紅外光電轉(zhuǎn)速測量儀

陳彥霖

（廣東文理職業(yè)學(xué)院 信息工程系，廣東 廉江 524400）

0 前言

在生產(chǎn)中，對轉(zhuǎn)速的準(zhǔn)確測定關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量和功效。例如，由織布機(jī)轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速可以計算布匹的產(chǎn)量；水力發(fā)電機(jī)葉輪的轉(zhuǎn)速是計算發(fā)電機(jī)電功率的必不可少的數(shù)據(jù)。本文介紹一種非接觸式的紅外光電轉(zhuǎn)速測量儀,安裝方便,對周圍的環(huán)境要求也不高,可以很容易完成轉(zhuǎn)速的測量。測試范圍從1r/min到999r/min,具有較寬的動態(tài)測量范圍,測量精度也比較高。

1 電路制作原理

圖1 電路工作原理框圖

圖1為該裝置原理框圖。測速儀由光電傳感器和方框內(nèi)的二次儀表組成。該裝置利用光電傳感器進(jìn)行采樣: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,再聚焦到傳感器光敏二極管的光敏面上。在旋轉(zhuǎn)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,每轉(zhuǎn)一圈,光敏二極管將會輸出一個脈沖信號。二次儀表內(nèi)對采樣得到的脈沖信號進(jìn)行整形處理,再送入單片機(jī)進(jìn)行處理計算，實現(xiàn)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的測量計算，計算出的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速信號送到顯示電路進(jìn)行數(shù)字顯示。

2 系統(tǒng)的電路組成及功能介紹

下面對主要電路、元件的工作原理作進(jìn)一步介紹。

2.1 電源電路

圖2

圖2為電源電路。220V市電經(jīng)降壓、整流和大容量電容器C濾波后，再由三端集成穩(wěn)壓器CW7805穩(wěn)壓，在輸出端即可得到穩(wěn)定的直流電壓Uo（5V）。電容Ci可改善紋波電壓，Co可改善負(fù)載的瞬間響應(yīng)。

2.2 紅外光電傳感器

紅外光電傳感器采用傳統(tǒng)的光電自準(zhǔn)直式結(jié)構(gòu)，采用高靈敏度的光敏二極管作為檢測元件。

圖2光學(xué)成像系統(tǒng):

圖3為光路結(jié)構(gòu)圖。高功率的單色發(fā)光二極管發(fā)出的波長為0194μm的紅外光，經(jīng)孔徑光欄入射到半透半反鏡(分光棱鏡),再由聚光鏡(凸透鏡)將光點聚到轉(zhuǎn)子的表面。根據(jù)光路可逆原理，聚光鏡和半透半反鏡又將轉(zhuǎn)子表面上的光點成像到光敏二極管的光敏面上。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)整方便。半透半反鏡鍍?yōu)橹行牟ㄩL為0194μm的薄膜，可阻止雜散光線進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)。

圖3 光學(xué)系統(tǒng)原理圖

聚焦在旋轉(zhuǎn)軸上的光斑的大小直接影響測量靈敏度。當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時，如光斑太小，光斑渡越矩形反射區(qū)間的時間過快，輸出脈沖上升沿較陡；光斑太大，光斑渡越矩形反射區(qū)間的時間過慢,輸出脈沖信號的上升沿會有一定的坡度。對頻率測量來說，脈沖信號上升沿越陡，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、聚焦光斑大小的計算，依據(jù)

式中: l′為像距； l為物距； f為焦距； y′為像高；y為物高，應(yīng)充分考慮傳感器的外形大小及安裝調(diào)整的方便來計算確定。

2.3 信號處理系統(tǒng)

信號處理系統(tǒng)（即二次儀表）由脈沖整形電路、單片機(jī)信號處理系統(tǒng)和數(shù)字顯示電路等組成。

2.3.1 脈沖整形處理電路

受周圍環(huán)境、光敏二極管與轉(zhuǎn)軸的距離等因素影響，輸出電信號的幅度呈現(xiàn)起伏變化狀。因而要將輸出信號送入脈沖整形處理電路（如圖3所示）處理，以消除“抖動”。如采用固定電平的辦法對脈沖信號進(jìn)行整形處理，可能會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。

圖4 脈沖整形電路

利用經(jīng)R1、R2分壓后的電壓UR（2.5V）作為參考電壓，與光敏二極管輸出的脈沖信號Ui在LM311比較器中進(jìn)行比較（如圖5所示）。LM311的反相端接輸入信號Ui，同相端接參考電壓UR，其輸入輸出關(guān)系為:

圖5 反向輸入比較器及其輸出

當(dāng)光敏二極管無光照，Ui＞2.5V，通過LM311比較器比較后Uo輸出低電平UOL；同理，當(dāng)光敏二極管有光照時Ui＜2.5V，Uo輸出高電平UOH。LM311比較器2、3腳的電壓變化使7腳輸出不同的電平，輸出矩形脈沖信號（如圖6所示），該信號將送入單片機(jī)INT0口進(jìn)行計數(shù)及求轉(zhuǎn)速的運算處理。

圖6 脈沖整形后輸出的脈沖信號

2.3.2 單片機(jī)信號處理系統(tǒng)

整個系統(tǒng)電路由紅外光電傳感器、脈沖整形電路、單片機(jī)AT89S51最小系統(tǒng)和數(shù)字顯示電路等組成（如圖7所示）。該電路對脈沖信號的頻率測量采用在固定時間內(nèi)測量脈沖個數(shù)，采用測量脈沖個數(shù)和測量脈沖周期相結(jié)合的方法，因而對轉(zhuǎn)速的測量具有較好的實時性，能在較寬的頻率范圍內(nèi)獲得高準(zhǔn)確度的測速值，測量結(jié)果送顯示電路。

圖7 硬件電路組成框圖

顯示電路由3片串行輸入并行輸出的移位寄存器74LS164和3個共陰數(shù)碼管LSD5615-10組成，如圖8所示。P2.0端是輸出移位同步時鐘信號，其波特率固定為晶振頻率1/12。

3 轉(zhuǎn)速測量電路整機(jī)電路圖

由以上分析，設(shè)計的轉(zhuǎn)速測量電路整機(jī)電路如圖9所示。

4 結(jié)束語

圖8 單片機(jī)信號處理系統(tǒng)

圖9 轉(zhuǎn)速測量電路整機(jī)電路圖

本文介紹的裝置結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便。檢測轉(zhuǎn)速時，對轉(zhuǎn)軸無太大要求，只需在轉(zhuǎn)軸上粘貼一高反射率的矩形鋁箔，使轉(zhuǎn)軸表面的反射率明顯低于矩形鋁箔即可進(jìn)行測量。測量轉(zhuǎn)速方便快捷，精度較高，實時性好，可以應(yīng)用在大多數(shù)轉(zhuǎn)軸速度測量的場合。

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