非接觸光電式速度傳感器的研究與應(yīng)用

1、實(shí)用技術(shù)非接觸光電式速度傳感器的研究與應(yīng)用 3史國生 1, 張為公 2(1. 南京師范大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院 , 江蘇 南京 210042; 2. 東南大學(xué) 儀器科學(xué)與工程系 , 江蘇 南京 210096摘 要 :討論了光電式速度傳感器光學(xué)系統(tǒng)對路面模型的處理 , 硅光電池轉(zhuǎn)換光電信號的原理以及對實(shí) 際路面的分析 。 闡述了光電式速度傳感器獲取光電信號 , 、 波形預(yù)處理 及應(yīng)用 。關(guān)鍵詞 :光電式速度傳感器 ; 速度檢測 ; 光電信號轉(zhuǎn)換 ;中圖分類號 :TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 :A 9787 -03R esearch and photoelectric speed sensor 21,

2、ZHAN G Wei 2gong 2(of E lct E ngin , N anjing N ormal U niversity , N anjing 210042,China ;2. of Instr Sci and E ngin ,Southeast U niversity , N anjing 210096,ChinaAbstract :The optic system of photoelectric s peed sensor and how to use it deal with the road model ,the princi 2 ple on photoelectric

3、signal conversion of the silicon photoelectric battery and analysis to real road surface are dis 2 cussed. To obtain photoelectric signal of the photoelectric speed sensor ,tracking to filtering narrow band random base -wave which is output , voltage wave beforehand transaction and a pplication are

4、expounded.K ey w ords :photoelectric s peed sensor ; s peed detection ; photoelectric signal transformation ; transaction0 引 言隨著現(xiàn)代光電子技術(shù)的迅速發(fā)展 , 促進(jìn)了光電 式速度傳感器的研究 、 開發(fā)和應(yīng)用 , 為車輛性能測試 提供了方便 、 快捷 、 精確的檢測手段 。 光電式速度傳 感器可以測量速度 、 加速度及位移等多種物理量 , 具 有非接觸 、 寬測速范圍 , 高準(zhǔn)確度 、 高分辨力 、 高可靠 性和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn) , 應(yīng)用廣泛 。1 光電式速度傳感器的測

5、速機(jī)理光電式速度傳感器由光學(xué)系統(tǒng)及大面積梳狀硅 光電池組合構(gòu)成 。將傳感器安裝在汽車上 , 鏡頭對 準(zhǔn)燈光照射的地面 (晴朗天氣可以不用燈光照射 , 如圖 1所示 。 汽車行駛時(shí) , 地面雜亂花紋通過光學(xué) 系統(tǒng) , 在光電器件上成像 , 并掃描梳狀硅光電池 , 經(jīng) 光電轉(zhuǎn)換和空間濾波等處理后 , 光電傳感器輸出周 期性的隨機(jī)窄帶信號 , 該信號的基波頻率正比于汽 車行駛速度 , 并且每一周期嚴(yán)格對應(yīng)地面上走過的 一段距離 , 經(jīng)過帶通跟蹤濾波器濾波和整形等預(yù)處 理后 , 即可得到隨車速變化的脈沖信號 。收稿日期 :2002-06-203基金項(xiàng)目 :江蘇省教育廳自然科學(xué)基金項(xiàng)目 ( 01K JB

6、470002 ;圖 1 光電式速度傳感器的工作示意圖Fig 1 Working hint diagram of photoelectric speed sensor 1. 1 光學(xué)系統(tǒng)對路面模型的處理路面上存在著許多大小不等的顆粒 , 這些顆粒 對光線的反射能力各不相同 , 看上去形成大大小小 明暗不同的斑點(diǎn) 。光電式速度傳感器的光學(xué)系 統(tǒng) 1將從路面反射的斑點(diǎn)圖案中 , 區(qū)別出一定間隔 區(qū)間內(nèi)反射光線變化的規(guī)律 , 轉(zhuǎn)換成周期變化的不 同濃淡色調(diào)模塊 。73 2002年 第 21卷 第 10期 傳感器技術(shù) (Journal of Transducer Technology 當(dāng)光電式速度傳感器

7、沿路面 (X 方向 垂直運(yùn) 動(dòng)時(shí) , 它感受的是 X 方向的濃淡信息 。 它的光學(xué)系 統(tǒng)在所涉及的范圍內(nèi)沿 X 方向把路面模型轉(zhuǎn)化為 不同濃淡和不同高度的條紋圖形 。 條紋圖形中的每 一條紋是沿 Y 方向?qū)獾潭绕骄幚砗笮纬?的 。 為了使產(chǎn)生的信號具有規(guī)律性 , Y 方向的條紋 圖形通過光學(xué)分解成周期變化的三種不同濃淡色調(diào) 模塊 , 路面模型在傳感器中所產(chǎn)生的變化光信號可 以看成是這三種濃淡色調(diào)模塊 1、 2、 3所產(chǎn)生的光信 號的合成 。1. 2硅光電池中光電信號的轉(zhuǎn)換將均勻分布的若干個(gè)硅光電池按偶數(shù)和奇數(shù)并 聯(lián)在一起 , 即每隔一個(gè)聯(lián)在一起 ,狀光電池組 A 和 B 。的情況下 ,

