[发明专利]红外光电转速测量仪

说明书

技术领域

本发明涉及一种测量仪，尤其是红外光电转速测量仪。

背景技术

在工业生产和科学实验中，转速的测量是一个很重要的问题。有关测量转子速度的方法也比较多，可大多比较复杂。目前的转速测量仪测量范围不宽，测量精度也有待提高。

发明内容

本申请要解决的技术问题是克服上述缺陷，提供一种红外光电转速测量仪。

为解决上述技术问题，采用的技术方案是：

红外光电转速测量仪，由转子、红外光电传感器和二次仪表组成，红外光电传感器采用传统的光电自准直式结构，包括光学成像系统及前置放大电路两部分，光学成像系统中的高功率单色发光二极管发出的波长为0.94μm的红外光经过孔径光栏入射到半透半反镜，然后由聚光镜将光点聚到转子的旋转轴表面上，经旋转轴反射后聚焦到光学成像系统中的光电探测器的光敏面上，经前置放大电路输入至二次仪表，转子旋转轴上粘贴一高反射率的矩形铝箔，半透半反镜镀以中心波长为0.94μm的薄膜；二次仪表包括脉冲整形处理及倍频电路，单片机信号处理系统，由二极管、电阻Rl和电容C2组成峰值检出电路，电阻R2和R3组成峰值电压的分压电路，峰值检出电路和分压电路分别连接LM3ll比较器形成脉冲整形处理电路，由脉冲整形处理电路处理过的脉冲送至集成电路CD4046组成的锁相倍频电路后，送至单片机，单片机连接显示器或通过串行口输出。

高速运放LF357作为前置放大器，单片机选用89C51，其内有两个定时／计数器T0和T1。

将前置放大电路和光电二极管贴在一起，并封装在光电传感器探头内部。

本发明的有益效果是：安装方便，对周围的环境要求也不高，可以很容易的完成转速的测量。测试范围从10r／min到100000r／min，具有较宽的动态测量范围，测量精度也比较高。

附图说明

图1是该测速仪的简易框图；

图2是光学系统原理图；

图3是前置放大电路图；

图4是脉冲整形处理电路电路图；

图5是锁相倍频电路电路图。

其中，l.旋转轴；2.透镜；3.分光棱镜；4.发光二极管。

具体实施方式

图1为红外光电测速仪测量原理框图，测速仪由光电传感器和方框图内的二次仪表组成。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。在旋转轴上，粘贴一高反射率的矩形铝箔，当转轴旋转时，每转一圈，光电探测器将会输出一脉冲信号。该脉冲信号在光电传感器内经过前置放大后送入二次仪表进行信号处理。在二次仪表内，脉冲信号经过整形处理后，形成规则的矩形脉冲，该脉冲信号再经过60倍频后，送入单片机进行处理计算。在单片机内，利用两个定时／计数器T0和T1相结合的方法对脉冲信号进行定时计数，实现转子转速的测量计算，计算出的转子转速信号可以直接进行数字显示，也可以通过串行口输出。

光电转速测量仪由一次仪表即红外光电传感器和二次仪表即信号处理计算系统组成。红外光电传感器采用传统的光电自准直式结构，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两部分。图2为我们采用的光路结构图。高功率的单色发光二极管发出的波长为0.94μm的红外光经过孔径光栏入射到半透半反镜，然后由聚光镜将光点聚到转子的表面上，根据光路可逆原理，聚光镜和半透半反镜又将转子表面上的光点成像到光电探测器光敏面上。该结构为自准直式光电传感器结构，入、反射光线沿光轴传播，安装调整较为方便。半透半反镜镀以中心波长为0.94μm的薄膜，以阻止一些影响光电检测的杂散光线进入光学系统。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。因此要对聚焦光斑的大小分析计算。聚光镜位置的计算，聚焦光斑大小的计算，主要依据几何光学的成像公式：l／ｌ′-l／ｌ=l／f（l）和放大倍率公式β=y′／y（2）。式中：ｌ′为象距；ｌ为物距；f为焦距；y′为像高；y为物高。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。前置放大如图3所示。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。选用低噪声，高速运放LF357作为前置放大器。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。信号处理系统即二次仪表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。采用浮动阈值电平的方法可有效解决这一问题。在图4中，由二极管、电阻Rl和电容C2组成了峰值检出电路，检测出脉冲信号的峰值大小。电阻R2和R3组成峰值电压的分压电路，利用分压值的大小作为比较电平与脉冲信号在LM3ll比较器中进行比较，输出矩形脉冲信号，将该信号用于频率测量。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。上述矩形脉冲，送入由集成电路CD4046组成的锁相倍频电路，如图5所示，信号的输入端为PHil，输出信号从CD4046的第二相位比较器输出端PHO2取出，经环路滤波器变为平滑的直流电压信号加至压控振荡器的输入端VCOl，去改变VCO产生振荡信号的频率，这频率变化的信号经过由两个计数器芯片MCl4522组成的分频器进行l／60分频后，送到相位比较器的比较信号输入端PHi2，当环路达到锁定后，输入信号和反馈信号的频率完全相同，因而VCO输出信号的频率就是输入信号频率的60倍，然后将该信号送入单片机进行计数及求转速的运算处理。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。单片机89C51有两个定时／计数器T0和T1，利用T0计数器记录光电传感器输出的脉冲个数N1，同一时刻T1计数器作为定时器记录机器内的基准振荡周期数即测量采样时间t1，N1反应转子的转动频率，t1指转速测量时间，通过单片机计算可得到转速值。从初始时刻开始，计数器T0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t2，直到下一个脉冲信号的上升沿时停止计数器T1的工作，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：r=N1／(t1+t2)。选单片机89C51的晶振频率为12MHz，因此每一个基准周期为1μs，选测速时间t1为1s，基本可以做到快速的转速检测。转子速度，既可以直接进行数字显示，也可以通过串行口输出。