紅外光電轉速測量儀的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種測量儀，尤其是紅外光電轉速測量儀。
【背景技術】
[0002]在工業生產和科學實驗中，轉速的測量是一個很重要的問題。有關測量轉子速度的方法也比較多，可大多比較復雜。目前的轉速測量儀測量范圍不寬，測量精度也有待提聞。
【發明內容】
[0003]本申請要解決的技術問題是克服上述缺陷，提供一種紅外光電轉速測量儀。
[0004]為解決上述技術問題，采用的技術方案是:
[0005]紅外光電轉速測量儀，由轉子、紅外光電傳感器和二次儀表組成，紅外光電傳感器采用傳統的光電自準直式結構，包括光學成像系統及前置放大電路兩部分，光學成像系統中的高功率單色發光二極管發出的波長為0.94 μ m的紅外光經過孔徑光欄入射到半透半反鏡，然后由聚光鏡將光點聚到轉子的旋轉軸表面上，經旋轉軸反射后聚焦到光學成像系統中的光電探測器的光敏面上，經前置放大電路輸入至二次儀表，轉子旋轉軸上粘貼一高反射率的矩形鋁箔，半透半反鏡鍍以中心波長為0.94 μ m的薄膜；二次儀表包括脈沖整形處理及倍頻電路，單片機信號處理系統，由二極管、電阻Rl和電容C2組成峰值檢出電路，電阻R2和R3組成峰值電壓的分壓電路，峰值檢出電路和分壓電路分別連接LM311比較器形成脈沖整形處理電路，由脈沖整形處理電路處理過的脈沖送至集成電路⑶4046組成的鎖相倍頻電路后，送至單片機，單片機連接顯示器或通過串行口輸出。
[0006]高速運放LF357作為前置放大器，單片機選用89C51，其內有兩個定時/計數器TO和Tl。
[0007]將前置放大電路和光電二極管貼在一起，并封裝在光電傳感器探頭內部。
[0008]本發明的有益效果是:安裝方便，對周圍的環境要求也不高，可以很容易的完成轉速的測量。測試范圍從1r / min到10000r / min,具有較寬的動態測量范圍,測量精度也比較高。
【附圖說明】
[0009]圖1是該測速儀的簡易框圖；
[0010]圖2是光學系統原理圖；
[0011]圖3是前置放大電路圖；
[0012]圖4是脈沖整形處理電路電路圖；
[0013]圖5是鎖相倍頻電路電路圖。
[0014]其中，1.旋轉軸；2.透鏡；3.分光棱鏡；4.發光二極管。
【具體實施方式】
[0015]圖1為紅外光電測速儀測量原理框圖，測速儀由光電傳感器和方框圖內的二次儀表組成。紅外光電傳感器發出的光，聚焦到被測的旋轉軸上，光由轉軸反射后，再聚焦到傳感器光電探測器的光敏面上。在旋轉軸上，粘貼一高反射率的矩形鋁箔，當轉軸旋轉時，每轉一圈，光電探測器將會輸出一脈沖信號。該脈沖信號在光電傳感器內經過前置放大后送入二次儀表進行信號處理。在二次儀表內，脈沖信號經過整形處理后，形成規則的矩形脈沖，該脈沖信號再經過60倍頻后，送入單片機進行處理計算。在單片機內，利用兩個定時/計數器TO和Tl相結合的方法對脈沖信號進行定時計數，實現轉子轉速的測量計算，計算出的轉子轉速信號可以直接進行數字顯示，也可以通過串行口輸出。
[0016]光電轉速測量儀由一次儀表即紅外光電傳感器和二次儀表即信號處理計算系統組成。紅外光電傳感器采用傳統的光電自準直式結構，利用高靈敏度的光電探測器作為檢測元件，包括光學成像系統及前置放大電路兩部分。圖2為我們采用的光路結構圖。高功率的單色發光二極管發出的波長為0.94μ m的紅外光經過孔徑光欄入射到半透半反鏡，然后由聚光鏡將光點聚到轉子的表面上，根據光路可逆原理，聚光鏡和半透半反鏡又將轉子表面上的光點成像到光電探測器光敏面上。該結構為自準直式光電傳感器結構，入、反射光線沿光軸傳播，安裝調整較為方便。半透半反鏡鍍以中心波長為0.94 μ m的薄膜，以阻止一些影響光電檢測的雜散光線進入光學系統。聚焦在旋轉軸上的光斑的大小直接影響到測量的靈敏度，在旋轉速度一定時如果光斑比較小，那么光斑渡越矩形反射區間的時間很快，反應到脈沖波形上，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。因此要對聚焦光斑的大小分析計算。聚光鏡位置的計算，聚焦光斑大小的計算，主要依據幾何光學的成像公式:1 / I ' -1 / I =1 / f(l)和放大倍率公式0=y' / y(2)。式中:I '為象距；I為物距；f為焦距'I'為像高；y為物高。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0.94 μ m附近。前置放大如圖3所示。轉軸旋轉時，每轉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。選用低噪聲，高速運放LF357作為前置放大器。由于測速儀經常工作于車間生產現場，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部。信號處理系統即二次儀表由脈沖整形處理及倍頻電路，單片機信號處理系統等幾部分組成。由于受周圍環境，光電探測器距轉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行整形處理，將可能影響整形信號的輸出。采用浮動閾值電平的方法可有效解決這一問題。