一種新型的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度大小及方向的測量裝置

目前現(xiàn)有技術(shù)中比較先進(jìn)的轉(zhuǎn)子速度測量裝置主要是利用轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)帶動測量裝置內(nèi)的轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動，再對轉(zhuǎn)盤進(jìn)行光電的或電磁的測量，將轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)換為電信號，然后再通過后續(xù)處理電路（或二次儀表）進(jìn)行處理，輸出轉(zhuǎn)子速度的大小及方向。由于進(jìn)行轉(zhuǎn)速測量時，測速裝置的轉(zhuǎn)盤要與轉(zhuǎn)子直接接觸，毫幾無疑問對轉(zhuǎn)子本身的旋轉(zhuǎn)會有影響，并且采用該方法進(jìn)行檢測時，安裝結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜。近年來，隨著光電子技術(shù)的發(fā)展，也出現(xiàn)了一些與待測轉(zhuǎn)子非接觸的轉(zhuǎn)子速度測量裝置，主要是在轉(zhuǎn)子的徑向方位上進(jìn)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(zhuǎn)子的速度大小，而不能判斷轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子的速度大小，又要測量轉(zhuǎn)子的方向，因此研制一種結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度大小及方向測量裝置，將會在工業(yè)測量和科學(xué)實驗中用途廣泛，解決一些關(guān)鍵問題。

本研究提出了利用四象限光電探測器對轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子的軸向位置，只用一個測速傳感器即可實現(xiàn)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動速度大小及方向的在線檢測。

1 轉(zhuǎn)子速度大小及方向檢測原理

圖1為轉(zhuǎn)子速度大小及方向的測量原理示意圖。在轉(zhuǎn)子頂端面的中心點一側(cè)粘貼一高反射率薄膜，其對光的反射率明顯高于轉(zhuǎn)子端面的其余部分，經(jīng)過光學(xué)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(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(shè)光斑是光強(qiáng)均勻分布的圓斑，轉(zhuǎn)子逆時針旋轉(zhuǎn)，從與X軸正向重合的方向開始旋轉(zhuǎn)，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(zhuǎn)子順時針旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速測量時，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(zhuǎn)的信號，再將它們送入單片機(jī)進(jìn)行信號處理計算，就可以計，算出轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，同時輸出轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向。

2 測速傳感器結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)子的端面上。從端面上反射回來的光，再經(jīng)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(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，成像到光電探測器上的光斑的位置會相應(yīng)的變化。

圖5為整體系統(tǒng)示意圖。轉(zhuǎn)子的頂端面中心點一側(cè)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(jī)和數(shù)字顯示系統(tǒng)組成。在單片機(jī)中，采用測量脈沖周期和脈沖個數(shù)相結(jié)合的方法計算轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)頻率即轉(zhuǎn)速，然后將轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度大小及旋轉(zhuǎn)方向通過數(shù)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(zhuǎn)換為電信號后，分別經(jīng)過前置放大電路將電流信號轉(zhuǎn)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(nèi)，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(jìn)行處理后，得到轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率的四倍頻信號及轉(zhuǎn)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(qiáng)度變化不會影響轉(zhuǎn)速的測量。

4 單片機(jī)轉(zhuǎn)速計量系統(tǒng)

采用測量脈沖周期和測量脈沖個數(shù)相結(jié)合的方法，對轉(zhuǎn)速進(jìn)行計量。圖8是以單片機(jī)為核心的信號處理結(jié)構(gòu)框圖。四倍頻信號和轉(zhuǎn)速辨向信號分別接到單片機(jī)的T0接口和P3. 0 口，采用89C51單片機(jī)，使用頻率為12MHz的晶振。計算數(shù)據(jù)可以進(jìn)行數(shù)字顯示，也可以通過光電隔離的RS485接口，進(jìn)行串行數(shù)據(jù)輸出。為了單片機(jī)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(zhǔn)參數(shù)和系統(tǒng)參數(shù)以及對單片機(jī)運行情況進(jìn)行監(jiān)控。電路設(shè)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(jīng)實驗測試，測量裝置的轉(zhuǎn)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(jī)系統(tǒng)框圖

5 結(jié)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(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速進(jìn)行非接觸測量，既能測量轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速大小，又能測量轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)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(qiáng)度的變化對測量結(jié)果的影響；具有很高的測量穩(wěn)定性和測試精度。實現(xiàn)了只用一個測速傳感器即可對轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度大小及方向進(jìn)行在線檢測的測量方法。