RT-Ⅱ型非接触式车辆测试仪的研制

王群（湖南汽车工程职业学院，湖南　株洲　412001）

RT-Ⅱ型非接触式车辆测试仪的研制

王群
（湖南汽车工程职业学院，湖南株洲412001）

五轮仪测试车辆的参数误差大，而且自身较重大。采用光电传感器研制而成的RT-Ⅱ型测试仪测量精度相对较高，质量轻巧，使用方便。论文介绍了光电传感器的原理及特点，重点设计了测试仪的信号窄带通跟踪滤波器，有效地消除了干扰，防止了信号失真。为了解决高速及起步车速测量的误差较大的难关，设计了锁相环预偏电路。设计中的跟踪滤波技术可适用频率信号范围十分广，有很大的推广潜力。

传感器；测试仪；跟踪滤波；窄带通；锁相环预偏

0　引言

当今是交通飞速发展的时代，其中汽车在这中间起到最为重要的作用，汽车的各种技术在不断地发展，对车辆的动态参数如行驶距离、速度、加速度、地理位置等及时准确的测量显得十分重要了。

传统的车辆测试仪主要用五轮仪来实现，这种仪器体重大，测量精度不够，反应慢，尤其是它属于接触式测试仪，使用不方便，容易出故障。随着光电传感器的出现于技术革新，为非接触式测试仪的发展提供了基础与条件。

本设计就是基于光电传感器的一种非接触式测试仪，主要设计了性能好又实用在车辆上的梳状光电传感器，分析了它的工作原理，设计了信号调理电路的几个重要组成部分，通过实验证明：这种测试仪克服了传统测试仪致命的几个缺点，测试方便，精度高，跟踪快，很有推广应用的空间。

1　梳状光电传感器的选择及原理

光电检测可测参数很多，而且具有精度高、响应快、非接触、性能可靠、结构简单、灵活多样等许多优点，因此，采用光电式光电检测取代传统的五轮仪，克服了五轮仪致命的两个缺陷。光电传感器由光源、光学通路和光电元件三部分组成，它先把被测量的转换成光信号，再把将光信号借助光电元件转换成电信号。RT-Ⅱ型非接触式测试仪就是采用梳状光电传感器来检测信号，它主要有仪用放大器、梳状光电组件、照明组件、长镜头透镜及外壳等几个部件。照明组件产生强光，投射到路面形成光斑，光斑通过长镜头透镜在梳状光电组件上形成对应的像，产生相应的电信号，仪用放大器可把电信号放大到约100mV的传感器信号。各部分组件的工作原理如图1所示。

图1中，有许许多多硅光二极管成阵列对称均匀分布成光敏条，硅光二极管当无光照时，它与普通二极管一样，反向电流很小，但当有光照时，载流子被激发，产生光电。如果把这些光敏条分成A与B两组连接，当光照在A与B两组光敏条上会形成IA与IB两个光电流，再把这两个光电流进行转换成一个IA-IB差动信号，放大器放大到要求值输出。该信号反映了A、B两组光敏条上的两个图像的平衡性，一般情况下是平衡的，如果图像在不断变化，IA-IB差动信号必然也会对应变化。假设某时IA＞IB，那么随着传感器的移动，图像也会相应移动，当移动L/2距离时，A、B两组的光敏条所处位置会进行对换，所以IA-IB差动光电流信号会反相；同理，当再移动L/2距离时，A、B两组光敏条会再次进行位置对调，IA-IB差动光电流信号再次反相，从而形成一个伪正弦波，可以推出传感器每移动L距离就形成一个完整的正弦波。如果放大倍数为K，则相对地面而言，就移动KL的距离，传感器就形成一个完整的伪正弦波。我们再用SD-380动态信号分析仪对该伪正弦波进行测量隔直放大，就可得到谐波分量很小奇次谐波，再经过信号调理电路对传感器信号进行调理，形成TTL信号。微机对电平方波进行计数，就可得到车辆行驶的距离、速度、加速度等信息。因此光电传感器可用于车辆跟踪制导、位移监控及本文设计的非接触车辆测试仪。

