光电测速传感器及其信号调理电路

光电测速传感器及其信号调理电路
陈照章,朱湘临
(江苏大学电气信息工程学院,江苏镇江212013)
摘　要:介绍了光电测速传感器的组成,分析了该传感器的工作原理。

在分析该传感器信号的基础上,用SD2380动态分析仪作了频谱分析。

设计了相应的信号调理电路,并据此制作了车速仪,其准确度高,实用性强。

关键词:光电传感器;空间滤波;测速;施密特触发器
中图分类号:TM938.8;TP216 文献标识码:A 文章编号:1000-9787(2002)08-0053-03 Speed measurement photo2electricity sensor and its signal
adjustment circuit
CHEN Zhao2zhang,ZHU Xiang2lin
(Sch of E lec and Info E ngin,Jiangsu U niversity,Zhenjiang,212013,China)
Abstract:The constitution of the sensor is analyzed.Based on the analysis of the sensor signal,the frequency spectrum is made with a SD2380instrument.The circuit adaptable to adjust the sensor signal is designed.By us2 ing the circuit the speed meter is made,which is high in precision and practicable.
K ey w ords:photo2electricity sensor;space filtration;speed measurement;Schmitt trigger
0　引　言
在测长测速领域,有接触式和非接触式等各种各样的传感器。

介绍的这种测长测速传感器是性能优良的一种传感器,它适用于轧钢、纺织等领域,尤其适合于车辆行驶性能的测量。

以前车辆行驶性能的测试一般使用五轮仪,其原理是一个轮子被车辆拖动着在路面上滚动,每转一周发出固定数的脉冲,输给微机系统计算出距离、速度等指标。

由于轮子的跳动、打滑、充气多少等因素的影响,测量准确度不高。

在车速大于80～100km/h后,由于振动加大以及其它一些因素,测出的数据已不可靠。

采用光电传感器,
是一种非接触式的测试技术,它克服了上述缺陷,被测车速可覆盖目前汽车的最高速,当然也可用于火车车速等其它场合的测试中,是一种值得推广使用的测速技术。

1　非接触式测长测速光电传感器
1.1　传感器的结构和组成
传感器由照明组件、透镜组件、梳状光电器件、仪用放大器及外壳支架等部件组成一体,如图1所示。

收稿日期:2002-03-29
图1　光电传感器的组成
Fig1　Structure of photoelectrical sensor
使用时用吸盘安装在车厢外侧,使透镜离地面500mm左右,照明灯光已调整到在透镜下方的地面上形成一个Φ80mm的光斑,透镜把光斑中的图像成像于梳状光电器件上,光电器件产生的电信号经前置仪用放大器放大。

传感器移动时,产生交变电信号,经信号调理电路处理成TTL电平的方波,由MSC251单片机组成的数字系统接收。

1.2　距离—电信号的转换
图2说明了光电梳状器件的工作原理。

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　2002年第21卷第8期 传感器技术(Journal of Transducer Technology)
图2　梳状光电器件的工作原理
Fig 2　Principle of screen photoelectrical element
该图中由硅光电二级管阵列组成n µ1的多个光敏条,连接成A 、B 两组,呈对称相间梳状排列,设同组光敏条的间距为T ,x 为运动方向。

由透镜形成的地面图像成像于该大面积梳状器件上,形成光电流I A 、I B ,电路使两者相减。

一般来讲,两者因图像的不规则,光照面积的不同而不相等,当传感器移动时,图像在变化,I A 、I B 也在变化。

(1)当图像在梳状器件上移过T/2时,除了前
进方向最前的一条光敏条接收新图像外,其余的接收图像不变,不过原来处于A 组光敏条的图像移到了B 组上,反之亦然。

由于n µ1,所以产生的光电流变成I A <I B ,即仪用放大器接收的电信号反相。

(2)同样,当图像移过T 距离时,在T/2的基础
上,除运动方向最前的一条光敏条图像变化外,其余光敏条的图像又恢复原状,所以电信号再次反相,形成一个周期的伪正弦波。

