一种新型的转子旋转速度大小及方向的测量装置

目前现有技术中比较先进的转子速度测量装置主要是利用转子的旋转带动测量装置内的转盘转动，再对转盘进行光电的或电磁的测量，将转盘的转速信号转换为电信号，然后再通过后续处理电路（或二次仪表）进行处理，输出转子速度的大小及方向。由于进行转速测量时，测速装置的转盘要与转子直接接触，毫几无疑问对转子本身的旋转会有影响，并且采用该方法进行检测时，安装结构也比较复杂。近年来，随着光电子技术的发展，也出现了一些与待测转子非接触的转子速度测量装置，主要是在转子的径向方位上进行检测，这类测速方法通常一个测速传感器只能够用来测量转子的速度大小，而不能判断转子的旋转方向。

实际工业测量中，特别是航空、航天等一些特殊场合，既要检测转子的速度大小，又要测量转子的方向，因此研制一种结构小巧、安装简易方便并且稳定性、可靠性、测量精度都比较高的转子旋转速度大小及方向测量装置，将会在工业测量和科学实验中用途广泛，解决一些关键问题。

本研究提出了利用四象限光电探测器对转子速度大小和方向进行检测的光电测量方法，并研制了测量装置。该装置安装于转子的轴向位置，只用一个测速传感器即可实现转子转动速度大小及方向的在线检测。

1 转子速度大小及方向检测原理

图1为转子速度大小及方向的测量原理示意图。在转子顶端面的中心点一侧粘贴一高反射率薄膜，其对光的反射率明显高于转子端面的其余部分，经过光学系统后，在四象限光电探测器光敏面上的成像如图1所示。

光照在四象限探测器的光敏面上后，4个硅光电管产生的电压分别为：V1、V2、V3和V4，对四象限探测器输出信号进行和差处理，得到A、B两路信号VA和VB：

假设光斑是光强均匀分布的圆斑，转子逆时针旋转，从与X轴正向重合的方向开始旋转，可以计算并仿真出A、B两路的输出信号波形如图2。A、B两路信号均为过零点的交流信号，A相位超前于B相位90°。采用类似的方法，可以得到转子顺时针旋转时A，B两路的输出波形如图3，此时A的相位落后B的相位90°。

因此，利用四象限光电探测器用于转子的转速测量时，可以得到位相差90°的两路信号。将这两路信号进行四倍频及辨向处理后，得到用于测速的四倍频脉冲信号和判断正反转的信号，再将它们送入单片机进行信号处理计算，就可以计，算出转子的转速，同时输出转子的旋转方向。

2 测速传感器结构及测量系统组成

图4为测速传感器的光电成像系统结构示意图。高亮度的发光二极管发出的光经半透半反棱镜后，由透镜聚焦到转子的端面上。从端面上反射回来的光，再经过透镜和半透半反棱镜成像到四象限光电探测器的光敏面上。只有聚焦到高反射率薄膜上的光才能反射回到光电探测器。转子旋转时，成像到光电探测器上的光斑的位置会相应的变化。

图5为整体系统示意图。转子的顶端面中心点一侧粘贴有高反射率薄膜，测量装置由测速传感器和信号处理系统两部分组成。测速传感器包含光电成像系统和前置放大电路两部分。信号处理部分由加减法处理电路，四倍频及辨向电路，单片机和数字显示系统组成。在单片机中，采用测量脉冲周期和脉冲个数相结合的方法计算转子的旋转频率即转速，然后将转子的旋转速度大小及旋转方向通过数字显示输出。

3 信号处理

图6为四象限探测器的前置放大电路及和差处理电路框图。四象限光电探测器将接收到的光信号转换为电信号后，分别经过前置放大电路将电流信号转换为电压信号。运放器件选用高精度贴片式的快速运放，整个前置放大电路板很小，和四象限光电探测器一起封装在测速传感器内，以避免外部电磁干扰对测量信号的影响。上述输出的电压信号，经过和差处理后输出A、B两路信号， A路、B 路信号为类似于正弦的信号。由于采用了差动信号处理的方式，可以有效克服系统噪声的影响及外部干扰信号的影响。

将上述的A路、B路信号分别送入高速电压比较器组成的过零检测电路，得到两路方波信号，将这两路信号再送入四倍频判向处理电路进行处理后，得到转子旋转频率的四倍频信号及转动方向信号，如图7。由于采用了过零检测的信号处理方式，光斑的强度变化不会影响转速的测量。

4 单片机转速计量系统

采用测量脉冲周期和测量脉冲个数相结合的方法，对转速进行计量。图8是以单片机为核心的信号处理结构框图。四倍频信号和转速辨向信号分别接到单片机的T0接口和P3. 0 口，采用89C51单片机，使用频率为12MHz的晶振。计算数据可以进行数字显示，也可以通过光电隔离的RS485接口，进行串行数据输出。为了单片机可靠工作，选用了X5045 芯片，该芯片集E2 PROM、电源监视和看门狗电路于一体，用于保存校准参数和系统参数以及对单片机运行情况进行监控。电路设计时，利用了SP I串行接口的特点，使测量仪器体积小、功耗低、工作稳定可靠。经实验测试，测量装置的转速测量范围为1～200 000 r/min，测量相对误差为±0. 001%。

图8单片机系统框图

5 结束语

该测量装置具有突出的特点：采用四象限硅光电探测器作为检测元件直接用来对转子的转速进行非接触测量，既能测量转子的转速大小，又能测量转子的旋转方向；测量装置小巧、简单；可以有效克服噪声的影响及外部干扰信号的影响；也可以克服光斑强度的变化对测量结果的影响；具有很高的测量稳定性和测试精度。实现了只用一个测速传感器即可对转子旋转速度大小及方向进行在线检测的测量方法。