紅外光電轉(zhuǎn)速測量儀的制作方法
【專利摘要】紅外光電轉(zhuǎn)速測量儀，由轉(zhuǎn)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(tǒng)的光電自準(zhǔn)直式結(jié)構(gòu)，包括光學(xué)成像系統(tǒng)及前置放大電路兩部分，光學(xué)成像系統(tǒng)中的高功率單色發(fā)光二極管發(fā)出的波長為0.94μm的紅外光經(jīng)過孔徑光欄入射到半透半反鏡，然后由聚光鏡將光點(diǎn)聚到轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸表面上，經(jīng)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(jī)信號(hào)處理系統(tǒng)，單片機(jī)連接顯示器或通過串行口輸出。安裝方便，對周圍的環(huán)境要求也不高，可以很容易的完成轉(zhuǎn)速的測量。測試范圍從10r／min到100000r／min，具有較寬的動(dòng)態(tài)測量范圍，測量精度也比較高。
【專利說明】紅外光電轉(zhuǎn)速測量儀
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種測量儀，尤其是紅外光電轉(zhuǎn)速測量儀。
【背景技術(shù)】
[0002]在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，轉(zhuǎn)速的測量是一個(gè)很重要的問題。有關(guān)測量轉(zhuǎn)子速度的方法也比較多，可大多比較復(fù)雜。目前的轉(zhuǎn)速測量儀測量范圍不寬，測量精度也有待提聞。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0003]本申請要解決的技術(shù)問題是克服上述缺陷，提供一種紅外光電轉(zhuǎn)速測量儀。
[0004]為解決上述技術(shù)問題，采用的技術(shù)方案是:
[0005]紅外光電轉(zhuǎn)速測量儀，由轉(zhuǎn)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(tǒng)的光電自準(zhǔn)直式結(jié)構(gòu)，包括光學(xué)成像系統(tǒng)及前置放大電路兩部分，光學(xué)成像系統(tǒng)中的高功率單色發(fā)光二極管發(fā)出的波長為0.94 μ m的紅外光經(jīng)過孔徑光欄入射到半透半反鏡，然后由聚光鏡將光點(diǎn)聚到轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸表面上，經(jīng)旋轉(zhuǎn)軸反射后聚焦到光學(xué)成像系統(tǒng)中的光電探測器的光敏面上，經(jīng)前置放大電路輸入至二次儀表，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)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(jī)信號(hào)處理系統(tǒng)，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(jī)，單片機(jī)連接顯示器或通過串行口輸出。
[0006]高速運(yùn)放LF357作為前置放大器，單片機(jī)選用89C51，其內(nèi)有兩個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)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(nèi)部。
[0008]本實(shí)用新型的有益效果是:安裝方便，對周圍的環(huán)境要求也不高，可以很容易的完成轉(zhuǎn)速的測量。測試范圍從IOr / min到IOOOOOr / min,具有較寬的動(dòng)態(tài)測量范圍,測量精度也比較高。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1是該測速儀的簡易框圖；
[0010]圖2是光學(xué)系統(tǒng)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(zhuǎn)軸；2.透鏡；3.分光棱鏡；4.發(fā)光二極管?！揪唧w實(shí)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(nèi)的二次儀表組成。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。在旋轉(zhuǎn)軸上，粘貼一高反射率的矩形鋁箔，當(dāng)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，每轉(zhuǎn)一圈，光電探測器將會(huì)輸出一脈沖信號(hào)。該脈沖信號(hào)在光電傳感器內(nèi)經(jīng)過前置放大后送入二次儀表進(jìn)行信號(hào)處理。在二次儀表內(nèi)，脈沖信號(hào)經(jīng)過整形處理后，形成規(guī)則的矩形脈沖，該脈沖信號(hào)再經(jīng)過60倍頻后，送入單片機(jī)進(jìn)行處理計(jì)算。在單片機(jī)內(nèi)，利用兩個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器TO和Tl相結(jié)合的方法對脈沖信號(hào)進(jìn)行定時(shí)計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的測量計(jì)算，計(jì)算出的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速信號(hào)可以直接進(jìn)行數(shù)字顯示，也可以通過串行口輸出。
