紅外光電轉速測量儀

陳彥霖

（廣東文理職業學院 信息工程系，廣東 廉江 524400）

0 前言

在生產中，對轉速的準確測定關系到產品的質量和功效。例如，由織布機轉盤的轉速可以計算布匹的產量；水力發電機葉輪的轉速是計算發電機電功率的必不可少的數據。本文介紹一種非接觸式的紅外光電轉速測量儀,安裝方便,對周圍的環境要求也不高,可以很容易完成轉速的測量。測試范圍從1r/min到999r/min,具有較寬的動態測量范圍,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的二次儀表組成。該裝置利用光電傳感器進行采樣: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,再聚焦到傳感器光敏二極管的光敏面上。在旋轉轉軸上,粘貼一高反射率的矩形鋁箔,當轉軸旋轉時,每轉一圈,光敏二極管將會輸出一個脈沖信號。二次儀表內對采樣得到的脈沖信號進行整形處理,再送入單片機進行處理計算，實現轉子轉速的測量計算，計算出的轉子轉速信號送到顯示電路進行數字顯示。

2 系統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一步介紹。

2.1 電源電路

圖2

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

2.2 紅外光電傳感器

紅外光電傳感器采用傳統的光電自準直式結構，采用高靈敏度的光敏二極管作為檢測元件。

圖2光學成像系統:

圖3為光路結構圖。高功率的單色發光二極管發出的波長為0194μm的紅外光，經孔徑光欄入射到半透半反鏡(分光棱鏡),再由聚光鏡(凸透鏡)將光點聚到轉子的表面。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敏二極管的光敏面上。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，安裝調整方便。半透半反鏡鍍為中心波長為0194μm的薄膜，可阻止雜散光線進入光學系統。

圖3 光學系統原理圖

聚焦在旋轉軸上的光斑的大小直接影響測量靈敏度。當轉速一定時，如光斑太小，光斑渡越矩形反射區間的時間過快，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

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

2.3 信號處理系統

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

2.3.1 脈沖整形處理電路

受周圍環境、光敏二極管與轉軸的距離等因素影響，輸出電信號的幅度呈現起伏變化狀。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，其輸入輸出關系為:

圖5 反向輸入比較器及其輸出

當光敏二極管無光照，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INT0口進行計數及求轉速的運算處理。

圖6 脈沖整形后輸出的脈沖信號

2.3.2 單片機信號處理系統

整個系統電路由紅外光電傳感器、脈沖整形電路、單片機AT89S51最小系統和數字顯示電路等組成（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測量脈沖個數，采用測量脈沖個數和測量脈沖周期相結合的方法，因而對轉速的測量具有較好的實時性，能在較寬的頻率范圍內獲得高準確度的測速值，測量結果送顯示電路。

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 轉速測量電路整機電路圖

由以上分析，設計的轉速測量電路整機電路如圖9所示。

4 結束語

圖8 單片機信號處理系統

圖9 轉速測量電路整機電路圖

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

［1］李慶祥,徐端頤.實用光電技術[M].北京:中國計量出版社,1996.

［2］劉少強.快速高精度頻率測量新方法[J].儀表技術,1998(5):35-36.

［3］楊素行.模擬電子技術基礎簡明教程[M].北京:高等教育出版社,1985.

［4］張培仁.MCS-51 單片機原理與應用[M].北京:清華大學出版社,2003.