一種新型的轉子旋轉速度大小及方向的測量裝置

目前現有技術(shù)中比較先進(jìn)的轉子速度測量裝置主要是利用轉子的旋轉帶動(dòng)測量裝置內的轉盤(pán)轉動(dòng)，再對轉盤(pán)進(jìn)行光電的或電磁的測量，將轉盤(pán)的轉速信號轉換為電信號，然后再通過(guò)后續處理電路（或二次儀表）進(jìn)行處理，輸出轉子速度的大小及方向。由于進(jìn)行轉速測量時(shí)，測速裝置的轉盤(pán)要與轉子直接接觸，毫幾無(wú)疑問(wèn)對轉子本身的旋轉會(huì )有影響，并且采用該方法進(jìn)行檢測時(shí)，安裝結構也比較復雜。近年來(lái)，隨著(zhù)光電子技術(shù)的發(fā)展，也出現了一些與待測轉子非接觸的轉子速度測量裝置，主要是在轉子的徑向方位上進(jìn)行檢測，這類(lèi)測速方法通常一個(gè)測速傳感器只能夠用來(lái)測量轉子的速度大小，而不能判斷轉子的旋轉方向。

實(shí)際工業(yè)測量中，特別是航空、航天等一些特殊場(chǎng)合，既要檢測轉子的速度大小，又要測量轉子的方向，因此研制一種結構小巧、安裝簡(jiǎn)易方便并且穩定性、可靠性、測量精度都比較高的轉子旋轉速度大小及方向測量裝置，將會(huì )在工業(yè)測量和科學(xué)實(shí)驗中用途廣泛，解決一些關(guān)鍵問(wèn)題。

本研究提出了利用四象限光電探測器對轉子速度大小和方向進(jìn)行檢測的光電測量方法，并研制了測量裝置。該裝置安裝于轉子的軸向位置，只用一個(gè)測速傳感器即可實(shí)現轉子轉動(dòng)速度大小及方向的在線(xiàn)檢測。

1 轉子速度大小及方向檢測原理

圖1為轉子速度大小及方向的測量原理示意圖。在轉子頂端面的中心點(diǎn)一側粘貼一高反射率薄膜，其對光的反射率明顯高于轉子端面的其余部分，經(jīng)過(guò)光學(xué)系統后，在四象限光電探測器光敏面上的成像如圖1所示。

光照在四象限探測器的光敏面上后，4個(gè)硅光電管產(chǎn)生的電壓分別為：V1、V2、V3和V4，對四象限探測器輸出信號進(jìn)行和差處理，得到A、B兩路信號VA和VB：

假設光斑是光強均勻分布的圓斑，轉子逆時(shí)針旋轉，從與X軸正向重合的方向開(kāi)始旋轉，可以計算并仿真出A、B兩路的輸出信號波形如圖2。A、B兩路信號均為過(guò)零點(diǎn)的交流信號，A相位超前于B相位90°。采用類(lèi)似的方法，可以得到轉子順時(shí)針旋轉時(shí)A，B兩路的輸出波形如圖3，此時(shí)A的相位落后B的相位90°。

因此，利用四象限光電探測器用于轉子的轉速測量時(shí)，可以得到位相差90°的兩路信號。將這兩路信號進(jìn)行四倍頻及辨向處理后，得到用于測速的四倍頻脈沖信號和判斷正反轉的信號，再將它們送入單片機進(jìn)行信號處理計算，就可以計，算出轉子的轉速，同時(shí)輸出轉子的旋轉方向。

2 測速傳感器結構及測量系統組成

圖4為測速傳感器的光電成像系統結構示意圖。高亮度的發(fā)光二極管發(fā)出的光經(jīng)半透半反棱鏡后，由透鏡聚焦到轉子的端面上。從端面上反射回來(lái)的光，再經(jīng)過(guò)透鏡和半透半反棱鏡成像到四象限光電探測器的光敏面上。只有聚焦到高反射率薄膜上的光才能反射回到光電探測器。轉子旋轉時(shí)，成像到光電探測器上的光斑的位置會(huì )相應的變化。

圖5為整體系統示意圖。轉子的頂端面中心點(diǎn)一側粘貼有高反射率薄膜，測量裝置由測速傳感器和信號處理系統兩部分組成。測速傳感器包含光電成像系統和前置放大電路兩部分。信號處理部分由加減法處理電路，四倍頻及辨向電路，單片機和數字顯示系統組成。在單片機中，采用測量脈沖周期和脈沖個(gè)數相結合的方法計算轉子的旋轉頻率即轉速，然后將轉子的旋轉速度大小及旋轉方向通過(guò)數字顯示輸出。

3 信號處理

圖6為四象限探測器的前置放大電路及和差處理電路框圖。四象限光電探測器將接收到的光信號轉換為電信號后，分別經(jīng)過(guò)前置放大電路將電流信號轉換為電壓信號。運放器件選用高精度貼片式的快速運放，整個(gè)前置放大電路板很小，和四象限光電探測器一起封裝在測速傳感器內，以避免外部電磁干擾對測量信號的影響。上述輸出的電壓信號，經(jīng)過(guò)和差處理后輸出A、B兩路信號， A路、B 路信號為類(lèi)似于正弦的信號。由于采用了差動(dòng)信號處理的方式，可以有效克服系統噪聲的影響及外部干擾信號的影響。

將上述的A路、B路信號分別送入高速電壓比較器組成的過(guò)零檢測電路，得到兩路方波信號，將這兩路信號再送入四倍頻判向處理電路進(jìn)行處理后，得到轉子旋轉頻率的四倍頻信號及轉動(dòng)方向信號，如圖7。由于采用了過(guò)零檢測的信號處理方式，光斑的強度變化不會(huì )影響轉速的測量。

4 單片機轉速計量系統

采用測量脈沖周期和測量脈沖個(gè)數相結合的方法，對轉速進(jìn)行計量。圖8是以單片機為核心的信號處理結構框圖。四倍頻信號和轉速辨向信號分別接到單片機的T0接口和P3. 0 口，采用89C51單片機，使用頻率為12MHz的晶振。計算數據可以進(jìn)行數字顯示，也可以通過(guò)光電隔離的RS485接口，進(jìn)行串行數據輸出。為了單片機可靠工作，選用了X5045 芯片，該芯片集E2 PROM、電源監視和看門(mén)狗電路于一體，用于保存校準參數和系統參數以及對單片機運行情況進(jìn)行監控。電路設計時(shí)，利用了SP I串行接口的特點(diǎn)，使測量?jì)x器體積小、功耗低、工作穩定可靠。經(jīng)實(shí)驗測試，測量裝置的轉速測量范圍為1～200 000 r/min，測量相對誤差為±0. 001%。

圖8單片機系統框圖

5 結束語(yǔ)

該測量裝置具有突出的特點(diǎn)：采用四象限硅光電探測器作為檢測元件直接用來(lái)對轉子的轉速進(jìn)行非接觸測量，既能測量轉子的轉速大小，又能測量轉子的旋轉方向；測量裝置小巧、簡(jiǎn)單；可以有效克服噪聲的影響及外部干擾信號的影響；也可以克服光斑強度的變化對測量結果的影響；具有很高的測量穩定性和測試精度。實(shí)現了只用一個(gè)測速傳感器即可對轉子旋轉速度大小及方向進(jìn)行在線(xiàn)檢測的測量方法。