车速测量仪测量电路设计

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1、信号变换综合设计 课程设计（论文）题目：车速测量仪测量电路设计课程设计（论文）任务及评语课程设计（论文）题 目车速测量仪测量电路设计课程设计(论文)任务利用激光式感器检测道路上行驶的汽车速度。激光源（带光栅）和敏感元件 （带接收透镜）相距2030m，测量距离为100m。接收到的脉冲信号经放大整 形滤波后送到CPU中进行计算（本设计之设计检测通道即可）。设计相应的信号 处理电路和控制电路，确定器件参数；电路板焊接后在实验室用移动物体进行调 试。（1）技术要求：环境温度：-30+60 C；控制电路可使用电源供电，设计放大整形和滤波电路；也可采用光耦隔离抑 制干扰。传感器（敏感元件）：采用砷化镓半导

2、体激光器或其他激光器，阈值电流 大于30A，激发电源为3080A，电压峰值为500600V的矩形脉冲。（2）说明书要求：1. 格式规范，符合学校要求；2. 说明书中应有方法比较与方案论证，光电测量原理（公式）及具体的实现 方案、电路器件型号、参数等；硬件电路应用protel绘制，并且焊接、调试；指导教师评语及成绩平时：论文质量：答辩:3. 不能采用单片机设计。成绩：指导教师签字：目录第1章绪论1第2章 车速测量原理22.1速度测量22.2激光传感器检测原理32.3系统总体设计52.4速度计算52.5测量放大电路计算5第3章硬件电路设计63.1传感器测量电路63.2整流电路63.3滤波电路7第4

3、章总电路图的设计84.1总体电路84.2电路仿真9第5章设计总结9参考文献10附录I11附录II11第1章绪论当今社会的迅速发展，汽车早已融入人们日常生活当中，是人类必不可少的 交通工具之一。随着汽车行业的迅猛发展，车速测量也不断进步，通过和各种行 业的交融，根据不同原理，出现了许多不同种类的车速测量仪。车速测量是车辆行驶过程中的一个重要参数，车速测量过程实际上也是一个 转速测量过程。而车速测量一般用到了传感器器件和敏感元件，如激光传感器和 光敏元件。激光传感器是利用激光技术进行测量的传感器。它由激光器、激光检测器和 测量电路组成。激光传感器是新型测量仪表，它的优点是能实现无接触远距离测 量，

4、速度快，精度高，量程大，抗光、电干扰能力强等。激光测速它是基多普勒原理的一种激光测速方法，用得较多的是激光多普勒 流速计，它可以测量风洞气流速度、火箭燃料流速、飞行器喷射气流流速、大气 风速和化学反应中粒子的大小及汇聚速度等。半导体光敏元件他是基于半导体光电效应的光电转换传感器，又称光电敏感 器。采用光、电技术能实现无接触、远距离、快速和精确测量，因此半导体光敏 元件还常用来间接测量能转换成光量的其他物理或化学量。半导体光敏元件按光 电效应的不同而分为光导型和光生伏打型（见光电式传感器）。光导型即光敏电 阻，是一种半导体均质结构。光生伏打型包括光电二极管、光电三极管、光电池、 光电场效应管和光

5、控可控硅等，它们属于半导体结构型器件。半导体光敏元件的 主要参数和特性有灵敏度、探测率、光照率、光照特性、伏安特性、光谱特性、 时间和频率响应特性以及温度特性等，它们主要由材料、结构和工艺决定。半导 体光敏元件广泛应用于精密测量、光通信、计算技术、摄像、夜视、遥感、制导、 机器人、质量检查、安全报警以及其他测量和控制装置中。例如：光敏电阻、光 敏二极管、光敏三极管。测速仪的种类有很多，现在国内外的测速仪主要有雷达测速仪，数字式红外 测速仪，激光多普勒测速仪，激光测速仪等等。国内道路上的测速仪使用的是雷 达测速仪。利用LTI20-20雷射测速枪对行人、单车与机车目标进行量测，均能 迅速获得速度（

