基于光学鼠标传感器的转速测量方法研究_图文

1、年第卷第期传感器与微系统（）基于光学鼠标传感器的转速测量方法研究水刘冬冬，姜炜，张天宏（南京航空航天大学能源与动力学院。江苏南京）摘要：提出了一种基于光学鼠标传感器的转速测量方法。分析了转速测量原理，解决了光学鼠标传感器的软件初始化和镜头对焦等关键问题，设计了基于光学鼠标传感器的转速测量试验系统。试验结果表明：这种方法能准确判别转向，对于本试验系统，在范围内具有良好的线性度和快速响应性。该方法适用于低速转动部件的转速测量与转向判别。关键词：转速测量；转向判别；光学鼠标传感器；相机中圈分类号：文献标识码：文章编号：（）术，（，）：，：；引育转速测量是机电产品的研究开发、测试分析、质量检验、安全及

2、优化控制等工作中所必不可少的内容。目前，对转子速度的测量方法主要有机械式测量、基于电感式传感器、电涡流传感器及光电传感器测量等几种。这些传统的测量方法通常只能测量转速大小，如要进行方向判别会使其结构复杂；且存在较大的测速阈值，在转速比较高时测速效果较好，当转速较低时误差就逐渐增大、实时性变差，甚至无法测速旧。在现代运动测量中，基于计算机视觉技术的转速测量装置得到了广泛的应用“。这些装置弥补了传统测量装置的缺点，但设备结构复杂、成本高昂，难以作为一般的转速测量设备推广使用。 针对以上问题，本文提出了一种基于光学鼠标传感器的转速测量方法。分析了转速测量原理，重点研究了光学鼠标传感器的软件初始化、镜

3、头对焦及转速收稿日期：一基金项目：总装预研基金资助项目计算等关键问题，并对这种方法进行了试验验证。基于光学鼠标传感器的转速测量原理光学鼠标传感器光学鼠标传感器是一种高度集成的数字图像处理系统，其内部集成了相机和微处理器，能够实现在二维平面的定位。定位原理如图所示，相机伴随着鼠标移动对探测表面连续拍照，处理器提取每张照片里的特征像素，通过比较相邻张照片里同一个特征像素的位置变化，就可以计算得到鼠标在这张照片拍摄时间间隔内的位移增量。圈光学鼠标传感器定位原理传感器与微系统第卷转速测量原理光学鼠标传感器输出的定位信息反映了鼠标在一段时间内位移的大小和方向，若知道运动时间就可以根据定位信息计算出鼠标在

4、这段时间内的平均速度。基于这种思想，本文提出采用光学鼠标传感器探测转轴表面切向速度的大小和方向，从而进行转速计算和转向判别。转速测量原理如图所示，系统上电与初始化完成后开始工作，半导体激光器照亮转轴测量段表面，光学鼠标传感器探测转轴照亮部分，单片机模块定时读取传感器输出的定位信息，并计算、判别得到转速和转向。一图转速测量原理示意图表为光学鼠标传感器输出的定位信息的数据格式，表示相对上一次定位信息输出时刻鼠标的位移增量，其输出值在一之间。数值的正负表示了位移增量的方向，所以，由定位信息可以轻易、准确地判别当前转向。但要得到真实的转速，就是要准确地测量转轴表面的切向速度，用切向速度除以转轴的横截面

5、周长就可以得到转速大小。在用作转速测量时，根据光学鼠标传感器安装方向，只需要，中一个方向的数据就可以计算转速。由于光学鼠标传感器内部的相机的分辨率有限，它的每一次位移测量都存在取整误差，实际测量时安装误差、对焦误差，振动等因素也会影响传感器的测量精度。因此，需要对传感器输出的定位信息进行处理，以得到可信度较高的位移增量，进而计算转轴表面的切向速度和转轴转速。本文采用平均值法对多组定位信息进行滤波，给出转速的计算方法，采用方向的位移增量计算转速。表光学鼠标传感器的输出数据格式工比设转轴测量段直径为（），测量段表面的切向速度乃”。（），转轴转速为。（），成像倍率（像高：物高）。为，。，相机的分辨率

