红外光电转速测量装置的设计和优化

胡恩涛

【摘要】 本文介绍一种用于转子速度测量的红外光电转速测量装置，系统的硬件电路简单，测量转速范围较宽，且具有较高的测量精度，对于低转速的测量也有相当高的精度，可用于各行业转速的非接触式检测和控制中。

【关键词】 红外光电传感器；转速测量

在物理实验和工业生产中，转速的测量是一个很重要也很复杂的问题。有关测量转子速度的方法比较多，但要求测量仪器的制造成本低、测量精度高、线性度好的却很少。介绍一种安装方便、测量精度高的新型转速测量仪，它的系统硬件电路简单，测量转速范围较宽，且具有较高的测量精度，对于低转速的测量也有相当高的精度，可用于各行业转速的非接触式检测和控制中。

一、测试系统结构设计

光电转速测量仪由红外光电传感器和信号处理电路、单片机以及数字显示部分组成。其工作过程如下：当齿盘旋转时，由于轮齿的遮挡，红外发射管与接收管之间的红外线光路时断时续，信号处理电路将此变化的光信号转换为电脉冲信号，一个脉冲信号即表示齿盘转过一个齿。单片机对脉冲进行计数，同时通过其内部的计时器对接收一定数目的脉冲计时，根据脉冲数目及所用时间就可计算出齿盘的转速，最后通过数字显示部分将转速显示出来。如下图：

1、红外光电传感器

红外光电传感器利用高灵敏度的光电探测器作为检测元件，包括光学成像系统及前置放大电路。

⑴光学成像系统

红外光电传感器发出的光，聚焦到被测的旋转轴上，光由转轴反射后，再聚焦到传感器光电探测器的光敏面上。聚焦在旋转轴上的光斑的大小直接影响到测量的灵敏度，在旋转速度一定时如果光斑比较小，那么光斑渡越矩形反射区间的时间很快，反应到脉冲波形上，上升沿将会比较陡。如果光斑比较大，那么光斑渡越矩形反射区间的时间相对慢一些，因而其输出的脉冲信号的上升沿将会有一定的坡度。对于频率测量来说，脉冲信号的上升沿越陡，频率测量分辨率越高。

⑵前置放大电路

选用的探测器件是高灵敏度的光电二极管探测器，其敏感波长恰在0.94μm 附近。转轴旋转时，每转到高反射的矩形铝箔处，光电探测器就输出一脉冲信号。通过交流放大，将该脉冲信号放大到一定幅度。由于测速仪经常工作于车间生产现场，空间电磁干扰很大，为了有效避免干扰的影响，选用贴片式的运放器件，将前置放大电路和光电二极管做在一起，并封装在光电传感器探头内部。

2、信号处理电路

信号处理系统由脉冲整形处理及倍频电路，单片机信号处理系统等几部分组成。

由于受周围环境，光电探测器距转轴的距离等因素的影响，运放输出的电信号的幅度将会呈现出起伏变化。在信号整形处理电路中，如果采用固定电平的办法对脉冲信号进行整形处理，将可能影响整形信号的输出。选择比较电平时，可根据脉冲信号的输出波形，选择信号上升沿最陡的地方进行二值化处理。该比较电平可以根据探测器接收到的反射信号的幅值，自动调节电平的大小。当传感器与转轴之间的距离有变化时，输出的脉冲幅度将会有所改变，而比较电平也会相应的改变，保证了信号整形的正常进行，不会影响到矩形脉冲的输出。因而，采用该信号处理方法，可以有效抑制干扰信号的影响，增加系统的稳定性和可靠性。

3、单片机信号处理系统

对脉冲信号的频率计量一般采用两种方法，一是在固定时间内测量脉冲个数，二是测量脉冲周期的方法。第一种方法，对于较低频率信号存在着测量的实时性与测量准确度之间的矛盾。要想提高测量准确度，必须增加测量脉冲个数，导致测量时间过长，不能应用于实际测量过程。第二种方法适宜于测量低频信号，但对于高频脉冲信号测量精度相对要低。利用单片机的两个定时／计数器，采用测量脉冲个数和测量脉冲周期相结合的方法，可以达到转速测量的实时性，并能在较宽的频率范围内获得高准确度的测速值。

4、数字显示部分

红外线发射管发射的红外线未被轮齿挡住时，接收管受红外线照射呈导通状态，经反相器输入到单片机中断端口的电压为高电平，不产生中断；而当红外线发射管发射的红外线被轮齿挡住时，接收管不受红外线照射则呈截止状态，经反相器输入到单片机中断端口的电压跳变为低电平。从而激活中断程序对脉冲进行计数。由于计数需要与计时同步，所以需要在产生第一次红外光被挡住时(红外光被挡住时Pass=0，反之Pass=1)，也即中断口电位由高变低时打开定时器。从初始时刻开始，计数器T0作为对光电传感器输出的脉冲计数，计数器T1作为定时器对基准振荡周期同时计数，到达预定的测速时间t1 时，单片机应发出停止计数指令，由于此时光电传感器输出的脉冲不一定恰好是在整个周期处，所以计数器T1仍然对机器基准周期继续计数一段时间t，直到下一个脉冲信号的上升沿时停止计数器T1的(2)工作，这时计数器T0的计数值N1与T1的计数时间（t1+t2）之比即为要测量的转速大小。转速为：rEN1／（t1+t2）

二、结论

该方法结构比较简单，安装也比较方便。检测转速时，对转轴没有太多的要求，只要在旋转轴上粘贴一高反射率的矩形铝箔，转轴表面的反射率明显低于矩形铝箔即可进行测量。测量转速比较方便，精度也比较高，实时性较好，可以应用在多数转轴速度测量的场合。

参考文献：

[1]李庆祥，徐端颐.实用光电技术［M］.北京：中国计量出版社，1996

[2]鲍鸿、刘明建，数字化霍尔转速仪的研究[J]，广东工学院学报.1996.9

[3] 钱建强、薛敏，红外光电转速测量仪[J]，工业计量2003.6