6、公里/小时）与距离（十分之一公尺）之满意数据。配备雷射测 速枪的美国警方利用其精确且快捷的测距功能，将其用在交通事故与刑案现场图 关键点之测绘。国内交通警察单位已多次进行雷射测速之测试，部份单位亦已完 成采购使用中。民众不可自恃装有超速侦测器而恣意飚车，危害公众与自身安全。第2章车速测量原理2.1速度测量采用非接触式测量方式测量车速最有效的方法。采用的原理可以利用声音、 光(包括电磁波)、电(电磁感应)的原理来实现。测量的物理量可以利用物理量的 时域参数和频域参数。多普勒频移原理是利用物理量的频移特性来实现速度测 量。由此，可以采用超声波多普勒，激光物理量的频移特性来实现速度测量。由 此，可以

7、采用超声波多普勒，激光多普勒，微波多普勒等原理测速。采用多普勒 原理测速，无论在理论还是在实践上都是可行的。但是在实现上系统复杂，器件 性能要求高导致成本高，体积和功耗都大。在此，没有采用这种原理。测速在本质上是测物体沿时间轴在空间位置上的分布。汽车测速在这里指测 线速度(率)，是一维空间。在多普勒测速中，参考系可以选择大地及其上的固定 物体，因为多普勒测速是检测反射信号与发射信号的频移来实现速度检测，在微 观上就可以选择物体表面上的连续点作为参考点。但是，如果不用多普勒原理测 速，参考点选择是很困难的，可以采用人为设定参考点，即沿磁悬浮轨道铺设轨 道检测标志或直接利用磁悬浮轨道结构特征。非接

8、触式速度测量的主要方法有利用超声波传感器测量、利用涡流传感器测 量和利用光电传感器测量等。由于汽车最高速度与声波速度在同一个数量级，在 直射式测速中，可以选用。但是在反射式测速中，反射超声波的接收存在误差。光电式传感器是最为适合汽车运行环境的器件。第一，被检测速度不200m/s， 与光速3x 10 8m/s相比相差太大。第二，汽车运行的环境对光不存在干扰，对电子元器件或传感器的干扰可以 通过屏蔽消除，仅仅保留小孔作为光的通路。第三，光电传感器响应速度快，灵敏度高，价格也便宜。采用光电式传感器 检测，从光路上划分有直射式测速和反射式铡速。在车体上，距离反射平面高为H相距为S的A和B点安装两个性能

9、一致的光电传 感器，在紧邻A、B点分别安装发光强度相近的同类光源，光源平行垂直照射轨道 面。这就构造了两路性能相近的测量系统。车体运动时，光电传感器扫描轨道及 安装的检测标志，将产生与反射面特征对应的前后两路信号x(t )和y(t)(设A点光 电传感器输出信号x(t)，B点光电传感器输出信号为y(t)。在理想状况下，有y(t)=x(t+1 )(2-1)即x(t)与)。)仅存在一个时间延迟t。0对x（t讦叶。）做相关计算，相关函数为:(2-2)lim 1 . 丁Ry e)=T8 x(t)y(t-T)出在相关函数常）极大值中取最大值与该值对应的t,即为两路光电传感 器的检测信号时间延迟，也即相似反

10、射光强曲线在时间轴上的时间差。相似反射 光强由车体相对于轨道运动产生，若选车体为静止参考系，该时间差即是轨道发 生相对位移s的时间差，则：速度V= s/to(2-3)2.2激光传感器检测原理采用光电式检测方式，需要知道光学测量系统的原理。光学测量系统一般由 光源、光学变换系统和光电探测器件组成。光源分为相干光源和非相干光源，在 此选择的光源属于非相干光源。光学变换系统没有额外设计，而是利用器件自身 的光学结构。光电器件有响应可见光或不可见光的器件，也有对二者都响应的器 件。在光电检测系统中，直接检测法是一种简单、实用的方法，适合小体积的应 用环境。直接检测法叫就是将待测的光信号直接入射到光学器

11、件的光敏面上，光 电传感器的输出电流或输出电压与入射光强度有关。在车体上测速，根据相对运动的观点，选择汽车作为参考系，对车体上的光 电传感器来说，从轨道检测标志直射或反射的光信号应该看成随时间变化的光信 号。该光信号与轨道检测标志的分布有关，与车体的运动速度有关。光电传感器 检测该光信号，就建立起输出电流或输出电压信号与轨道检测标志的分布和车体 运动速度的关系。在地面上测速，沿轨道布置光电传感器，检测车体上的直射或 反射光信号。光电传感器实质上是检测光通量的幅值变化。在直射式测速中，轨道检测标 志选择具有聚光特性的发光管，这种发光管的前端具有一个透镜，辐射出的光呈 倒锥形分布，并且可以视为一个