[0016]光電轉(zhuǎn)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(hào)處理計(jì)算系統(tǒng)組成。紅外光電傳感器采用傳統(tǒng)的光電自準(zhǔn)直式結(jié)構(gòu)，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)及前置放大電路兩部分。圖2為我們采用的光路結(jié)構(gòu)圖。高功率的單色發(fā)光二極管發(fā)出的波長為0.94μ m的紅外光經(jīng)過孔徑光欄入射到半透半反鏡，然后由聚光鏡將光點(diǎn)聚到轉(zhuǎn)子的表面上，根據(jù)光路可逆原理，聚光鏡和半透半反鏡又將轉(zhuǎn)子表面上的光點(diǎn)成像到光電探測器光敏面上。該結(jié)構(gòu)為自準(zhǔn)直式光電傳感器結(jié)構(gòu)，入、反射光線沿光軸傳播，安裝調(diào)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(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)。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(shí)如果光斑比較小，那么光斑渡越矩形反射區(qū)間的時(shí)間很快，反應(yīng)到脈沖波形上，上升沿將會(huì)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(shí)間相對慢一些，因而其輸出的脈沖信號(hào)的上升沿將會(huì)有一定的坡度。對于頻率測量來說，脈沖信號(hào)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(jì)算。聚光鏡位置的計(jì)算，聚焦光斑大小的計(jì)算，主要依據(jù)幾何光學(xué)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(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，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(hào)。通過交流放大，將該脈沖信號(hào)放大到一定幅度。選用低噪聲，高速運(yùn)放LF357作為前置放大器。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(yùn)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。信號(hào)處理系統(tǒng)即二次儀表由脈沖整形處理及倍頻電路，單片機(jī)信號(hào)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(yùn)放輸出的電信號(hào)的幅度將會(huì)呈現(xiàn)出起伏變化。在信號(hào)整形處理電路中，如果采用固定電平的辦法對脈沖信號(hào)進(jìn)行整形處理，將可能影響整形信號(hào)的輸出。采用浮動(dòng)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(hào)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(hào)在LM311比較器中進(jìn)行比較，輸出矩形脈沖信號(hào)，將該信號(hào)用于頻率測量。選擇比較電平時(shí)，可根據(jù)脈沖信號(hào)的輸出波形，選擇信號(hào)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(hào)的幅值，自動(dòng)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(shí)，輸出的脈沖幅度將會(huì)有所改變，而比較電平也會(huì)相應(yīng)的改變，保證了信號(hào)整形的正常進(jìn)行，不會(huì)影響到矩形脈沖的輸出。因而，采用該信號(hào)處理方法，可以有效抑制干擾信號(hào)的影響，增加系統(tǒng)的穩(wěn)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(hào)的輸入端為PHil，輸出信號(hào)從CD4046的第二相位比較器輸出端PH02取出，經(jīng)環(huán)路濾波器變?yōu)槠交闹绷麟妷盒盘?hào)加至壓控振蕩器的輸入端VCOl，去改變VCO產(chǎn)生振蕩信號(hào)的頻率，這頻率變化的信號(hào)經(jīng)過由兩個(gè)計(jì)數(shù)器芯片MC14522組成的分頻器進(jìn)行I / 60分頻后，送到相位比較器的比較信號(hào)輸入端PHi2，當(dāng)環(huán)路達(dá)到鎖定后，輸入信號(hào)和反饋信號(hào)的頻率完全相同，因而VCO輸出信號(hào)的頻率就是輸入信號(hào)頻率的60倍，然后將該信號(hào)送入單片機(jī)進(jìn)行計(jì)數(shù)及求轉(zhuǎn)速的運(yùn)算處理。