图1　梳状光电组件的工作原理Fig.1 Principle of comb of optoelectronic components

2　信号调理电路的研制

2．1车辆行驶产生的传感信号特点

综上所述可知车辆行驶KL距离，传感器形成就形成一个完整的伪正弦波，车辆从起步速到一定速度，频率也会变化几百倍，加上制造工艺及车辆颠簸等因素对成像的影响，这个IA-IB差动光电流信号必然会产生不断扭动的直流分量及谐波分量。为了提高测量精度和信噪比，反复实验证明必须压缩带宽，滤除绝大部分谐波，效果才能达到预期效果，经多次改进，终于研制出窄带通跟踪滤波器，这是RT-Ⅱ型非接触式车辆测试仪中又一个关键的部件。

2．2窄带通跟踪滤波器的设计

本跟踪滤波器采用一个窄带通滤波器，狭窄带通滤波器主要根据滤波器的幅频特性定义。在滤波器所要提取的信号频率中设立一个极点为d=re^j2πkfT滤波器，当r值接近1时，可得到很窄的通带，且过度带较陡峭，故名狭窄带通滤波器。d=fn为中心频率，fn随信号频率fs的变化而同步变化，该窄带通滤波器能让离fn较近的有用信号通过，又滤除了离fn较远的干扰信号，大大提高了信噪比。为了方便控制与调试，开关电容滤波器是较好的选择。这就可以通过改变滤波器的阻容参数而方便地改变带通滤波器的中心频率，实现fn≈fs跟踪滤波的目的，开关电容等效的电阻［1］和开关频率fc的关系为：

R=1/C fc

因为fc随fs变化而变化，也就等于R也随fs而变化而变化．只要我们改变开关电容滤波器的时间常数，就可以方便的改变中心频率fn，实现fn≈fs，因而可实现跟踪滤波。该窄带通跟踪滤波器的框图设计如图2所示。

图2　信号调理电路框图Fig.2 Signal conditioning circuit diagram

从图2不难发现，光电传感器信号先传送给前置预处理电路，滤除了直流分量和频率范围之外的谐波干扰，只让fn附近较窄带宽频率信号顺利通过，再经过放大、限幅得到图示的Ui（fs）信号。经预偏电路设置锁相环无信号时的振荡频率，fc为开关电容的采样频率，当有信号时fn=32fs。远大于参考文献［2］中指出的20倍。图中的Φ1、Φ2为通过fc双比较器得到的互为反相的采样信号。

图3　预偏电路框图Fig.3 Pre bias circuit diagram

（1）预偏电路的设置。设计的预偏电路主要有比较器、可控震荡器、施密特整形电路和可重触发单稳电路组成，具体框图如图3所示。

本设计采用集成电路CD4046构成32分频的锁相环，它主要包括两个相位比较器与压一个控振荡器组成，外接相位负反馈闭环电路［5］（由比例积分环路滤披器构成）。当相位锁定后32分频电路的第4脚输出fc=32· fs车辆行驶性能必须从起步车速测起，CD4046的12脚因此悬空，把起始频率设置为fmin=0Hz，查文献［6］得知：该电路要起振必须有一个预偏电压，通过实测值为1.25V（当电源Vcc=5V时），如没设置预偏电压，车辆在起步的时段，由施密特整形电路输入锁相环，相位比较器产生的电压信号先是给锁相环中的电容充电，当充电到大于预偏电压时，才有输出，造成延迟，因此低频时跟踪性较差，所以设置预偏电压（约1.25V），其具体的工作过程如下：当车辆在起步fs=0Hz时，比较器输出信号为0，单稳电路的输出为高电平 1，振荡器开始起振 （fs= 12kHz），该高电平同时为74LS157的开关选择地址，这时选择开关1B接通，12kHz信号输入锁相环并锁定，低通滤波器则输送VCO一个预偏电压。为了防止由于干扰而使显示为可信，2B输入微机系统接地信号，使之显示为0，当车辆加速到一定时，输入信号为fs，比较器就会连续输出触发脉冲，触发单稳态触发器，输出低电平0，74LS157选择开关lA接通，被整形后的fs直接输送给锁相环，图2中2A脚的信号输入微机系。我们用两台低频信号作信号发生和频率显示去模拟试验，发现当信号从15kHz跃变到0.15kHz时，锁相环3脚信号的也跟着跃变，中间信号只是闪现一次即同步为0.15kHz。如果不设置预偏电路，接通一个只有100Hz的信号，要过秒数量级时间才能锁定，而且频率变大，时间变得更长，验证了预偏电路对提高跟踪性能的重要作用。

