光电测量系统检测飞轮的转动速度和判断正反方向

光电测量系统检测飞轮的转动速度和判断正反方向

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一、飞轮的转速和方向的测量原理

1.1转速测量原理

对转盘转速的测量是基于对单位时间内转盘上镜面产生的光脉冲的计数。其基本原理如图1所示

图1（转速测量原理）

发光管发出的光束照射在转盘上，当固定在转盘上的反光材料经过光束，产生的反射光脉冲被光电探测器接收，产生电脉冲信号。转盘转动产生的一串电脉冲信号经放大电路和整形电路处理后送入计数电路，便可以计算出单位时间内接收到的信号个数，即转盘单位时间内的转数。示意图如下所示（图2）：

图2（脉冲计数）

1.2方向测量原理

在飞轮转速方向上设置两个光电探测器，调试光路使之均能接收反射材料的反射光，通过判别两个探测器输出电信号的初相位即可对飞轮的转动方向作出判断，飞轮转动的正反方向用两个不同颜色的LED来标示。示意如图3所示：

图3（判向电路）

理论上，只要判断谁“先到”，即可判断转向，若左探测器超前右探测器△t，为左转，反之，右转。

1.3数据显示原理

由计数电路计下飞轮速度，产生的转速信号经由锁存器输出，显示器件用发光二极管数码显示管，锁存器输出的信号是一组二进制数字符号，必须进行译码显示，采用74LS04集成译码显示芯片。送到数码管显示电路显示出来，使得每一计数脉冲下降沿一来都可以对转速进行更新，同时又可以锁存前一脉冲所记录的转速。如图4所示：

图4（数据显示原理图）

综合以上的考虑，设计的飞轮转速测量和方向判断的设计整体图如下所示：

图5（飞轮转速和方向测量光电测试系统）

工作过程总体为：发光二极管发出红外光，由转盘上的反光材料反射，并分别被光电探测器1和2所接收。探测器1和2进行光电转换后，由放大器放大，送入整形电路，转化成方波信号，分别进行计数和方向判别。电机控制电路可分档控制电机的转速；秒脉冲电路产生周期为2秒的方波信号，供计数电路计数；译码器和数码管显示电路，显示转动速度（r/s转每秒）

二、飞轮的转速和方向的测量设计

2.1光电发送接收部分

光电发送接收是测量系统的光电转换部分。根据LED和光电三极管分离的形式，采用一个红外LED和两个光电三极管。如图6所示，发光二极管发出红外光经反射材料反射被探测器1、2分别接收。

图6（光电发送和接收系统）

反光材料的两个反光面有一定夹角，LED垂直入射，当反光材料沿逆时针方向（沿光束方向观察）经过探测器时，LED先直射左叶，调节探测器1接收角度使反射光垂直入射，之后LED直射右叶，调节探测器2接收角度使反射光垂直入射。对不同距离的测量，可通过调节反光材料角度和探测器接收角度来实现。如增大探测距离，要调小反射材料与飞轮夹角，同时保证探测器与飞轮法线夹角是反射材料与飞轮夹角的2倍。

器件选择: 红外发射管AlxGa1-x As 发光二极管（940nm）

红外接收管Si 光电三极管（940nm）

波段选择近红外940nm（优缺点如前所述）

发射强度一定程度上，越强越好，不用考虑相应的线性度，探测距离越远，需将强度调得更高。这个设计的优点在于探测距离更长。

2.2放大电路整形部分

2.2.1光电二极管偏置与放大电路图7

图7（光电二极管偏置与放大电路）

2.2.2整形电路

用两个非门也可以直接实现整形的功能，数字芯片一般都有一定的输入门限电压，高于门限输出为高电平，低于门限则为低电平。使用这种方案可以使电路简洁，且效果很好。图8

图8（整形电路）

2.2.3方向判别电路

方向判别原理如前所示，具体电路如图9所示，Singal1 是左探测器输出信号，Singal2是右探测器输出信号，若在Singal2上升沿Singal1是高电平，管脚5为高电平，管脚6为低电平，LED1亮，LED2灭，说明飞轮在左转；相反，若在Singal2上升沿Singal1是低电平，管脚6为高电平，管脚5为低电平，LED2亮，LED1灭，说明飞轮在左转。

图9（方向判别电路）

2.2.4计数电路

计数电路由3片异步清零的模十74LS160计数器和3个4位寄存器组成首先，3片74LS160通过时钟端级联组成模1000计数器，信号作为计数时钟接到第一级的时钟端，使计数器对信号脉冲进行计数。同时，把秒脉冲接到3个计数器的使能端、清零端以及寄存器的时钟端，控制计数器在脉冲高电平时计数，下降沿锁存计数结果，以便输出显示，低电平时清零计数器，以便下一个秒脉冲重新开始计数。

三、系统中的改进建议

（1）改进建议一：可以改进探测方法只用一个探测器判断转向，实现方法有两种：1、用两个反射率不同的反射材料使探测器先后接受不同的光强信号，转化为不同的电压信号，然后将这两个电压信号通过简单的ADC量化编码，如01、11，输入单片机或计算机系统，根据两信号的相位关系进行判向处理。

2、可安装3片不等间距的反射材料，用单片机或计算机系统判断三个信号的相位关系和“间距长短”，然后根据“长间距”与“短间距”的“先后顺序”判向。

（2）改进建议二：对于有辐条结构或有类似镂空结构的飞轮，可不使用反射材料，直接利用辐条的周期性挡光来计数

（3）改进建议三：在实际中反光材料容易受到外界环境的污染，其反光率和反光方向都有可能发生变化，从而影响信号的接受，造成测速和判向的不准确。还有外界的其他光线（如背景光以及干扰光等）的随机影响，也会使探测器接收到的信号无法准确反映飞轮的正确信息。所以可以利用机械或电磁的方法结合光电技术来实现飞轮转速和方向的测量。