6、为（），这里，分辨率的物理意义指在成像倍率为时方向发生位移传感器输出的位移增量，每个定时间隔内传感器方向输出的位移增量为。，定时间隔为（），每次转速计算读取组数据，则次位移增量的平均值为百。；（）测量段表面的切向速度为旷筹（）（）所以，转轴转速为。，而。（）（）由公式（）式（）可以看出：在一定的测量系统中。，都为确定值，转速仅取决于光学鼠标传感器在单位时间输出的位移增量。，而该传感器在设计速度范围内是线性的。所以，理论上基于光学鼠标传感器的转速测量方法是线性的。试验系统设计为了验证这种转速测量方法的可行性，设计了基于光学鼠标传感器的转速测量试验系统。如图所示，试验系统由光学鼠标传感器、测速平台

7、、半导体激光器、镜头及单片机模块组成。其中，单片机模块以普通位单片机为核心设计，主要实现光学鼠标传感器的软件初始化、图像获取、定位信息读取、转速计算、转向判别、显示及通信等功能。本试验系统设计的关键在于光学通道设计和光学鼠标传感器的软件初始化。光学通道设计如图所示，测速平台为可以正反转的电机带动的一根旋转轴，在该转轴末端延伸一段直径为的测量段。对测量段表面做纹理化处理，这有利于提高光学鼠标传感器的探测灵敏度。由于传感器内部的相机只对波长在附近的光敏感，所以，采用自带光束调制透镜、发射波长为的半导体激光器作为光源。通过透镜调制激光投射到测量段表面的光斑大小，保证在此光斑范围内光照强度尽量一致，这

8、有利于传感器的可靠工作。光学鼠标传感器的软件初始化图为软件初始化流程图。首先，必须按规定时序下载一段字节的固件代码到传感器内部的中；然后，读取固件的校验结果，若正确，则可以进行后续操作，否则，必须重新下载，直到读到正确的校验结果。最后，对传感器的帧速率、工作模式等寄存器进行配置。初始化完成后，单片机每次必须连续访问，这个寄存器，才可以获得有效的定位信息。第期刘冬冬，等：基于光学鼠标传感器的转速测量方法研究图光学鼠标传感器软件初始化流程图还提供了图像获取功能，通过特殊的寄存器操作可以获得传感器内部相机拍摄的照片，这个功能在试验时可以用来对焦、计算成像倍率。试验验证与结果分析试验方法按照图搭建好试

9、验系统，取转轴测量段直径，使用光电式转速表标定试验结果。在转轴静止时，用单片机读取相机拍摄到的照片的像素信息并通过串口上传到计算机，在环境下利用这些像素信息复现相机拍摄到的照片。然后，不断调节物距、像距直到得到较清晰的照片。对焦后根据测量段表面的实际纹理宽度，相机的有效感光面积和纹理在照片里面的比例可以计算得到当前的成像倍率为旷糕甓糕器擎等乩”物高实际纹理宽度一”测速精度试验结果表明：本方法对转轴转向的判别非常准确。由于试验用电机的最低转速只能达到左右，并不能充分体现本方法测量低转速的优势，但由表可以看出：转速越低，测速精度越高。为了进一步提高测速精度，采用最小二乘法对试验数据进行了拟合。根据

10、试验结果将拟合级数设置为，得到的拟合公式为（）表中，为标定用光电转速表的测量值，。，表示拟合前的测量值。为拟合前。相对，的示值误差，。为拟合后的测量值，。为拟合后。相对，的示值误差。可以看出：拟合后在较高转速时，测速精度有明显提高，但在较低转速时效果不明显。表试验结果序号。（）（）测速范围由光学鼠标传感器的工作原理可以推知，只要转轴匀速转动，不论转速多小，传感器都能探测到转轴的转动，因此，可以认为这种方法能测量的最小转速。（）（）由式（）一式（）可以得到本方法能测量的最大转速。警（）（）公式（）中”是当成像倍率为时光学鼠标传感器所能测量的最大线速度，可以看出：为了增大测速范围可以减小成像倍率。

