少年光电检测原理与技术课设Word文件下载.docx
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成绩
日期
20年月日
课程设计任务书
学院
理学院
设计目的：
了解光电检测的基本原理与方法，掌握一种精确测量较大旋转角度的方法。
设计任务：
利用光电检测的基本原理与方法，选用适当的光电器件，设计一种精确测量较大旋转角度（包括大小和方向）的方法。
设计要求（技术参数）：
（1）选择适当的光电器件，说明精确测量较大旋转角的工作原理；
（2）画出测量的原理图、装置图；
（3）分析此方法的优、缺点，阐述如何提高测量的准确度；
（4）完成课程设计论文。
计划与进度安排：
时间：
七～八周，具体安排如下：
（1）理解题目要求，查阅资料，确定设计方案：
3天；
（2）设计与绘制原理图、装置图：
2天；
（3）调整方案：
1天；
（4）撰写说明书：
（5）答辩：
1天。
指导教师：
201年月日
专业负责人：
学院教学副院长：
目录
1.引言4
2．基本原理5
2.1四象限光电探测器5
2.2光电传感器5
2.3角度传感器5
3．检测原理6
3.1转子角度大小及方向检测原理6
3.2角度传感器结构及测量系统组成8
4．设计说明9
4.1信号处理9
4.2单片机转速计量系统10
5．结果讨论10
参考文献11
1.引言
目前现有技术中比较先进的旋转角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，将转盘的转动信号转换为电信号，然后再通过后续处理电路（或二次仪表）进行处理，输出转子角度的大小及方向。
近年来，随着光电子技术的发展，也出现了一些新型角度测量装置，主要是在转子的径向方位上进行检测。
这类角度测量方法通常一个传感器只能够用来测量转子的角度大小，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，既要检测转子的旋转角度大小，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角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。
2．基本原理
2.1四象限光电探测器
四象限光电探测器实际由四个光电探测器构成，每个探测器一个象限，目标光信号经光学系统后在四象限光电探测器上成像[1]。
一般将四象限光电探测器置于光学系统焦平面上或稍离开焦平面。
当目标成像不在光轴上时，四个象限上探测器输出的光电信号幅度不相同，比较四个光电信号的幅度大小就可以知道目标成像在哪个象限上（也就知道了目标的方位），若在四象限光电探测器前面加上光学调制盘，则还可以求出像点偏离四象限光电探测器中心的距离或θ角来[2]。
2.2光电传感器
光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器[2]。
它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。
光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。
光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样[1].因此,光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。
光电传感器是目前最普通的就是产品通过发光二极管等元件将电信号转换成光信号，通过另一端对收光量的大小进行判断，是否有物体或物体的远近，颜色等。
2.3角度传感器
角度传感器通常也即旋转编码器，内部在轴上安装有光栅，通过轴的旋转，切割光栅，举例说，若未360脉冲的产品，则每圈输出360脉冲，则一个脉冲代表1°
，还有绝对值型的旋转编码器，输出信号是固定对应角度的，输出二进制，BCD或格雷码等。
3．检测原理
3.1转子角度大小及方向检测原理
图3.1为转子旋转角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3.1所示。
图3.1测量原理示意图
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，对四象限探测器的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3.2。
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3.3，此时A的相位落后B的相位90。
图3.2转子逆时针旋转A、B信号图3.3转子顺时针旋转A、B信号
因此，利用四象限光电探测器用于转子的旋转角度测量时，可以得到位相差90°
的两路信号[1]。
将这两路信号进行四倍频及辨向处理后，得到用于测角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，算出转子的旋转角度，同时输出转子的旋转方向[3]。
3.2角度传感器结构及测量系统组成
图3.4为角度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[2]。
图3.
3.4角度传感器结构示意图
图3.5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，测量装置由角度传感器和信号处理系统两部分组成。
角度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，经过计算后然后将转子的旋转角度大小及旋转方向通过数字显示输出[4][5]。
图3.5系统框图
4．设计说明
4.1信号处理
图4.1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角度传感器内,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。
图4.1四象限信号处理框图
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4.2。
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旋转信号的测量。
图4.2四倍频及方向判别
4.2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,对旋转信号进行计量。
图4.3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E2PROM、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SPI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1～200000r/min,测量相对误差为±
0.001%[6]。
图4.3单片机转速计量系统
5．结果讨论
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旋转角度进行非接触测量,既能测量转子的旋转角大小,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。
实现了只用一个光电传感器即可对转子旋转角大小及方向进行在线检测的测量方法[6]。
参考文献
[1]雷玉堂.光电检测技术.中国计量出版社.
[2]王庆友.光电传感器应用技术.机械工业出版社.
[3]钱建强.一种新型的转子旋转速度大小及方向的测量装置.北京航空航天大学.理学院应用物理系.
[4]郭培源.光电检测技术与应用.北京航天航空大学出版社.
[5]钱建强，惠梅，王东升.高精度在线转子数度检测装置的研究[J].计量技术，2004,（9）:
30-32.
[6]李庆祥，徐端颐.实用光电技术[M].北京：
中国计量出版社.1996.
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