紅外傳感器在速度測量中的應用

靳斯佳，李麗宏

（太原理工大學 山西 太原 030024）

紅外線技術在測速系統中已經得到了廣泛應用，許多產品已運用紅外線技術能夠實現車輛測速、探測等研究。紅外線應用速度測量領域時，最難克服的是受強太陽光等多種含有紅外線的光源干擾。外界光源的干擾成為紅外線應用于野外的瓶頸。針對此問題，這里提出一種紅外線測速傳感器設計方案，該設計方案能夠為多點測量即時速度和階段加速度提供技術支持，可應用于公路測速和生產線下料的速度稱量等工業生產中需要測量速度的環節。

1 紅外測速傳感器概述

紅外線對射管的驅動分為電平型和脈沖型兩種驅動方式，本系統中紅外傳感器選用脈沖型驅動方式[1]。由紅外線對射管陣列組成分離型光電傳感器[2]。該傳感器的創新點在于能夠抵抗外界的強光干擾。太陽光中含有對紅外線接收管產生干擾的紅外線，該光線能夠將紅外線接收二極管導通，使系統產生誤判，甚至導致整個系統癱瘓。本傳感器的優點在于能夠設置多點采集，對射管陣列的間距和陣列數量可根據需求選取。

2 紅外線測速傳感器硬件設計

2.1 紅外線發射管電路設計

發射管選取SIR204-A[3]型發射管，該紅外線二極管驅動電流范圍為20～100 mA，其正向導通壓降為1.3～1.5 V，發出紅外線光波長范圍約為835～930 nm，發射角度為30°，直射時紅外線光強度最大。發射管驅動電壓采用脈沖電壓，38 kHz載波頻率，發送時長為 280 μs，占空比為1/2的方波，發送間隔為720 μs。載波脈沖需要與紅外線接收管的型號相匹配。紅外發射管能夠匹配光電晶體管、光敏二極管和紅外接收器模塊，紅外傳感器的接收部分選擇了帶有放大和濾波功能的紅外線接收二極管。發射部分的設計需要考慮到接收部分的制約。經過驗證調制脈沖驅動電流能夠匹配紅外線接收管，將紅外線接收管導通。驅動發射管PWM的波形如圖1所示。

圖1 38 kHz頻率紅外發射管驅動脈沖圖Fig.1 Drive pulse waveform of 38kHz frequency infrared emission tube

圖2是紅外線發射管的驅動電路圖。脈沖信號由R29處輸入，通過NPN型三極管，從而控制紅外發射管VD3的通斷情況，本電路中單個紅外管驅動電流選擇值約為20 mA。由于NPN型三極管驅動電流低于20 mA，需在電路中加入P-mos管增強驅動能力。R18和R29的電阻值需要匹配，若2個電阻匹配不佳，會造成驅動脈沖波形毛刺較多，使二極管導通能力減弱，導通時間延遲增大。R18盡量大，能夠減少電路功耗，R18和R29都選用10 kΩ電阻。紅外線發射管的驅動不穩定，會造成接收判斷失效，驅動電路的配置要根據實驗進行匹配。

圖2 紅外線發射管的驅動電路圖Fig.2 Drive circuit diragram of infrared emission tube

2.2 紅外線接收管電路設計

紅外線接收管內部電路如圖3所示，紅外線接收二極管內部電路將導通后微弱脈沖信號放大、濾波整形，輸出單片機可以識別的方波脈沖信號。該類型紅外線接收管導通波長范圍約為850～1 050 nm，紅外線發射管發射波長約為875 nm，能夠滿足紅外線接收管導通要求。

圖3 紅外接收管內部結構Fig.3 Internal structure of infrared receiver tube

紅外線接收管選用HS0038型的紅外一體接收頭[4]，該器件集成度高，能夠以小成本實現圖3所示功能。紅外線接收管需要接收38 kHz左右帶寬的脈沖波形，接收發射管只能接收間歇發射的紅外線，發射紅外線過于密集，接收管無法導通，需要予以注意。紅外線發射管發出38 kHz載波，將紅外線接收管導通。該波形頻率為1 kHz，周期內高電平時間720 μs，低電平時間280 μs。當有物體遮擋紅外線對射管時，發射源被遮擋，紅外線接收管無法導通，輸出高電平。由此可以判斷是否有物體從紅外線對射管中間通過。紅外線接收管導通時的輸出波形如圖4所示。

圖4 接收管導通波形圖Fig.4 Waveforms of receiver at work

當紅外線接收管被正面遮擋時，周圍障礙物體反射由紅外線發射管發出的紅外線。此時微弱的信號會隨著紅外線接收管內部自動增益控制調節到最大而產生方波波形，對紅外線接收管造成干擾。干擾使采集到的信號復雜，需要采用濾波手段將雜波干擾濾除。經過分析和示波器觀察，雜波的頻率大于1 kHz。在紅外線接收管輸出端接入有源濾波電路，能夠將高于1 kHz的雜波濾掉。由此輸出的波形為紅外線接收管導通和未導通兩種狀態下的信號，未摻雜干擾，較容易區分，可以根據特點編寫算法，判斷是否有物體從紅外線對射管中間通過。