對脈沖信號(hào)的頻率計(jì)量一般采用兩種方法，一是在固定時(shí)間內(nèi)測量脈沖個(gè)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(hào)存在著測量的實(shí)時(shí)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(gè)數(shù)，導(dǎo)致測量時(shí)間過長，不能應(yīng)用于實(shí)際測量過程。第二種方法適宜于測量低頻信號(hào)，但對于高頻脈沖信號(hào)測量精度相對要低。利用單片機(jī)的兩個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器，采用測量脈沖個(gè)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(shí)時(shí)性，并能在較寬的頻率范圍內(nèi)獲得高準(zhǔn)確度的測速值。單片機(jī)89C51有兩個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器TO和Tl，利用TO計(jì)數(shù)器記錄光電傳感器輸出的脈沖個(gè)數(shù)NI，同一時(shí)刻Tl計(jì)數(shù)器作為定時(shí)器記錄機(jī)器內(nèi)的基準(zhǔn)振蕩周期數(shù)即測量采樣時(shí)間tl，NI反應(yīng)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，tl指轉(zhuǎn)速測量時(shí)間，通過單片機(jī)計(jì)算可得到轉(zhuǎn)速值。從初始時(shí)刻開始，計(jì)數(shù)器TO對光電傳感器輸出的脈沖計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器Tl作為定時(shí)器對基準(zhǔn)振蕩周期同時(shí)計(jì)數(shù)，到達(dá)預(yù)定的測速時(shí)間tl時(shí)，單片機(jī)應(yīng)發(fā)出停止計(jì)數(shù)指令，由于此時(shí)光電傳感器輸出的脈沖不一定恰好是在整個(gè)周期處，所以計(jì)數(shù)器Tl仍然對機(jī)器基準(zhǔn)周期繼續(xù)計(jì)數(shù)一段時(shí)間t2，直到下一個(gè)脈沖信號(hào)的上升沿時(shí)停止計(jì)數(shù)器Tl的工作，這時(shí)計(jì)數(shù)器TO的計(jì)數(shù)值NI與Tl的計(jì)數(shù)時(shí)間(tl+t2)之比即為要測量的轉(zhuǎn)速大小。轉(zhuǎn)速為:r=Nl / (tl+t2)。選單片機(jī)89C51的晶振頻率為12MHz，因此每一個(gè)基準(zhǔn)周期為I μ S，選測速時(shí)間tl為ls，基本可以做到快速的轉(zhuǎn)速檢測。轉(zhuǎn)子速度，既可以直接進(jìn)行數(shù)字顯示，也可以通過串行口輸出。
【權(quán)利要求】
1.紅外光電轉(zhuǎn)速測量儀，其特征在于:由轉(zhuǎn)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(tǒng)的光電自準(zhǔn)直式結(jié)構(gòu)，包括光學(xué)成像系統(tǒng)及前置放大電路兩部分，光學(xué)成像系統(tǒng)中的高功率單色發(fā)光二極管發(fā)出的波長為0.94μ m的紅外光經(jīng)過孔徑光欄入射到半透半反鏡，然后由聚光鏡將光點(diǎn)聚到轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸表面上，經(jīng)旋轉(zhuǎn)軸反射后聚焦到光學(xué)成像系統(tǒng)中的光電探測器的光敏面上，經(jīng)前置放大電路輸入至二次儀表，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)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(jī)信號(hào)處理系統(tǒng)，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(jī)，單片機(jī)連接顯示器或通過串行口輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紅外光電轉(zhuǎn)速測量儀，其特征在于:高速運(yùn)放LF357作為前置放大器，單片機(jī)選用89C51，其內(nèi)有兩個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器TO和Tl。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的紅外光電轉(zhuǎn)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(nèi)部。
【文檔編號(hào)】G01P3/36GK203572835SQ201320706437
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2013年11月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月11日
【發(fā)明者】樊勇, 龍寧 申請人:成都龍騰中遠(yuǎn)信息技術(shù)有限公司