在圖4中，由二極管、電阻Rl和電容C2組成了峰值檢出電路，檢測出脈沖信號的峰值大小。電阻R2和R3組成峰值電壓的分壓電路，利用分壓值的大小作為比較電平與脈沖信號在LM311比較器中進行比較，輸出矩形脈沖信號，將該信號用于頻率測量。選擇比較電平時，可根據脈沖信號的輸出波形，選擇信號上升沿最陡的地方進行二值化處理。該比較電平可以根據探測器接收到的反射信號的幅值，自動調節電平的大小。當傳感器與轉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的改變，保證了信號整形的正常進行，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，增加系統的穩定性和可靠性。上述矩形脈沖，送入由集成電路CD4046組成的鎖相倍頻電路，如圖5所示，信號的輸入端為PHil，輸出信號從CD4046的第二相位比較器輸出端PH02取出，經環路濾波器變為平滑的直流電壓信號加至壓控振蕩器的輸入端VCOl，去改變VCO產生振蕩信號的頻率，這頻率變化的信號經過由兩個計數器芯片MC14522組成的分頻器進行I / 60分頻后，送到相位比較器的比較信號輸入端PHi2，當環路達到鎖定后，輸入信號和反饋信號的頻率完全相同，因而VCO輸出信號的頻率就是輸入信號頻率的60倍，然后將該信號送入單片機進行計數及求轉速的運算處理。對脈沖信號的頻率計量一般采用兩種方法，一是在固定時間內測量脈沖個數，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確度之間的矛盾。要想提高測量準確度，必須增加測量脈沖個數，導致測量時間過長，不能應用于實際測量過程。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/計數器，采用測量脈沖個數和測量脈沖周期相結合的方法，可以達到轉速測量的實時性，并能在較寬的頻率范圍內獲得高準確度的測速值。單片機89C51有兩個定時/計數器TO和Tl，利用TO計數器記錄光電傳感器輸出的脈沖個數NI，同一時刻Tl計數器作為定時器記錄機器內的基準振蕩周期數即測量采樣時間tl，NI反應轉子的轉動頻率，tl指轉速測量時間，通過單片機計算可得到轉速值。從初始時刻開始，計數器TO對光電傳感器輸出的脈沖計數，計數器Tl作為定時器對基準振蕩周期同時計數，到達預定的測速時間tl時，單片機應發出停止計數指令，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，所以計數器Tl仍然對機器基準周期繼續計數一段時間t2，直到下一個脈沖信號的上升沿時停止計數器Tl的工作，這時計數器TO的計數值NI與Tl的計數時間(tl+t2)之比即為要測量的轉速大小。轉速為:r=Nl / (tl+t2)。選單片機89C51的晶振頻率為12MHz，因此每一個基準周期為I μ S，選測速時間tl為ls，基本可以做到快速的轉速檢測。轉子速度，既可以直接進行數字顯示，也可以通過串行口輸出。
【主權項】
1.紅外光電轉速測量儀，其特征在于:由轉子、紅外光電傳感器和二次儀表組成，紅外光電傳感器采用傳統的光電自準直式結構，包括光學成像系統及前置放大電路兩部分，光學成像系統中的高功率單色發光二極管發出的波長為0.94μ m的紅外光經過孔徑光欄入射到半透半反鏡，然后由聚光鏡將光點聚到轉子的旋轉軸表面上，經旋轉軸反射后聚焦到光學成像系統中的光電探測器的光敏面上，經前置放大電路輸入至二次儀表，轉子旋轉軸上粘貼一高反射率的矩形鋁箔，半透半反鏡鍍以中心波長為0.94 μ m的薄膜；二次儀表包括脈沖整形處理及倍頻電路，單片機信號處理系統，由二極管、電阻Rl和電容C2組成峰值檢出電路，電阻R2和R3組成峰值電壓的分壓電路，峰值檢出電路和分壓電路分別連接LM311比較器形成脈沖整形處理電路，由脈沖整形處理電路處理過的脈沖送至集成電路CD4046組成的鎖相倍頻電路后，送至單片機，單片機連接顯示器或通過串行口輸出。
2.根據權利要求1所述的紅外光電轉速測量儀，其特征在于:高速運放LF357作為前置放大器，單片機選用89C51，其內有兩個定時/計數器TO和Tl。
3.根據權利要求1或2所述的紅外光電轉速測量儀，其特征在于:將前置放大電路和光電二極管貼在一起，并封裝在光電傳感器探頭內部。
【專利摘要】紅外光電轉速測量儀，由轉子、紅外光電傳感器和二次儀表組成，紅外光電傳感器采用傳統的光電自準直式結構，包括光學成像系統及前置放大電路兩部分，光學成像系統中的高功率單色發光二極管發出的波長為0.94μm的紅外光經過孔徑光欄入射到半透半反鏡，然后由聚光鏡將光點聚到轉子的旋轉軸表面上，經前置放大電路輸入至二次儀表；二次儀表包括脈沖整形處理及倍頻電路，單片機信號處理系統，單片機連接顯示器或通過串行口輸出。安裝方便，對周圍的環境要求也不高，可以很容易的完成轉速的測量。測試范圍從10r／min到100000r／min，具有較寬的動態測量范圍，測量精度也比較高。
【IPC分類】G01P3-36
【公開號】CN104634986
【申請號】CN201310554801
【發明人】樊勇, 龍寧
【申請人】成都龍騰中遠信息技術有限公司
【公開日】2015年5月20日
【申請日】2013年11月11日