非接触光电式速度传感器的研究与应用

(

JournalofTransducerTechnology)　2002年第21卷第10期　　　　　　　　　　传感器技术　

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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)--03

Researchandphotoelectricspeedsensor

21,ZHANGWei2gong2

(ofElctEngin,NanjingNormalUniversity,Nanjing210042,China;

2.ofInstrSciandEngin,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China)

Abstract:Theopticsystemofphotoelectricspeedsensorandhowtouseitdealwiththeroadmodel,theprinci2pleonphotoelectricsignalconversionofthesiliconphotoelectricbatteryandanalysistorealroadsurfacearedis2cussed.Toobtainphotoelectricsignalofthephotoelectricspeedsensor,trackingtofilteringnarrowbandrandombase-wavewhichisoutput,voltagewavebeforehandtransactionandapplicationareexpounded.Keywords:photoelectricspeedsensor;speeddetection;photoelectricsignaltransformation;transaction

0　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:2002-06-20

3基金项目:江苏省教育厅自然科学基金项目(

01KJB470002);

图1　光电式速度传感器的工作示意图

Fig1　Workinghintdiagramofphotoelectricspeedsensor

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。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　传

感器技术　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第21卷38

　　当光电式速度传感器沿路面(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

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。

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,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IA、IB相位相同,大小相等,它们的电流差值IA-IB≈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IA和IB的相位相反,电流差值IA-IB≠0,合成的光电流将呈现出与色调模这样,就将块3相同的周期性。波形如图2(b)所示。看起来杂乱的路面反射斑点图案分解成了若干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

图3　反射光在光电池中产生电信号示意图

Fig3　Hintdiagramofreflexlightspotgiverisetoelectrical

signalinlightbattery

图

2　合成光电流

Fig2　Synthesisoflightcurrent

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

　　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fs(t);道路的斑点是一个随机现象,沿传感器运动的方向(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

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有的,所以定义为道路信号fd(t)。道路信号可以认为是光敏器件信号fs(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)=fs(t)×fd(t).

f(t)信号是在A边或B边的梳状光电池上产

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fA

(t)和

(反相),它们是傅氏级数表达式,两fB(t)相差180°

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

　

是制动减速度;vn+1、vn是n+1、n时刻dt

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

的速度;Δt=tn+1-tn是采样时间间隔

。

其车轮抱死滑移率为

s=

×100%,v

信号预处理部分。

式中　s为车轮抱死滑移率;v是车速;r是车轮滚动半径;ω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:0.5～250km/h(对应频率范围35Hz

图4　光电信号处理原理框图

Fig4　Photoelectricsignaltransactionprincipleeaselchart

～17.36kHz);(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

　　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

社,2000.150-154.

[2]　张　靖,刘少强.检测技术与系统设计[M].北京:中国电力出

版社,2002.160-163.

[3]　万心平,张厥盛.集成锁相环路原理、特性、应用[M].北京:人

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

×3600(km/h),

采集时间

式中　v是速度;f是脉冲信号频率;脉冲当量表示

v=

民邮电出版社,1990.62-64.

[4]　宋国民,崔砚宏.汽车虚拟测试系统的研究与发展[J].世界汽

车,2000,(7):12-13.

作者简介:

史国生(1951-),男,江苏宜兴人,副教授,电气自动化系副主任。主要从事传感器检测、自动控制系统、PLC控制系统方面的教学与研究。

脉冲一个周期严格对应地面移过的距离,单位是