11、和转轴测量段的直径。在本试验系统中，口。，代人公式（）得。（）。响应速度根据本方法的测速原理可以推知，只要光学鼠标传感器在相邻帧的时间间隔内探测到了移动就可以计算一次转速，而光学鼠标传感器的帧速率一般在帧以上，再考虑到数据传输延迟和转速计算耗时，本方法的理论响应时间在毫秒级。但当转速太低以至于传感器在相邻帧的时间间隔内探测不到移动的时候，响应速度取决于转速，转速越慢响应时间越长。在实际应用中，为了提高测速精度，相邻次定位信息的读取必须相隔一定的时间间隔，并读取组定位信息后，才能计算一次转速。在本试验系统中，时间间隔，所以，响应约为。结论本文提出了一种基于光学鼠标传感器的转速测量方法，分析了转速

12、测量原理，解决了光学鼠标传感器的软件初始化、镜头对焦及转速计算等关键问题，设计了转速测量试验系统。试验表明：这种方法能准确地判别旋转方向，在以下时具有良好的线性度和快速响应性。这种转速测量方法适用于低速转动部件的转速测量和转向判别。此外，这种方法也可以用于微型机电系统的转速测量。（下转第页）传感器与微系统第卷革一要一簧一鬻。蛋频率图相位噪声的功率谱密度将咖（）。，。，代入式（），可以求出环形振荡器输出电压的时域采样（），。利用功率谱估计法，可以估计出输出电压的功率谱密度，如图所示。要一嚣一鬻。唇频率图输出电压的功率谱密度从图和图可知，利用谱综合法求出的相位噪声的时域采样数据，能够有效逼近理论上

13、的功率谱密度。而且，（）一。（。，仿真结果与理论分析结果比较吻合。结论由以上分析可知，利用谱综合法得到的相位噪声的时域采样序列，其功率谱能有效逼近环形振荡器线性化模型的奇异功率谱。根据仿真结果进一步验证了环形振荡器输出电压信号的理论通带谱和相位噪声信号基带谱的近似关系。通过分析相位噪声时域采样序列的自相关序列，可知相位噪声是一个非平稳信号，并有长期的相关性，因此，可以将相位噪声看作是一个长记忆过程。利用谱综合法得到的相位噪声的时域采样信号，可以作为一个相位噪声源，用于分析电荷泵锁相环的离散模型的噪声；也可以作为数字通信仿真中的信道噪声源，用于分析信道相位噪声对调制方式的误码率影响。参考文献：，

14、（）：，：，（）：，（）：，：，（）：，（）：，：，：，：，：作者简介：谭晓昀（一），男，黑龙江哈尔滨人，教授，主要研究方向为传感器技术。字，。扩；、扩扩、。、，扩扩矿，乜；妒、尹、屯扩。、它。、；、（上接第页），参考文献：钱建强，徐平四象限光电探测器用于转速测量的研究，（）：光电工程，（）：，刘海鸥，陈慧岩，余春晖车辆起步车速测量技术的研究传感器与微系统，（）：，（）：王凡，孙文丰，李晓青提高光电型红外转速传感器测量准确度的方法传感器与微系统，（）：作者简介：姜益军，董海风，何小元微电子机械系统中转速测量的光学刘冬冬（一），男，陕西西安人，博士研究生，主要从事航空方法实验力学，（）：发动机测

15、试与控制研究。 基于光学鼠标传感器的转速测量方法研究作者：刘冬冬， 姜炜， 张天宏， LIU Dong-dong， JIANG Wei， ZHANG Tian-hong作者单位：南京航空航天大学,能源与动力学院,江苏,南京,210016刊名：传感器与微系统英文刊名：TRANSDUCER AND MICROSYSTEM TECHNOLOGIES年，卷(期：2008,27(9被引用次数：2次参考文献(6条1. Chou Chien;Kuo Wenchuan;Hsieh Tungsheng A phase sensitive optical rotation measurement in ascattered chiral medium using a Zeeman laser外文期刊 2004(2302. Wang Shigang;Li Qian;Guan Baiqing A computer vision method for measuring angular velocity外文期刊 2007(453. 姜益军;董海凤;何小元 微电子机械系统中转速测量的光学方法期刊论文-实验力学 20