这时由于透镜的物像缩放作用,梳状器件上的T 相当于地面图像移动的距离
M T 。

也就是说,地面距离M T 转变成电信号,就相
当于出了一个伪正弦波。

传感器设计系数为4
mm /脉冲,即路面4mm 距离可以产生一个波形,
其信号峰-峰值V p 2p 达100mV 以上。

由于光敏条数n µ1,且图像移动是渐变的,所以电信号的幅度也是渐变的。

信号调理电路只要把该信号处理成TTL 方波,微机系统计数方波个数,加以时间基准就可以方便地计算出距离、速度、加速度来。

1.3　传感器信号的性质
上述定性分析了当图像扫过梳状器件时,输出周期信号的原理。

现进一步分析该信号的性质。

在图2中,若像面照度分布函数为f (x ,y )。

梳状器件响应的函数为h (x ,y ),当图像扫过时,梳状器件响应的光电流输出为i (x ,y )。

令u 为x 轴方向的空间频率,单位为周波/m ,则x 相当于通常讨论的时域上的t ,u 为时域上的f 。

假设器件响应均匀,h (x ,y )仅在x 方向有变
化,图像也在该方向扫描,则H (u )为其传递函数,
F (u )为照度在器件长度范围内时,地面图像在x 方向的功率谱密度,对特定的目标有确定的统计
分布值。

H (u )可由设计的器件得到,它与器件的尺寸、n 的大小及光敏条之间排列的紧凑程度等因素有关。

则光电流响应的功率谱密度为[1]
W (u )=F (u )|H (u )|2.
(1)
由于实际测量到的光电流变化是时间的函数,因此需要时空变换。

若图像扫描速度为v ,时间频率
f 与空间频率u 有f =uv 的关系。

其单位为Hz 。

根据
付立叶变换坐标缩放定理,时间域中光电流输出的功率谱密度为
W (f )=
1
v
・F (
f v )・|H (f v
)|2.(2)
式(2)和式(1)有相同的函数形式。

其基频f 0=v
T
,T 为同组光敏条间距离。

若将上面的结果转换到地面坐标系中,设光学放大率为M ,则传感器相对地面速度的基频f 0=
v 地×u 地=v 地/M T =v 地/T 地,而u 地=1/T 地。

此处器件T 地=M T =4mm ,则u 地=1/M T =250周/m 。

器件响应的电信号,要转换成时间域响
应的频率信号,则f 0=v 地×u 地=250周/m ×
v 地m/s =250v 地周/s =250v 地Hz 。

v 地即为被测
量的汽车车速。

如果汽车行驶时,在Δt 时间内得k 个波形,则说明走过了路途ΔS =k/u 地=k T 地=kM T ,只要信号调理电路把信号转换成标准TTL 脉冲输出,经过微机系统计数,并乘以传感器系数T 地,就得到行走距离。

辅以时间量就可得行驶速度、加速度。

在转鼓试验台上试验,采用SD -380动态信号分析仪进行频谱分析,把传感器信号隔直、放大后输入分析仪,得到功率谱密度如图3所示。

图3　传感器信号的功率谱密度
Fig 3　Pow er spectral density of sensor signal
此时汽车对应车速为36km/h 。

图3的纵坐标表示信号在不同频率处的功率谱密度。

它和该频率的信号幅值之平方有关〔如式(2)所示〕。

实际上,代表了该频率信号的大小。

所以图3也表示了基波及其谐波幅值的大小。

可见杂乱的地面图像扫过双列梳
4
5 传感器技术 第21卷
状器件后,谱中仅存窄带基频成分及少量的奇次谐波分量,由于式(2)和式(1)具有相同的形式,以空间频率u 为频率变量的谱应和图3相同,可称为梳状光电器件的空间滤波作用。