12、点光源。由于均匀点光源向空间发射球面波，点 光源在传输方向某点的照度（单位面积的光通量）与该点到点光源的距离平方成 反比，所以悬浮在一定高度的光电传感器横越过发光管辐射区域时，光通量先增 加到最大值再减小，光通量的变化率很大。当光电传感器经过其他区域时，只有 极其微弱的背景光产生的光通量。在车载反射式测速中，轨道检测标志可以沿永磁轨道粘贴（喷涂）反光标志， 在此以在永磁轨道表面粘贴反光标志分析。在反射式测速中的光源安装在车体 上，光源选择具有聚束性很好的发光管，这样光线照射在反射面上时反射光较强。 光电传感器紧邻光源平行安装，检测轨道标志对入射光的反光信号，也是检测光 通量的幅值变化。反光信号

13、除了与入射光源有关，还与材料介质表面的反射特性 密切相关，选择具有漫反射特性的物体表面作为反射面，可以消除车体侧滚、点 头等运动对反射光强度的影响。由于点光源在辐射时，任何表面的照度随该表面 法线与辐射能传播方向之间的夹角余弦变化(朗伯余弦定律)。由此可以推出，对 于理想漫反射表面(任意漫反射方向上亮度不变)，在某方向辐射光强随该方向和 表面法线之间夹角余弦变化。I = I .cos( a)(2_4)式中Id表示理想漫反射表面法线方向上的光强，I。表示与法线方向夹角为a方向 的辐射光强。对于入射光源照射轨道检测标志表面形成光斑，其漫反射表面的辐射光强在 空间的分布分析如下。A点距光斑平面距离为

14、H，A点所在法线到光斑中心线距 离为L。A点的光强是光斑面各点在A点辐射光强的标量和。将光电传感器安装在 A点，就可以检测该点的反光信号的强度。实际上，在现实中的反射介于理想漫 反射和镜面反射之间，反射的方向性太强，车体侧滚、点头等运动会导致光电传 感器检测到反射光强剧烈变化。材料介质表面的反射特性与反光系数有关，颜色 对于反光系数的影响很大。白色对光的反射光强高于黑色，由于磁悬浮永磁轨道 面是褐色平面，在永磁轨道面上按规定的间距喷涂与轨道中心线垂直的条状白色 油漆作为轨道检测标志。这样，当车体运动时，反射式光电传感器将检测到强弱 相间的反射光信号。所以，无论是直射式测速还是反射式测速，光电传

15、感器检测 的都是光强度，也即光通量的幅值。光信号转化为电信号的关系，光电传感器入 射光信号的振幅为：U (t) = a sin( t +。)(2-5)则入射光功率：Ps t P =2sina( t + )2 =：以2(2-6)对应光电传感器的输出光电流：I巾=S P = 2 S a2(2-7)(27)式中：s为光电灵敏度，S =空，叩n-q为产生的电荷，h v为入射光功 h - v率。2.3系统总体设计工作过程：激光器发射激光，当有车经过时车轮挡住激光源传感器接收不到 激光源发射的激光，于是产生低电平；当有车经过时传感器接收到信号产生高电 平，信号经整流，滤波，放大电路处理后，即可输出周期性的

16、脉冲信号。在一定时 间内由车产生高低电平的次数来计算出车的速度。其中选择光电传感器作为接收信号的光敏元件，阀值电流大于30A，激发电 源为30A-80A,输出电压峰值为500-600V的矩形脉冲。系统总体设计框图如下图：图2.1系统总体框图2.4速度计算采用信号放大电路对输出光电流放大并转化为电压信号，则将产生光强高 时，对应高电平信号，光强低时，对应低电平信号。通过施密特触发器转化为脉 冲信号。则：速度二单位时间内的脉冲数x轨道标志之间的间距；(2-8)或者：速度二轨道标志之间的间距/相邻脉冲同边沿时差。(2-0)2.5测量放大电路计算由输入级电路可写出流过R1、R2、R0的电流I r为I

17、u - u u 厂 u u 2 - u210由此得R R u = (1+ R)U - R U00u = (1+ Ri)U - R uoiR ii Rii00于是，输入级的输出电压，即运算放大器N2与N1输出之差为R + RU - U = (1+ 1 2)(U -U )o 2 o1Ri 2 i10其差模电压增益Kd为：k u - u R + RKd = uO-U1 = 1+-Ri 2 i10根据差分放大器的原理，可得：Uo = R (1+ 与且)(U2-U1)第3章硬件电路设计3.11传感器测量电路23图3.1传感器测量电路C3.2整流电路整流电路的热门无是将交流电变换成直流电。完成这一任务主要