8、 A的強(qiáng)弱 , , 若色 調(diào)模塊 1和色調(diào)模塊 2隨路面反射光濃淡分量的變 化周期與光電池的分布間隔不一致 , 則它們在兩組 光電池中產(chǎn)生的光電流 I A 、 I B 相位相同 , 大小相等 , 它們的電流差值 I A -I B 0, 圖 2(a 是色調(diào)模塊 1、 2與光電池作用下產(chǎn)生的光電流波形 ; 若色調(diào)模塊 3的變化周期與光電池的分布間隔一致 , 則它在兩組 光電池中產(chǎn)生的光電流 I A 和 I B 的相位相反 , 電流 差值 I A -I B 0, 合成的光電流將呈現(xiàn)出與色調(diào)模 塊 3相同的周期性 。 波形如圖 2(b 所示 。 這樣 , 就將 看起來雜亂的路面反射斑點(diǎn)圖案分解成了若干

9、按規(guī)律 變化的濃淡色調(diào)模塊 , 并利用其中的某一色調(diào)的周期 性變化 , 產(chǎn)生與該色調(diào)周期性變化相同的光電信號。 根據(jù)上述道理 , 如果其它的色調(diào)模塊 (例如色 調(diào)模塊 1 與光電池的分布間隔相對應(yīng) , 同樣可以按 這個(gè)色調(diào)模塊的變化周期形成有用的光電流信號 。 1. 3與實(shí)際路面的對應(yīng)實(shí)際路面的濃淡斑點(diǎn)要比上述路面模型復(fù)雜得 多 , 可能不僅僅是由三種色調(diào)模塊的分量構(gòu)成 , 而是 同許多連續(xù)變化的分量構(gòu)成的 。 在這些連續(xù)變化的 分量中到底選取那一個(gè)分量作為色調(diào)模塊和對應(yīng)的 信號輸出 , 取決于傳感器中光學(xué)系統(tǒng)和光電池的結(jié) 構(gòu) 。 既然路面反射斑點(diǎn)有許多連續(xù)變化的分量 , 那么 無論怎樣設(shè)計(jì)傳

10、感器的光學(xué)系統(tǒng)及光電池的尺寸 , 總會(huì)有相對的分量通過一定的空間濾波器濾波被檢 測出來 , 因此 , 采用合適的空間濾波器不僅可以保證 測速范圍 , 還可以保證具有與速度一致的基頻分量 輸出 。2 光電信號的預(yù)處理光電式速度傳感器輸出的電信號是一個(gè)周期性 的隨機(jī)信號 , 其基頻與速度有一定的關(guān)系 , 需要經(jīng)過 信號預(yù)處理后 , 才能輸入微機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) , 按照一 定的數(shù)學(xué)模型處理 , 才能反映車速等相關(guān)性能的技 術(shù)參數(shù) 。2. 1光電信號的獲取設(shè)地面上有一個(gè)點(diǎn) , 當(dāng)它的反射光線照在運(yùn)動(dòng) 的傳感器上 , , 3所示 。圖 2合成光電流Fig 2 Synthesis of light curr

11、ent圖 3反射光在光電池中產(chǎn)生電信號示意圖Fig 3 H int diagram of reflex light spot give rise to electrical signal in light b attery由于光電池產(chǎn)生的伏特效應(yīng)與反射光通量成 正比 。 當(dāng)光點(diǎn)掃描梳狀光電池某個(gè)齒時(shí) , 光通量由小 變大 , 以后又逐漸變小至零 ; 等掃到下一個(gè)齒時(shí)重復(fù) 上述過程 。 因此產(chǎn)生的光生電流也同樣經(jīng)過一個(gè)齒 時(shí)由小到大又由大到小至零 2。 這樣周而復(fù)始便產(chǎn) 生了一個(gè)隨時(shí)間變化的周期性隨機(jī)信號 , 該信號定 為器件信號 f s (t ; 道路的斑點(diǎn)是一個(gè)隨機(jī)現(xiàn)象 , 沿 傳感器運(yùn)動(dòng)的