（2）窄带通开关电容滤波器的设计。上面提到的滤波器如图4所示，主要由同相积分器加反馈电路组成，设R为开关电容的等效电阻：R=1/C fc。取A1、A2两个同相积分器的输入点为节点可得到：

由式（1）、（2）得该滤波器的传递函数为：

图4　滤波器电路Fig.4 Filter circuit

上面的传递函数是带通滤波器的表达形式。为了设计方便，选C2=C3，中心频率就为：

而R=1/C，代入上式得：

令2πC2/C=32，就有fs≈fn，即当fs变化时，由锁相环保证fc=32fs，而，所以fn就跟随fs的变化而变化，从而实现较好的跟踪滤波。如果把它的带宽设计较小点，又能达到抗干扰的目的。滤波器的品质因子Q为：

3　试验结果

我们主要对车辆进行了加速制动的试验。这对调理电路来说，为频率斜升信号，以此检验跟踪滤波的重要特性。为了方便监视与调节扫频的频率，我们选择NWl232低频频率特性测试仪来发生扫频信号，以此模拟传感器信号输入调理电路，再把调理电路的输出信号与这个信号进行对比分析（用SD-380动态信号分析仪），把扫频范围设置为0Hz~18kHz，相当设置车速范围为0～260km/h，完全满足实际要求，单程扫描的时间定为8s，测试结果如表1所示：如果扫描速度为 2.5kHz/s，相当于2.5×4m/s2=10m/s2，基本等于加速度g，而汽车加速度一般最大为0.7g，大大超出实际加速与制动的测量要求。

快速扫频测试结果如表2所示：扫描速率为2s，扫频范围不变，设计的电路照样工作正常。当速率为9kHz/s时，产生近3.6个g的加速度。新一代的车速仪中已经广泛应用了这种电路。在长沙汽车质量监督检验鉴定试验中，检测到的数据误差与国标接轨，距离误差控制在±0.43%以内，速度误差控制在±0.4%以内。

表1　扫频结果HzTab.1 Sweep results Hz

表2　快速扫频结果Tab.2 Fast frequency sweep results Hz

4　结论

（1）本文设计的调理电路工作稳定，性能优良，达到了预期效果。而且试验表明，这种电路不仅适用于车辆测试仪，由于其频率范围很大，还有很大的推广应用空间。

（2）所设计的梳状光电传感器，优越于传统的五轮仪，由接触式转换成是非接触式传感器，实用方便，性能可靠，精度高，信噪比大，应用在测量车辆行驶性能效果十分好，值得推广。

（3）通过系列的试验，为锁相环设置预偏电路，车辆起步测量误差大的问题得以解决，同时还大大提高了测量的精度和跟踪的速度。

［1］康华光．电子技术基础（模拟部分）［M］．北京：高等教育出版社，1988．

［2］（日）相田泰志，庞振泰，王采叟，屈宗明（译）.半导体器件手册-CMOS器件手册［M］．北京：清华大学出版社，1997．

［3］韩小涛，尹项根，张哲，等．基于光电传感器的变电站通信控制系统解决方案［DB/OL］．中国移动物联网，2013，11．

［4］郑继禹，等．锁相环原理及应用［M］．北京：人民邮电出版社，1984.

［5］陆明达．开关电容滤波器的原理与设计［M］．北京：科学出版社，1986.

［6］乔峨，安作平，罗承沐.光电式电流互感器的开发与应用-21世纪互感器技术展望［J］．继电器，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-），讲师，硕士。主要研究领域：机电产品设计。