这样就为信号调理电路的设计提供了依据。

2　传感器信号调理电路
车辆行驶时,由于震动、上下颠簸以及传感器制造工艺等问题,实际的传感器信号中总含有相当的谐波干扰,并伴有波形扭动的直流分量。

虽然传感器制造时已考虑了±100mm 的颠簸而采用了特殊的光路设计,使入射到每条光敏条上的光束中心严格平行于透镜主光轴,即使物距发生变化,焦面上产生的弥散斑的中心距离始终不变,但信号的噪声和幅度变化仍较大。

这种信号必须由调理电路处理后方能为微机系统所使用。

所设计的信号调理电路框图如图4所示。

图4　传感器信号调理电路框图
Fig 4　B lock diagram of adjustment circuit of sensor signal
传感器信号首先通过20Hz ～20kHz 带通滤波
器将信号中的直流分量去除,并将带外的干扰滤去(该带宽相当的车速为20×4～20×103×4mm/s ;即0.288～288km/h 范围)。

由于路面图像和汽车颠簸等原因,信号的幅度变化很大,放大限幅级使小信号放大,大信号限幅,防止了信号丢失。

施密特触发器是一个有回差的比较器,电路形式很多[2
]。

设计的电路如图5所示。

图5　施密特触发器电路图
Fig 5　Circuit diagram of Schmitt trigger
当R 3未接入时,其导通的阈值电压为U ion =
R 2
R 1+R 2U omin
≈0。

截止的阈值电压为U ioff =
R 2R 1+R 2U omax ≈R 2
R 1+R 2V cc。

其回差电压为U ioff -U ion ≈
R 2
R 1+R 2V cc。

调节R 2的阻值,就可使回差方
便地处于期望值。

小回差施密特触发器的回差电压调整到0.2V 。

只要其最小输入信号的幅值大于0.2V ,就会将该信号(基波)转换成第一象限的方波而不丢失信号。

并且将幅值小于0.2V 的干扰去掉,而将幅值大于0.2V 的干扰转换成窄脉冲。

通过低通滤波器后,又使窄脉冲变成波形上升沿及下降沿上的较小起伏。

该波形输入大回差施密特触发器。

将图5中的R 3接入,形成大回差施密特触发器。

此时,U ion ≈
R 2∥R 1.V cc R 1∥R 2+R 3,U ioff ≈R 2・V cc
R 1∥R 3+R 2
≈3.6V ,选取
R 1=2.4k
Ω,R 2=4.3k Ω,R 3=5.1k Ω,V cc =5V ,得U ion ≈1.2V ,U ioff ≈3.6V 。

其回差为U ioff -U ion =
3.6-1.2=2.4V 。

因此可确保其输出(微机系统的
输入)为纯净的方波。

由于施密特触发器是强烈正反馈电路,输出的方波边沿陡峭,可以不用整形电路直接输给微机系统进行处理。

由MCS -51单片机组成的微机系统,具有分时显示及打印速度、距离、加速度的功能,并具有设定仪表常数功能,用于消除因
制造工艺而使传感器系数偏离4mm /脉冲的误差,从而提高了仪器准确度。

3　试验结果
在实验室用Y B1643信号发生器代替传感器信号,对所设计的调理电路输入正弦波,在峰-峰值60mV 以上时,用双踪示波器观察输入输出波形,所
设计的电路输出方波且不丢失信号。

频率从15Hz ～22kHz ,同样试验也不丢失信号。

信号小于56mV 时,无输出方波信号。

即低于56mV 的噪声
进不了微机系统。

对于无信号的状态,可保证微机系统显示零值。

调整第一级小回差施密特的触发值及回差值,可有效改变最小信号的门槛值。

在转鼓试验台上,用传感器信号作试验,在车速为36km/h 时,方波信号清晰标准,所制作的车速仪显示车速为37km/h ,用Y B1643信号发生器的测频功能测得的频率为2.58kHz ,可能是汽车车速表误
差之故。

