紅外傳感器在速度測量中的應用

紅外線技術(shù)在測速系統(tǒng)中已經(jīng)得到了廣泛應用，許多產(chǎn)品已運用紅外線技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)車輛測速、探測等研究。紅外線應用速度測量領(lǐng)域時，最難克服的是受強太陽光等多種含有紅外線的光源干擾。外界光源的干擾成為紅外線應用于野外的瓶頸。針對此問題，這里提出一種紅外線測速傳感器設計方案，該設計方案能夠為多點測量即時速度和階段加速度提供技術(shù)支持，可應用于公路測速和生產(chǎn)線下料的速度稱量等工業(yè)生產(chǎn)中需要測量速度的環(huán)節(jié)。

1 紅外測速傳感器概述
紅外線對射管的驅(qū)動分為電平型和脈沖型兩種驅(qū)動方式，本系統(tǒng)中紅外傳感器選用脈沖型驅(qū)動方式。由紅外線對射管陣列組成分離型光電傳感器。該傳感器的創(chuàng)新點在于能夠抵抗外界的強光干擾。太陽光中含有對紅外線接收管產(chǎn)生干擾的紅外線，該光線能夠?qū)⒓t外線接收二極管導通，使系統(tǒng)產(chǎn)生誤判，甚至導致整個系統(tǒng)癱瘓。本傳感器的優(yōu)點在于能夠設置多點采集，對射管陣列的間距和陣列數(shù)量可根據(jù)需求選取。

2 紅外線測速傳感器硬件設計
2．1 紅外線發(fā)射管電路設計
發(fā)射管選取SIR204-A型發(fā)射管，該紅外線二極管驅(qū)動電流范嗣為20～100 mA，其正向?qū)▔航禐?．3～1．5 V，發(fā)出紅外線光波長范圍約為835～930 nm，發(fā)射角度為30°，直射時紅外線光強度最大。發(fā)射管驅(qū)動電壓采用脈沖電壓，38 kHz載波頻率，發(fā)送時長為280 μs，占空比為1／2的方波，發(fā)送間隔為720 μs。載波脈沖需要與紅外線接收管的型號相匹配。紅外發(fā)射管能夠匹配光電晶體管、光敏二極管和紅外接收器模塊，紅外傳感器的接收部分選擇了帶有放大和濾波功能的紅外線接收二極管。發(fā)射部分的設計需要考慮到接收部分的制約。經(jīng)過驗證調(diào)制脈沖驅(qū)動電流能夠匹配紅外線接收管，將紅外線接收管導通。驅(qū)動發(fā)射管PWM的波形如圖l所示。

圖2是紅外線發(fā)射管的驅(qū)動電路圖。脈沖信號由R29處輸入，通過NPN型三極管，從而控制紅外發(fā)射管VD3的通斷情況，本電路中單個紅外管驅(qū)動電流選擇值約為20 mA。由于NPN型三極管驅(qū)動電流低于20 mA，需在電路中加入P-mos管增強驅(qū)動能力。R18和R29的電阻值需要匹配，若2個電阻匹配不佳，會造成驅(qū)動脈沖波形毛刺較多，使二極管導通能力減弱，導通時間延遲增大。R18盡量大，能夠減少電路功耗，R18和R29都選用10 kΩ電阻。紅外線發(fā)射管的驅(qū)動不穩(wěn)定，會造成接收判斷失效，驅(qū)動電路的配置要根據(jù)實驗進行匹配。
2．2 紅外線接收管電路設計
紅外線接收管內(nèi)部電路如圖3所示，紅外線接收二極管內(nèi)部電路將導通后微弱脈沖信號放大、濾波整形，輸出單片機可以識別的方波脈沖信號。該類型紅外線接收管導通波長范圍約為850～1 050 nm，紅外線發(fā)射管發(fā)射波長約為875 nm，能夠滿足紅外線接收管導通要求。

紅外線接收管選用HS0038型的紅外一體接收頭，該器件集成度高，能夠以小成本實現(xiàn)圖3所示功能。紅外線接收管需要接收38 kHz左右?guī)挼拿}沖波形，接收發(fā)射管只能接收間歇發(fā)射的紅外線，發(fā)射紅外線過于密集，接收管無法導通，需要予以注意。紅外線發(fā)射管發(fā)出38 kHz載波，將紅外線接收管導通。該波形頻率為1 kHz，周期內(nèi)高電平時間720μs，低電平時間280μs。當有物體遮擋紅外線對射管時，發(fā)射源被遮擋，紅外線接收管無法導通，輸出高電平。由此可以判斷是否有物體從紅外線對射管中間通過。紅外線接收管導通時的輸出波形如圖4所示。