一種新型的轉子旋轉速度大小及方向的測量裝置

目前現有技術中比較先進的轉子速度測量裝置主要是利用轉子的旋轉帶動測量裝置內的轉盤轉動，再對轉盤進行光電的或電磁的測量，將轉盤的轉速信號轉換為電信號，然后再通過后續(xù)處理電路（或二次儀表）進行處理，輸出轉子速度的大小及方向。由于進行轉速測量時，測速裝置的轉盤要與轉子直接接觸，毫幾無疑問對轉子本身的旋轉會有影響，并且采用該方法進行檢測時，安裝結構也比較復雜。近年來，隨著光電子技術的發(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行檢測，這類測速方法通常一個測速傳感器只能夠用來測量轉子的速度大小，而不能判斷轉子的旋轉方向。

實際工業(yè)測量中，特別是航空、航天等一些特殊場合，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、安裝簡易方便并且穩(wěn)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，將會在工業(yè)測量和科學實驗中用途廣泛，解決一些關鍵問題。

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，只用一個測速傳感器即可實現轉子轉動速度大小及方向的在線檢測。

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，經過光學系統(tǒng)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個硅光電管產生的電壓分別為：V1、V2、V3和V4，對四象限探測器輸出信號進行和差處理，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，轉子逆時針旋轉，從與X軸正向重合的方向開始旋轉，可以計算并仿真出A、B兩路的輸出信號波形如圖2。A、B兩路信號均為過零點的交流信號，A相位超前于B相位90°。采用類似的方法，可以得到轉子順時針旋轉時A，B兩路的輸出波形如圖3，此時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，可以得到位相差90°的兩路信號。將這兩路信號進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行信號處理計算，就可以計，算出轉子的轉速，同時輸出轉子的旋轉方向。

2 測速傳感器結構及測量系統(tǒng)組成

圖4為測速傳感器的光電成像系統(tǒng)結構示意圖。高亮度的發(fā)光二極管發(fā)出的光經半透半反棱鏡后，由透鏡聚焦到轉子的端面上。從端面上反射回來的光，再經過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，成像到光電探測器上的光斑的位置會相應的變化。

圖5為整體系統(tǒng)示意圖。轉子的頂端面中心點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(tǒng)兩部分組成。測速傳感器包含光電成像系統(tǒng)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(tǒng)組成。在單片機中，采用測量脈沖周期和脈沖個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，分別經過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，經過和差處理后輸出A、B兩路信號， A路、B 路信號為類似于正弦的信號。由于采用了差動信號處理的方式，可以有效克服系統(tǒng)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行處理后，得到轉子旋轉頻率的四倍頻信號及轉動方向信號，如圖7。由于采用了過零檢測的信號處理方式，光斑的強度變化不會影響轉速的測量。

4 單片機轉速計量系統(tǒng)

采用測量脈沖周期和測量脈沖個數相結合的方法，對轉速進行計量。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。計算數據可以進行數字顯示，也可以通過光電隔離的RS485接口，進行串行數據輸出。為了單片機可靠工作，選用了X5045 芯片，該芯片集E2 PROM、電源監(jiān)視和看門狗電路于一體，用于保存校準參數和系統(tǒng)參數以及對單片機運行情況進行監(jiān)控。電路設計時，利用了SP I串行接口的特點，使測量儀器體積小、功耗低、工作穩(wěn)定可靠。經實驗測試，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(tǒng)框圖

5 結束語

該測量裝置具有突出的特點：采用四象限硅光電探測器作為檢測元件直接用來對轉子的轉速進行非接觸測量，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(wěn)定性和測試精度。實現了只用一個測速傳感器即可對轉子旋轉速度大小及方向進行在線檢測的測量方法。