胡恩濤

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

【關(guān)鍵詞】 紅外光電傳感器；轉(zhuǎn)速測量

在物理實驗和工業(yè)生產(chǎn)中，轉(zhuǎn)速的測量是一個很重要也很復(fù)雜的問題。有關(guān)測量轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速測量儀，它的系統(tǒng)硬件電路簡單，測量轉(zhuǎn)速范圍較寬，且具有較高的測量精度，對于低轉(zhuǎn)速的測量也有相當(dāng)高的精度，可用于各行業(yè)轉(zhuǎn)速的非接觸式檢測和控制中。

一、測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

光電轉(zhuǎn)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(shù)字顯示部分組成。其工作過程如下：當(dāng)齒盤旋轉(zhuǎn)時，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斷時續(xù)，信號處理電路將此變化的光信號轉(zhuǎn)換為電脈沖信號，一個脈沖信號即表示齒盤轉(zhuǎn)過一個齒。單片機對脈沖進(jìn)行計數(shù)，同時通過其內(nèi)部的計時器對接收一定數(shù)目的脈沖計時，根據(jù)脈沖數(shù)目及所用時間就可計算出齒盤的轉(zhuǎn)速，最后通過數(shù)字顯示部分將轉(zhuǎn)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(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量的靈敏度，在旋轉(zhuǎn)速度一定時如果光斑比較小，那么光斑渡越矩形反射區(qū)間的時間很快，反應(yīng)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(qū)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(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時，每轉(zhuǎn)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(jīng)常工作于車間生產(chǎn)現(xiàn)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(nèi)部。

2、信號處理電路

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

由于受周圍環(huán)境，光電探測器距轉(zhuǎn)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(xiàn)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(jìn)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(jù)脈沖信號的輸出波形，選擇信號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)探測器接收到的反射信號的幅值，自動調(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，輸出的脈沖幅度將會有所改變，而比較電平也會相應(yīng)的改變，保證了信號整形的正常進(jìn)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(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

3、單片機信號處理系統(tǒng)

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(nèi)測量脈沖個數(shù)，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(zhǔn)確度之間的矛盾。要想提高測量準(zhǔn)確度，必須增加測量脈沖個數(shù)，導(dǎo)致測量時間過長，不能應(yīng)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(shù)器，采用測量脈沖個數(shù)和測量脈沖周期相結(jié)合的方法，可以達(dá)到轉(zhuǎn)速測量的實時性，并能在較寬的頻率范圍內(nèi)獲得高準(zhǔn)確度的測速值。

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，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，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中斷端口的電壓跳變?yōu)榈碗娖?。從而激活中斷程序?qū)γ}沖進(jìn)行計數(shù)。由于計數(shù)需要與計時同步，所以需要在產(chǎn)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(shù)器T0作為對光電傳感器輸出的脈沖計數(shù)，計數(shù)器T1作為定時器對基準(zhǔn)振蕩周期同時計數(shù)，到達(dá)預(yù)定的測速時間t1 時，單片機應(yīng)發(fā)出停止計數(shù)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(shù)器T1仍然對機器基準(zhǔn)周期繼續(xù)計數(shù)一段時間t，直到下一個脈沖信號的上升沿時停止計數(shù)器T1的(2)工作，這時計數(shù)器T0的計數(shù)值N1與T1的計數(shù)時間（t1+t2）之比即為要測量的轉(zhuǎn)速大小。轉(zhuǎn)速為：rEN1／（t1+t2）

二、結(jié)論

該方法結(jié)構(gòu)比較簡單，安裝也比較方便。檢測轉(zhuǎn)速時，對轉(zhuǎn)軸沒有太多的要求，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)行測量。測量轉(zhuǎn)速比較方便，精度也比較高，實時性較好，可以應(yīng)用在多數(shù)轉(zhuǎn)軸速度測量的場合。

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