非接触光电式速度传感器的研究与应用

1、实用技术非接触光电式速度传感器的研究与应用 3史国生 1, 张为公 2(1. 南京师范大学 电气与电子工程学院 , 江苏 南京 210042; 2. 东南大学 仪器科学与工程系 , 江苏 南京 210096摘 要 :讨论了光电式速度传感器光学系统对路面模型的处理 , 硅光电池转换光电信号的原理以及对实 际路面的分析 。 阐述了光电式速度传感器获取光电信号 , 、 波形预处理 及应用 。关键词 :光电式速度传感器 ; 速度检测 ; 光电信号转换 ;中图分类号 :TP212 文献标识码 :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 言随着现代光电子技术的迅速发展 , 促进了光电 式速度传感器的研究 、 开发和应用 , 为车辆性能测试 提供了方便 、 快捷 、 精确的检测手段 。 光电式速度传 感器可以测量速度 、 加速度及位移等多种物理量 , 具 有非接触 、 宽测速范围 , 高准确度 、 高分辨力 、 高可靠 性和抗干扰能力强等优点 , 应用广泛 。1 光电式速度传感器的测

5、速机理光电式速度传感器由光学系统及大面积梳状硅 光电池组合构成 。将传感器安装在汽车上 , 镜头对 准灯光照射的地面 (晴朗天气可以不用灯光照射 , 如图 1所示 。 汽车行驶时 , 地面杂乱花纹通过光学 系统 , 在光电器件上成像 , 并扫描梳状硅光电池 , 经 光电转换和空间滤波等处理后 , 光电传感器输出周 期性的随机窄带信号 , 该信号的基波频率正比于汽 车行驶速度 , 并且每一周期严格对应地面上走过的 一段距离 , 经过带通跟踪滤波器滤波和整形等预处 理后 , 即可得到随车速变化的脉冲信号 。收稿日期 :2002-06-203基金项目 :江苏省教育厅自然科学基金项目 ( 01K JB

6、470002 ;图 1 光电式速度传感器的工作示意图Fig 1 Working hint diagram of photoelectric speed sensor 1. 1 光学系统对路面模型的处理路面上存在着许多大小不等的颗粒 , 这些颗粒 对光线的反射能力各不相同 , 看上去形成大大小小 明暗不同的斑点 。光电式速度传感器的光学系 统 1将从路面反射的斑点图案中 , 区别出一定间隔 区间内反射光线变化的规律 , 转换成周期变化的不 同浓淡色调模块 。73 2002年 第 21卷 第 10期 传感器技术 (Journal of Transducer Technology 当光电式速度传感器

7、沿路面 (X 方向 垂直运 动时 , 它感受的是 X 方向的浓淡信息 。 它的光学系 统在所涉及的范围内沿 X 方向把路面模型转化为 不同浓淡和不同高度的条纹图形 。 条纹图形中的每 一条纹是沿 Y 方向将浓淡程度平均化处理后形成 的 。 为了使产生的信号具有规律性 , Y 方向的条纹 图形通过光学分解成周期变化的三种不同浓淡色调 模块 , 路面模型在传感器中所产生的变化光信号可 以看成是这三种浓淡色调模块 1、 2、 3所产生的光信 号的合成 。1. 2硅光电池中光电信号的转换将均匀分布的若干个硅光电池按偶数和奇数并 联在一起 , 即每隔一个联在一起 ,状光电池组 A 和 B 。的情况下 ,

8、 A的强弱 , , 若色 调模块 1和色调模块 2随路面反射光浓淡分量的变 化周期与光电池的分布间隔不一致 , 则它们在两组 光电池中产生的光电流 I A 、 I B 相位相同 , 大小相等 , 它们的电流差值 I A -I B 0, 图 2(a 是色调模块 1、 2与光电池作用下产生的光电流波形 ; 若色调模块 3的变化周期与光电池的分布间隔一致 , 则它在两组 光电池中产生的光电流 I A 和 I B 的相位相反 , 电流 差值 I A -I B 0, 合成的光电流将呈现出与色调模 块 3相同的周期性 。 波形如图 2(b 所示 。 这样 , 就将 看起来杂乱的路面反射斑点图案分解成了若干

9、按规律 变化的浓淡色调模块 , 并利用其中的某一色调的周期 性变化 , 产生与该色调周期性变化相同的光电信号。 根据上述道理 , 如果其它的色调模块 (例如色 调模块 1 与光电池的分布间隔相对应 , 同样可以按 这个色调模块的变化周期形成有用的光电流信号 。 1. 3与实际路面的对应实际路面的浓淡斑点要比上述路面模型复杂得 多 , 可能不仅仅是由三种色调模块的分量构成 , 而是 同许多连续变化的分量构成的 。 在这些连续变化的 分量中到底选取那一个分量作为色调模块和对应的 信号输出 , 取决于传感器中光学系统和光电池的结 构 。 既然路面反射斑点有许多连续变化的分量 , 那么 无论怎样设计传

