選擇地址，這時(shí)選擇開關(guān)1B接通，12kHz信號(hào)輸入鎖相環(huán)并鎖定，低通濾波器則輸送VCO一個(gè)預(yù)偏電壓。為了防止由于干擾而使顯示為可信，2B輸入微機(jī)系統(tǒng)接地信號(hào)，使之顯示為0，當(dāng)車輛加速到一定時(shí)，輸入信號(hào)為fs，比較器就會(huì)連續(xù)輸出觸發(fā)脈沖，觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，輸出低電平0，74LS157選擇開關(guān)lA接通，被整形后的fs直接輸送給鎖相環(huán)，圖2中2A腳的信號(hào)輸入微機(jī)系。我們用兩臺(tái)低頻信號(hào)作信號(hào)發(fā)生和頻率顯示去模擬試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)信號(hào)從15kHz躍變到0.15kHz時(shí)，鎖相環(huán)3腳信號(hào)的也跟著躍變，中間信號(hào)只是閃現(xiàn)一次即同步為0.15kHz。如果不設(shè)置預(yù)偏電路，接通一個(gè)只有100Hz的信號(hào)，要過秒數(shù)量級(jí)時(shí)間才能鎖定，而且頻率變大，時(shí)間變得更長(zhǎng)，驗(yàn)證了預(yù)偏電路對(duì)提高跟蹤性能的重要作用。

（2）窄帶通開關(guān)電容濾波器的設(shè)計(jì)。上面提到的濾波器如圖4所示，主要由同相積分器加反饋電路組成，設(shè)R為開關(guān)電容的等效電阻：R=1/C fc。取A1、A2兩個(gè)同相積分器的輸入點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)可得到：

由式（1）、（2）得該濾波器的傳遞函數(shù)為：

圖4　濾波器電路Fig.4 Filter circuit

上面的傳遞函數(shù)是帶通濾波器的表達(dá)形式。為了設(shè)計(jì)方便，選C2=C3，中心頻率就為：

而R=1/C，代入上式得：

令2πC2/C=32，就有fs≈fn，即當(dāng)fs變化時(shí)，由鎖相環(huán)保證fc=32fs，而，所以fn就跟隨fs的變化而變化，從而實(shí)現(xiàn)較好的跟蹤濾波。如果把它的帶寬設(shè)計(jì)較小點(diǎn)，又能達(dá)到抗干擾的目的。濾波器的品質(zhì)因子Q為：

3　試驗(yàn)結(jié)果

我們主要對(duì)車輛進(jìn)行了加速制動(dòng)的試驗(yàn)。這對(duì)調(diào)理電路來說，為頻率斜升信號(hào)，以此檢驗(yàn)跟蹤濾波的重要特性。為了方便監(jiān)視與調(diào)節(jié)掃頻的頻率，我們選擇NWl232低頻頻率特性測(cè)試儀來發(fā)生掃頻信號(hào)，以此模擬傳感器信號(hào)輸入調(diào)理電路，再把調(diào)理電路的輸出信號(hào)與這個(gè)信號(hào)進(jìn)行對(duì)比分析（用SD-380動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀），把掃頻范圍設(shè)置為0Hz~18kHz，相當(dāng)設(shè)置車速范圍為0～260km/h，完全滿足實(shí)際要求，單程掃描的時(shí)間定為8s，測(cè)試結(jié)果如表1所示：如果掃描速度為 2.5kHz/s，相當(dāng)于2.5×4m/s2=10m/s2，基本等于加速度g，而汽車加速度一般最大為0.7g，大大超出實(shí)際加速與制動(dòng)的測(cè)量要求。

快速掃頻測(cè)試結(jié)果如表2所示：掃描速率為2s，掃頻范圍不變，設(shè)計(jì)的電路照樣工作正常。當(dāng)速率為9kHz/s時(shí)，產(chǎn)生近3.6個(gè)g的加速度。新一代的車速儀中已經(jīng)廣泛應(yīng)用了這種電路。在長(zhǎng)沙汽車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)鑒定試驗(yàn)中，檢測(cè)到的數(shù)據(jù)誤差與國(guó)標(biāo)接軌，距離誤差控制在±0.43%以內(nèi)，速度誤差控制在±0.4%以內(nèi)。

表1　掃頻結(jié)果HzTab.1 Sweep results Hz

表2　快速掃頻結(jié)果Tab.2 Fast frequency sweep results Hz

4　結(jié)論

（1）本文設(shè)計(jì)的調(diào)理電路工作穩(wěn)定，性能優(yōu)良，達(dá)到了預(yù)期效果。而且試驗(yàn)表明，這種電路不僅適用于車輛測(cè)試儀，由于其頻率范圍很大，還有很大的推廣應(yīng)用空間。

（2）所設(shè)計(jì)的梳狀光電傳感器，優(yōu)越于傳統(tǒng)的五輪儀，由接觸式轉(zhuǎn)換成是非接觸式傳感器，實(shí)用方便，性能可靠，精度高，信噪比大，應(yīng)用在測(cè)量車輛行駛性能效果十分好，值得推廣。

（3）通過系列的試驗(yàn)，為鎖相環(huán)設(shè)置預(yù)偏電路，車輛起步測(cè)量誤差大的問題得以解決，同時(shí)還大大提高了測(cè)量的精度和跟蹤的速度。

［1］康華光．電子技術(shù)基礎(chǔ)（模擬部分）［M］．北京：高等教育出版社，1988．

［2］（日）相田泰志，龐振泰，王采叟，屈宗明（譯）.半導(dǎo)體器件手冊(cè)-CMOS器件手冊(cè)［M］．北京：清華大學(xué)出版社，1997．

［3］韓小濤，尹項(xiàng)根，張哲，等．基于光電傳感器的變電站通信控制系統(tǒng)解決方案［DB/OL］．中國(guó)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)，2013，11．

［4］鄭繼禹，等．鎖相環(huán)原理及應(yīng)用［M］．北京：人民郵電出版社，1984.

［5］陸明達(dá)．開關(guān)電容濾波器的原理與設(shè)計(jì)［M］．北京：科學(xué)出版社，1986.

［6］喬峨，安作平，羅承沐.光電式電流互感器的開發(fā)與應(yīng)用-21世紀(jì)互感器技術(shù)展望［J］．繼電器，2000，1.

Manufacture of RT-ⅡType the Non-contact Automobile Testing Instrument

WANG Qun
（Hunan Vocational College of Automotive Engineering，Zhuzhou Hunan 412001，China）

Parameter error tester five wheel vehicle，and itself is heavy.RT-type test for measuring accuracy of photoelectric sensor is used to develop into a relatively high quality，lightweight，easy to use.This paper introduces the principle and characteristics of the photoelectric sensor，focus on the design of signal testing instrument through narrow band tracking filter，effectively eliminate interference，to prevent signal distortion.In order to solve the high speedand the initial speed measurement error greater difficulties，PLL pre bias circuit design.The tracking filter design in the applicable frequency signal range is very wide，has a greatpotential to promote.

ensor；tester；tracking filter；narrow band pass；phase locked loop pre bias

TP39

Adoi：10.3969/j.issn.1002-6673.2015.05.019

1002-6673（2015）05-051-04

2015-03-29

王群（1974-），講師，碩士。主要研究領(lǐng)域：機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)。