18、是靠二极管3.3滤波电路滤波电路用于滤去整流输出电压中的文博，一般由电抗元件构成，如在负载 电阻两端并联电容器C,或在整流电路输出端与负载间串联电感器L,以及由电容、 电感组合而成的各种复式滤波器。常用的结构如下图所示。图3.3 (1)电容滤波电路图3.3 (2)电感电容滤波电路由于电抗元件在电路中有储能作用，并联的电容器C在电源供给的电压升高 时，能把部分能量存储起来，而当电源电压降低时，就把电场能量释放出来，使 负载电压比较平滑，即电容C具有平波的作用；与负载串联的电感L，当电源供给 的电流增加时，它把能量存储起来，而当电流减小时，又把磁场能量释放出来， 使负载电流比较平滑，即电感L也有平

19、波作用。滤波电路的形式很多，为了掌握它的分析规律，把它分为电容输入式和电感 输入式。前一种滤波电路多用于小功率电源中，而后一种滤波电路多用于较大功率电源中。3.3.1电容滤波电路下图为单向桥式整流、电容滤波电路。在分析电容滤波电路时，要特别注意 电容两端电压Vc对整流元件导电的影响，整流元件只受正向电压作用才导通，否 则便截止。)1 坯才rh *由出畋 图3.3.1 T开式电容滤波电路CJ200i：h负载R未接入时的情况:电容器两端初始V2为正半周时，V2通过D1、D3向电容器C充电，充电时间常数为 1式中的R报告过变压器DO=RC组的一次绕电流电零，接入交流电压后，当.半周期时，经D2、D4

20、向电及管D的正向电阻。由于R一般很小，电容器很快就充电到交流电压V2的最大值。由于回路无放电回路，故输 出电压保持在最大值，输出为一个恒定的直流电压。接入负载R的情况：设变压器二次电压V2从0开始上升时介入负载R，由于电 容器在负载未接入前充了电，故刚介入负载时V2Vc，二极管受反向电压作用而 截止，电容器C经R放电，放电的时间常数t=RC因t一般较大，故电容两端的电压Vc按指数规律慢慢下降。其输出电压V=Vc。第4章总电路图的设计4.1总体电路根据设计要求及原理，设计了总电路图。如下:图4.1总电路图4.2电路仿真图4.2整形放大的仿真图第5章设计总结这次的课程设计中，我设计的是车速测量仪测

21、量电路设计。车速测量仪在现 实生活中的应用很广泛，是常用的测量工具，通过这次课设，让我从根本上了解 了它，同时也让我增强、巩固了其他的知识。在整个课程设计完后，感觉很有收获。以前上课都是上一些最基本的东西而 现在却可以将以前学的东西作出有实际价值的东西。特别是通过这次课程设计我 懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学 的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，从而提高自己的实际动手能 力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟 第一次做车速测量仪测量电路设计，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计 的过程中发现了自己的不足之处，对

22、以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得 不够牢固。这次课程设计虽然短暂但是让我得到多方面的提高：1、提高了我的逻辑思 维能力，使我在逻辑电路的分析与设计上有了很大的进步。加深了我对测量电路 的认识，进一步增进了对一些常见传感器件的了解。2,查阅参考书的独立思考 的能力以及培养非常重要，我们在设计电路时，遇到很多不理解的东西，有的我 们通过查阅参考书弄明白，有的通过网络查到，但由于时间和资料有限我们更多 的还是独立思考。3,相互讨论共同研究也是很重要的，经常出现一些问题，不 过通过大家一起探讨，分析，最后将问题解决，取得成功。参考文献1 史国生，张为公.非接触光电式速度传感器的研究与应用.传感器技术.20022 钱建强，惠梅，王东生.高精度在线转子速度检测装置的研究.计量技术20043 谷爱昱，刘彦彬.一种感应电动机速度检测方法.微电机.20004 浦昭邦.光电测试技术.北京：机械工业出版社.2004. 105 赵远，张宇.光电信号检测原理与技术.北京：机械工业出版社.2005. 7附录I总体电路图附录II名称型号大小数量电阻R3009滑动变阻器R01k1电容C200uF2二极管D5v7发光二极管Dip5v1三极管T0.7v2