3 紅外線測速傳感器軟件設計

控制軟件需要保證紅外線對射管一對一工作，且對信號采集處理，對采集的信號編寫算法程序，完成對物體是否遮擋紅外線對射管的判定，即分辨紅外線接收管是否被導通。通過單片機內部計數器計取脈沖個數，可以將物體遮擋某個紅外線接收管的時間記錄下來。程序流程如圖5（a）所示，需要不斷判定第一個紅外線接收管的輸出狀態，當確定有物體遮擋時，將開始標志位置為1，單片機開始讀取其他接收管狀態，同時啟動定時器，下一對紅外線對射管的接收管被遮擋停止計時。紅外線發射管按順序依次發射紅外線，處理單元依次讀取紅外線接收管狀態，可以防止鳥或人無意遮擋引起的誤判現象。判斷有物體遮擋的程序思想為判斷1 ms內，是否有物體遮擋，若沒有物體遮擋，紅外線接收管輸出的脈沖波形保持不變；若有物體遮擋，紅外線接收管輸出高電平持續1 ms以上。紅外線接收管輸出狀態是否為高電平，可以判斷是否有物體遮擋。當按順序掃描的前一對紅外線對管被判定遮擋時，開始掃描下一對管子的脈沖個數，同時開啟定時器。延時50 μs，判定接收管接收到的是否為脈沖，判定是否為脈沖則需要判定引腳是否為低電平，如果引腳為低電平，計數值清零。計數值并不是計數器的值，而是計算延時50 μs的次數是否達到28。

當判斷相應的接收管被遮擋時，相應的紅外線對管序號累加。程序流程如圖5（b）所示。

圖5 軟件設計流程圖Fig.5 Flow chart of software design

4 整體結構

紅外線對射管構成一對紅外傳感器收發子單元。若干對紅外傳感器收發子單元構成完整的紅外線測速傳感器[5]，其紅外線對射管分離距離和紅外傳感器收發子單元間距可以調整。如圖6所示，N需要大于2，分離距離超過5 m。在兩對紅外線對射管之間測量物體經過的時間T，間距設置為L，可以得到后一對紅外線對射管的即時速度V：…，N-1）可得到78個階段的加速度。

圖6 紅外線對射管結構示意圖Fig.6 Schematic diagram of infrared radio tube

5 結束語

紅外線對射管方法，能夠動態地反應物體運動經過紅外對管時的即時速度和階段加速度。紅外線在速度測量中的應用，可以作為其他設備或者系統的技術支持，為后續的設備校準和分析提供數據準備。CD4051等模擬開關芯片可以作為增加測量點數量的編碼、譯碼器，控制紅外線接收管一對一工作，得到精確采樣點的速度和階段的加速度的信息。完整的速度測量系統結構，包括傳感器、處理單元以及人機交互單元，適合于小型企業和研究所[6]。紅外線對射管工藝上，不需要嚴格的管子對射標準，紅外線對射管間距加工略有偏差不影響測量精度和紅外線對射管導通。

[1]李小明，馮全科，畢勤成，等.利用紅外對管進行無干擾氣泡上升速度測量的實驗研究[J].西安交通大學學報，2004，4（2）：1110-1118.LI Xiao-ming， FENG Quan-ke， BIQin-cheng， et al.Experimental study on undisturbed measurement of gas bubble rising velocity using infrared emitting diode and photodiode[J].Journal of Xi'an Jiaotong University，2004，4（2）:1110-1118.

[2]侯國章，賴一楠，田思慶.測試與傳感器技術[M].2版.哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2006：131-137.

[3]Everlight Electronics Co.，Ltd.SIR204-A Datasheet[EB/OL].（2005-07-20）[2010-04-19].http://www.21icsearch.com/pdfdetil_50906FF7A081B677.html.

[4]Vishay Telefunken.Photo modules for PCM remote control systems[EB/OL].（2000-03-10）[2010-04-19].http://pdf.dzsc.com/20090603/200903050705374894.pdf.

[5]許剛，王成，蘇力.智能紅外測速系統的設計[J].中國儀器儀表，2008（8）：70-73.XU Gang， WANG Cheng， SU Li.A design of the intelligent infrared velocity measurement system[J].China Instrumentation，2008（8）：70-73.

[6]張羽鵬，王開福.紅外技術在測速中的應用[J].紅外技術，2008，30（11）:664-666.ZHANG Yu-peng，WANG Kai-fu.The application of infrared techniques in velocity measurement[J].Infrared Technique，2008，30（11）:664-666.