目前,汽车行驶性能测量中,测速范围在0.5～200km/h ,对应传感器信号的频率范围为35Hz ～13.9kHz 。

所设计的电路完全满足要求,起
步速下限和最高速上限还有一定余量。

所制仪器在上海汽车质量监督检验鉴定试验所进行的测量误差检定时,与国家基准CS J 21型车速仪检定系统作速
(下转第58页)
5
5第8期 陈照章等:光电测速传感器及其信号调理电路
2.4　工作电源工作电源由AC -DC 变换模块提供,输出6V ,为了实现断电保护功能,另加一备用5.5V 叠层电池,如图5。

图5　电源电路
Fig 5　Pow er circuit
当正常工作时,VCC2只为单片机提供工作电源,且对叠层电池充电,其它环节工作电源由VCC1提供;一旦交流电源发生断电故障,叠层电池只为单片机提供电源,保存断电时的信息。

3　测量结果分析
在应用过程中,对温度传感器及A/D 转换环节进行了数值测量和参数整定。

①把温度t =0℃时A/D 转换环节输出数字脉冲信号的频率整定为f 0=10000Hz ;
②依次测定温度t =50,100,150,200,250,300,350,400℃时A/D 转换环节数字脉冲信号的频率。

经多次精确测量,测得相应温度时的脉冲信号频率为
f 50=9731.91Hz ,
f 100=9482.75Hz ,
f 150=9274.14Hz ,f 200=9027.42Hz ,f 250=8821.09Hz ,f 300=8627.01Hz ,f 350=8444.21Hz ,f 400=8271.79Hz .
对以上测量数据进行分析,可知采用铂电阻器测量温度,线性特性比较理想,测量准确度满足本干燥器控制仪要求。

4　结束语
本空气干燥器控制仪设计完成后,已成功为生产厂家配套,经众多用户使用,表明本控制仪结构简单,工作可靠,温度控制准确度高,达到了设计要求。

参考文献:
[1]　黄继昌,徐巧鱼,张海贵,等.传感器工作原理及应用实例[M ].
北京:人民邮电出版社,2000.19.
[2]　康华光.电子技术基础-数字部分[M ].北京:高等教育出版
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[3]　宋建国.AVR 单片机原理及应用[M ].北京:航空航天大学出
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[4]　莫正康.半导体变流技术[M ].北京:机械工业出版社,2000.
162-170.
作者简介:
侯崇升(1967-),男,山东潍坊市人,讲师,主要从事电力电子和自动控制系统方面的教学与应用研究。

(上接第55页)
度和距离对比测量,误差都在±0.3%之内。

证明了
传感器及其信号调理电路的合理性。

4　结　论
(1)所介绍的测长测速光电传感器,是一种设计合理的高性能传感器。

在非接触测长测速的领域值得推广。

(2)所设计的信号调理电路,合理使用滤波和施密特触发器,电路简洁,性能可靠。

试验证明,在不丢失信号的前提下,可有效地消除噪声,并直接为微
机系统所接受,满足测量要求。

参考文献:
[1]　纽兰D E.随机振动与谱分析概论[M ].北京:机械工业出版
社,1980.71-86.
[2]　梯策U ,胜克CH.王祥贵,周旋译.高级电子电路[M ].北京:
人民邮电出版社,1984.410-415.
作者简介:
陈照章(1945-),男,张家港市人,副教授,硕士。

1968年于清华大学毕业后,在沈阳变压器厂从事仪表维修工作,1978年后在高校从事电子技术基础及汽车电器的教学与科研工作。

研究方向:电子测量及控制。

尊敬的作者、读者、广告客户:
值此《传感器技术》创刊20周年之际,向你们表示衷心的谢意。

感谢你们对
本刊的厚爱和支持。

让我们携起手来为继续办好《传感器技术》而共同努力。

《传感器技术》编辑部全体人员　
2002年8月20日
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5 传感器技术 第21卷　。