12、方向 (X 方向 產(chǎn)生的濃淡程度也可 以用一個(gè)周期性隨機(jī)信號表示 , 因該信號是道路固83 傳 感 器 技 術(shù) 第 21卷有的 , 所以定義為道路信號 f d (t 。 道路信號可以認(rèn) 為是光敏器件信號 f s (t 的光點(diǎn) , 這樣在傳感器中 產(chǎn)生的綜合電信號 f (t 實(shí)際上是器件信號與道路 信號的乘積 。 即f (t =f s (t ×f d (t .f (t 信號是在 A 邊或 B 邊的梳狀光電池上產(chǎn)生的 , 從圖 3可以看出梳狀光電池每個(gè)齒相隔 360°電角度 。 而 A 邊與 B 邊是對插在一起的 , 所以 A 邊 和 B 邊產(chǎn)生的兩個(gè)周期性隨機(jī)綜合電信號 f

13、A (t 和f B (t 相差 180°(反相 , 它們是傅氏級數(shù)表達(dá)式 , 兩 個(gè)級數(shù)相減即可得到一個(gè)只含奇次分量的新函數(shù) 。 經(jīng)過空間濾波器濾波 , 輸出是一個(gè)隨機(jī)窄帶正弦基 波 , 其頻率 f 正比于汽車的速度 。 2. 2信號的預(yù)處理正弦波信號 , 速度的脈沖信號 。 4所示 , 其中鎖相環(huán)跟蹤濾波器 、 整形及電平轉(zhuǎn)換是信號預(yù)處理部分 。圖 4光電信號處理原理框圖Fig 4 Photoelectric signal transaction principle easel ch art信號預(yù)處理首先要解決的是如何跟蹤濾波不 同速度的正弦基波 , 通?？梢圆捎眉涉i相環(huán)電路 構(gòu)

14、成窄帶跟蹤濾波器3, 只要傳感器輸出的某一速度正弦基波頻率的變化在跟蹤濾波器的跟蹤范圍 , 就可以實(shí)現(xiàn)精確跟蹤濾波 , 使輸出信號頻率等于該 速度的輸入基波頻率 。其次是對通過跟蹤濾波器的單一頻率信號預(yù)處 理成標(biāo)準(zhǔn)的 TTL 電平脈沖后 , 才能輸入微機(jī)數(shù)據(jù)采 集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理 。 通常可以采用整形及電平轉(zhuǎn) 換電路來實(shí)現(xiàn) 。 2. 3數(shù)據(jù)處理通過預(yù)處理得到的標(biāo)準(zhǔn) TTL 脈沖信號經(jīng)微機(jī) 數(shù)據(jù)采集 , 可以按以下的數(shù)學(xué)模型數(shù)據(jù)進(jìn)行處理 , 得 到檢測的速度為v =采集時(shí)間×3600(km/h ,式中 v 是速度 ; f 是脈沖信號頻率 ; 脈沖當(dāng)量表示脈沖一個(gè)周期嚴(yán)格對應(yīng)地面移過的距

15、離 , 單位是mm /脈沖 , 脈沖當(dāng)量越小 , 分辨力越好 。 3 應(yīng) 用采用光電式速度傳感器 、 數(shù)據(jù)預(yù)處理電路和微 機(jī)多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成的車輛道路性能檢測器 , 可以為交通部門提供方便 、 快捷 、 準(zhǔn)確 、 高效的車輛 外場路面行駛性能檢測和新型車輛性能測試 , 是一 種先進(jìn)的車輛性能虛擬測量系統(tǒng) 。 它不僅能測量速 度 , 也可以檢測加速度 、 距離 、 車輛制動(dòng)等多種性 能 4, 例如 , , 可按下 t d t是制動(dòng)減速度 ; v n +1、 v n 是 n +1、 n 時(shí)刻 的速度 ; t =t n +1-t n 是采樣時(shí)間間隔 。其車輪抱死滑移率為s =v×100

16、%, 式中 s 為車輪抱死滑移率 ; v 是車速 ; r 是車輪滾 動(dòng)半徑 ; 是車輪滾動(dòng)角速度 。 4 結(jié)束語采用光電式速度傳感器的車輛道路性能檢測 器 , 經(jīng)現(xiàn)場反復(fù)測量與 “ 標(biāo)定” 值比對 , 其性能指標(biāo)為 (1 測速范圍 :0.5250km/h (對應(yīng)頻率范圍 35Hz17. 36kHz ; (2 脈沖當(dāng)量 :4mm/脈沖 ; (3 消除安 裝帶來的附加誤差后 , 測量準(zhǔn)確度為 ±0. 3%; (4 重 復(fù)測量準(zhǔn)確度小于 0. 15%; (5 可隨機(jī)顯示 、 存儲 、 打印 。該儀器經(jīng)過使用 , 具有測量速度快 , 精確 , 功能 擴(kuò)展性好 , 性價(jià)比高 , 性能穩(wěn)定 , 能適應(yīng)各種機(jī)動(dòng)車 輛性能測量 。 參考文獻(xiàn) :1 侯國章 . 測試與傳感技術(shù) M .哈爾濱 :哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社 ,2000. 150-154.2 張 靖 , 劉少強(qiáng) . 檢測技術(shù)與系統(tǒng)設(shè)計(jì) M .