红外光电转速测量仪

陈彦霖

（广东文理职业学院 信息工程系，广东 廉江 524400）

0 前言

在生产中，对转速的准确测定关系到产品的质量和功效。例如，由织布机转盘的转速可以计算布匹的产量；水力发电机叶轮的转速是计算发电机电功率的必不可少的数据。本文介绍一种非接触式的红外光电转速测量仪,安装方便,对周围的环境要求也不高,可以很容易完成转速的测量。测试范围从1r/min到999r/min,具有较宽的动态测量范围,测量精度也比较高。

1 电路制作原理

图1 电路工作原理框图

图1为该装置原理框图。测速仪由光电传感器和方框内的二次仪表组成。该装置利用光电传感器进行采样: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,再聚焦到传感器光敏二极管的光敏面上。在旋转转轴上,粘贴一高反射率的矩形铝箔,当转轴旋转时,每转一圈,光敏二极管将会输出一个脉冲信号。二次仪表内对采样得到的脉冲信号进行整形处理,再送入单片机进行处理计算，实现转子转速的测量计算，计算出的转子转速信号送到显示电路进行数字显示。

2 系统的电路组成及功能介绍

下面对主要电路、元件的工作原理作进一步介绍。

2.1 电源电路

图2

图2为电源电路。220V市电经降压、整流和大容量电容器C滤波后，再由三端集成稳压器CW7805稳压，在输出端即可得到稳定的直流电压Uo（5V）。电容Ci可改善纹波电压，Co可改善负载的瞬间响应。

2.2 红外光电传感器

红外光电传感器采用传统的光电自准直式结构，采用高灵敏度的光敏二极管作为检测元件。

图2光学成像系统:

图3为光路结构图。高功率的单色发光二极管发出的波长为0194μm的红外光，经孔径光栏入射到半透半反镜(分光棱镜),再由聚光镜(凸透镜)将光点聚到转子的表面。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敏二极管的光敏面上。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，安装调整方便。半透半反镜镀为中心波长为0194μm的薄膜，可阻止杂散光线进入光学系统。

图3 光学系统原理图

聚焦在旋转轴上的光斑的大小直接影响测量灵敏度。当转速一定时，如光斑太小，光斑渡越矩形反射区间的时间过快，输出脉冲上升沿较陡；光斑太大，光斑渡越矩形反射区间的时间过慢,输出脉冲信号的上升沿会有一定的坡度。对频率测量来说，脉冲信号上升沿越陡，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、聚焦光斑大小的计算，依据

式中: l′为像距； l为物距； f为焦距； y′为像高；y为物高，应充分考虑传感器的外形大小及安装调整的方便来计算确定。

2.3 信号处理系统

信号处理系统（即二次仪表）由脉冲整形电路、单片机信号处理系统和数字显示电路等组成。

2.3.1 脉冲整形处理电路

受周围环境、光敏二极管与转轴的距离等因素影响，输出电信号的幅度呈现起伏变化状。因而要将输出信号送入脉冲整形处理电路（如图3所示）处理，以消除“抖动”。如采用固定电平的办法对脉冲信号进行整形处理，可能会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。

图4 脉冲整形电路

利用经R1、R2分压后的电压UR（2.5V）作为参考电压，与光敏二极管输出的脉冲信号Ui在LM311比较器中进行比较（如图5所示）。LM311的反相端接输入信号Ui，同相端接参考电压UR，其输入输出关系为:

图5 反向输入比较器及其输出

当光敏二极管无光照，Ui＞2.5V，通过LM311比较器比较后Uo输出低电平UOL；同理，当光敏二极管有光照时Ui＜2.5V，Uo输出高电平UOH。LM311比较器2、3脚的电压变化使7脚输出不同的电平，输出矩形脉冲信号（如图6所示），该信号将送入单片机INT0口进行计数及求转速的运算处理。

图6 脉冲整形后输出的脉冲信号

2.3.2 单片机信号处理系统

整个系统电路由红外光电传感器、脉冲整形电路、单片机AT89S51最小系统和数字显示电路等组成（如图7所示）。该电路对脉冲信号的频率测量采用在固定时间内测量脉冲个数，采用测量脉冲个数和测量脉冲周期相结合的方法，因而对转速的测量具有较好的实时性，能在较宽的频率范围内获得高准确度的测速值，测量结果送显示电路。

图7 硬件电路组成框图

显示电路由3片串行输入并行输出的移位寄存器74LS164和3个共阴数码管LSD5615-10组成，如图8所示。P2.0端是输出移位同步时钟信号，其波特率固定为晶振频率1/12。

3 转速测量电路整机电路图

由以上分析，设计的转速测量电路整机电路如图9所示。

4 结束语

图8 单片机信号处理系统

图9 转速测量电路整机电路图

本文介绍的装置结构简单，安装方便。检测转速时，对转轴无太大要求，只需在转轴上粘贴一高反射率的矩形铝箔，使转轴表面的反射率明显低于矩形铝箔即可进行测量。测量转速方便快捷，精度较高，实时性好，可以应用在大多数转轴速度测量的场合。

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