10、感器的光学系统及光电池的尺寸 , 总会有相对的分量通过一定的空间滤波器滤波被检 测出来 , 因此 , 采用合适的空间滤波器不仅可以保证 测速范围 , 还可以保证具有与速度一致的基频分量 输出 。2 光电信号的预处理光电式速度传感器输出的电信号是一个周期性 的随机信号 , 其基频与速度有一定的关系 , 需要经过 信号预处理后 , 才能输入微机数据采集系统 , 按照一 定的数学模型处理 , 才能反映车速等相关性能的技 术参数 。2. 1光电信号的获取设地面上有一个点 , 当它的反射光线照在运动 的传感器上 , , 3所示 。图 2合成光电流Fig 2 Synthesis of light curr

11、ent图 3反射光在光电池中产生电信号示意图Fig 3 H int diagram of reflex light spot give rise to electrical signal in light b attery由于光电池产生的伏特效应与反射光通量成 正比 。 当光点扫描梳状光电池某个齿时 , 光通量由小 变大 , 以后又逐渐变小至零 ; 等扫到下一个齿时重复 上述过程 。 因此产生的光生电流也同样经过一个齿 时由小到大又由大到小至零 2。 这样周而复始便产 生了一个随时间变化的周期性随机信号 , 该信号定 为器件信号 f s (t ; 道路的斑点是一个随机现象 , 沿 传感器运动的

12、方向 (X 方向 产生的浓淡程度也可 以用一个周期性随机信号表示 , 因该信号是道路固83 传 感 器 技 术 第 21卷有的 , 所以定义为道路信号 f d (t 。 道路信号可以认 为是光敏器件信号 f s (t 的光点 , 这样在传感器中 产生的综合电信号 f (t 实际上是器件信号与道路 信号的乘积 。 即f (t =f s (t ×f d (t .f (t 信号是在 A 边或 B 边的梳状光电池上产生的 , 从图 3可以看出梳状光电池每个齿相隔 360°电角度 。 而 A 边与 B 边是对插在一起的 , 所以 A 边 和 B 边产生的两个周期性随机综合电信号 f

13、A (t 和f B (t 相差 180°(反相 , 它们是傅氏级数表达式 , 两 个级数相减即可得到一个只含奇次分量的新函数 。 经过空间滤波器滤波 , 输出是一个随机窄带正弦基 波 , 其频率 f 正比于汽车的速度 。 2. 2信号的预处理正弦波信号 , 速度的脉冲信号 。 4所示 , 其中锁相环跟踪滤波器 、 整形及电平转换是信号预处理部分 。图 4光电信号处理原理框图Fig 4 Photoelectric signal transaction principle easel ch art信号预处理首先要解决的是如何跟踪滤波不 同速度的正弦基波 , 通常可以采用集成锁相环电路 构

14、成窄带跟踪滤波器3, 只要传感器输出的某一速度正弦基波频率的变化在跟踪滤波器的跟踪范围 , 就可以实现精确跟踪滤波 , 使输出信号频率等于该 速度的输入基波频率 。其次是对通过跟踪滤波器的单一频率信号预处 理成标准的 TTL 电平脉冲后 , 才能输入微机数据采 集系统进行数据处理 。 通常可以采用整形及电平转 换电路来实现 。 2. 3数据处理通过预处理得到的标准 TTL 脉冲信号经微机 数据采集 , 可以按以下的数学模型数据进行处理 , 得 到检测的速度为v =采集时间×3600(km/h ,式中 v 是速度 ; f 是脉冲信号频率 ; 脉冲当量表示脉冲一个周期严格对应地面移过的距

15、离 , 单位是mm /脉冲 , 脉冲当量越小 , 分辨力越好 。 3 应 用采用光电式速度传感器 、 数据预处理电路和微 机多路数据采集系统组成的车辆道路性能检测器 , 可以为交通部门提供方便 、 快捷 、 准确 、 高效的车辆 外场路面行驶性能检测和新型车辆性能测试 , 是一 种先进的车辆性能虚拟测量系统 。 它不仅能测量速 度 , 也可以检测加速度 、 距离 、 车辆制动等多种性 能 4, 例如 , , 可按下 t d t是制动减速度 ; v n +1、 v n 是 n +1、 n 时刻 的速度 ; t =t n +1-t n 是采样时间间隔 。其车轮抱死滑移率为s =v×100

16、%, 式中 s 为车轮抱死滑移率 ; v 是车速 ; r 是车轮滚 动半径 ; 是车轮滚动角速度 。 4 结束语采用光电式速度传感器的车辆道路性能检测 器 , 经现场反复测量与 “ 标定” 值比对 , 其性能指标为 (1 测速范围 :0.5250km/h (对应频率范围 35Hz17. 36kHz ; (2 脉冲当量 :4mm/脉冲 ; (3 消除安 装带来的附加误差后 , 测量准确度为 ±0. 3%; (4 重 复测量准确度小于 0. 15%; (5 可随机显示 、 存储 、 打印 。该仪器经过使用 , 具有测量速度快 , 精确 , 功能 扩展性好 , 性价比高 , 性能稳定 , 能适应各种机动车 辆性能测量 。 参考文献 :1 侯国章 . 测试与传感技术 M .哈尔滨 :哈尔滨工业大学出版社 ,2000. 150-154.2 张 靖 , 刘少强 . 检测技术与系统设计 M .