紅外光電轉速測量裝置的設計和優化

【摘要】 本文介紹一種用于轉子速度測量的紅外光電轉速測量裝置，系統的硬件電路簡單，測量轉速范圍較寬，且具有較高的測量精度，對于低轉速的測量也有相當高的精度，可用于各行業轉速的非接觸式檢測和控制中。

【關鍵詞】 紅外光電傳感器；轉速測量

在物理實驗和工業生產中，轉速的測量是一個很重要也很復雜的問題。有關測量轉子速度的方法比較多，但要求測量儀器的制造成本低、測量精度高、線性度好的卻很少。介紹一種安裝方便、測量精度高的新型轉速測量儀，它的系統硬件電路簡單，測量轉速范圍較寬，且具有較高的測量精度，對于低轉速的測量也有相當高的精度，可用于各行業轉速的非接觸式檢測和控制中。

一、測試系統結構設計

光電轉速測量儀由紅外光電傳感器和信號處理電路、單片機以及數字顯示部分組成。其工作過程如下：當齒盤旋轉時，由于輪齒的遮擋，紅外發射管與接收管之間的紅外線光路時斷時續，信號處理電路將此變化的光信號轉換為電脈沖信號，一個脈沖信號即表示齒盤轉過一個齒。單片機對脈沖進行計數，同時通過其內部的計時器對接收一定數目的脈沖計時，根據脈沖數目及所用時間就可計算出齒盤的轉速，最后通過數字顯示部分將轉速顯示出來。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器作為檢測元件，包括光學成像系統及前置放大電路。

⑴光學成像系統

紅外光電傳感器發出的光，聚焦到被測的旋轉軸上，光由轉軸反射后，再聚焦到傳感器光電探測器的光敏面上。聚焦在旋轉軸上的光斑的大小直接影響到測量的靈敏度，在旋轉速度一定時如果光斑比較小，那么光斑渡越矩形反射區間的時間很快，反應到脈沖波形上，上升沿將會比較陡。如果光斑比較大，那么光斑渡越矩形反射區間的時間相對慢一些，因而其輸出的脈沖信號的上升沿將會有一定的坡度。對于頻率測量來說，脈沖信號的上升沿越陡，頻率測量分辨率越高。

⑵前置放大電路

選用的探測器件是高靈敏度的光電二極管探測器，其敏感波長恰在0.94μm 附近。轉軸旋轉時，每轉到高反射的矩形鋁箔處，光電探測器就輸出一脈沖信號。通過交流放大，將該脈沖信號放大到一定幅度。由于測速儀經常工作于車間生產現場，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部。

2、信號處理電路

信號處理系統由脈沖整形處理及倍頻電路，單片機信號處理系統等幾部分組成。

由于受周圍環境，光電探測器距轉軸的距離等因素的影響，運放輸出的電信號的幅度將會呈現出起伏變化。在信號整形處理電路中，如果采用固定電平的辦法對脈沖信號進行整形處理，將可能影響整形信號的輸出。選擇比較電平時，可根據脈沖信號的輸出波形，選擇信號上升沿最陡的地方進行二值化處理。該比較電平可以根據探測器接收到的反射信號的幅值，自動調節電平的大小。當傳感器與轉軸之間的距離有變化時，輸出的脈沖幅度將會有所改變，而比較電平也會相應的改變，保證了信號整形的正常進行，不會影響到矩形脈沖的輸出。因而，采用該信號處理方法，可以有效抑制干擾信號的影響，增加系統的穩定性和可靠性。

3、單片機信號處理系統

對脈沖信號的頻率計量一般采用兩種方法，一是在固定時間內測量脈沖個數，二是測量脈沖周期的方法。第一種方法，對于較低頻率信號存在著測量的實時性與測量準確度之間的矛盾。要想提高測量準確度，必須增加測量脈沖個數，導致測量時間過長，不能應用于實際測量過程。第二種方法適宜于測量低頻信號，但對于高頻脈沖信號測量精度相對要低。利用單片機的兩個定時／計數器，采用測量脈沖個數和測量脈沖周期相結合的方法，可以達到轉速測量的實時性，并能在較寬的頻率范圍內獲得高準確度的測速值。

4、數字顯示部分

紅外線發射管發射的紅外線未被輪齒擋住時，接收管受紅外線照射呈導通狀態，經反相器輸入到單片機中斷端口的電壓為高電平，不產生中斷；而當紅外線發射管發射的紅外線被輪齒擋住時，接收管不受紅外線照射則呈截止狀態，經反相器輸入到單片機中斷端口的電壓跳變為低電平。從而激活中斷程序對脈沖進行計數。由于計數需要與計時同步，所以需要在產生第一次紅外光被擋住時(紅外光被擋住時Pass=0，反之Pass=1)，也即中斷口電位由高變低時打開定時器。從初始時刻開始，計數器T0作為對光電傳感器輸出的脈沖計數，計數器T1作為定時器對基準振蕩周期同時計數，到達預定的測速時間t1 時，單片機應發出停止計數指令，由于此時光電傳感器輸出的脈沖不一定恰好是在整個周期處，所以計數器T1仍然對機器基準周期繼續計數一段時間t，直到下一個脈沖信號的上升沿時停止計數器T1的(2)工作，這時計數器T0的計數值N1與T1的計數時間（t1+t2）之比即為要測量的轉速大小。轉速為：rEN1／（t1+t2）

二、結論

該方法結構比較簡單，安裝也比較方便。檢測轉速時，對轉軸沒有太多的要求，只要在旋轉軸上粘貼一高反射率的矩形鋁箔，轉軸表面的反射率明顯低于矩形鋁箔即可進行測量。測量轉速比較方便，精度也比較高，實時性較好，可以應用在多數轉軸速度測量的場合。

參考文獻：

[1]李慶祥，徐端頤.實用光電技術［M］.北京：中國計量出版社，1996

[2]鮑鴻、劉明建，數字化霍爾轉速儀的研究[J]，廣東工學院學報.1996.9

[3] 錢建強、薛敏，紅外光電轉速測量儀[J]，工業計量2003.6