一種轉鏡式的高速相機轉速傳感器的製作方法
2023-05-22 17:28:51
本實用新型屬於光纖傳感器和光電測量領域，具體提供一種轉鏡式的高速相機轉速傳感器。
背景技術：
轉鏡式高速相機用於實現高速運動物體或瞬變流逝現象的記錄，使高速過程的發生、發展和運動規律等清晰地展現在人們的面前；它具有較高的空間解析度和時間分辨本領、運行穩定、操作簡單、與被攝目標準確同步等優勢；因此它在高速攝影儀器中起到了至關重要的作用，被廣泛應用於高壓物理、爆炸力學、實驗室等離子體以及雷射光譜學和新型雷射光源的研究。為了獲取高精度的條紋攝影相機、分幅攝影相機拍攝頻率和分析被攝事件發展過程提供空間和時間數據，則需要精確地測量拍攝時轉鏡旋轉一周的時間間隔或掃描速度。採用傳統的相機傳感器，如轉鏡角速度光電傳感器、轉鏡角速度磁場傳感器和轉鏡角速度微波傳感器存在較多不足之處，在測量精度及機械穩定性上都不理想，造成較為嚴重的像漂移現象。
基於此，本實用新型提供一種轉鏡式的高速相機轉速傳感器。
技術實現要素：
本實用新型的目的在於針對背景技術的缺陷提供提供一種轉鏡式的高速相機轉速傳感器，本發明傳感器具備快速、穩定、非接觸、高精度、控制性和重複性好優點，能夠有效地記錄轉鏡每旋轉一周的時間間隔進而得到轉鏡的旋轉速度，滿足了傳感器實時精確測量高速轉鏡相機的轉速的要求。
為實現上述目的，本實用新型採用的技術方案為：
一種轉鏡式高速相機轉速傳感器，包括雷射發送模塊、高速轉鏡和接收模塊，所述雷射發送模塊發射雷射信號經過高速轉鏡反射後進入接收模塊；其特徵在於，所述接收模塊包括光椎、分光器、兩條信號處理路徑、可編程邏輯器件、單片機系統及處理器，其中，所述每條信號處理路徑由光探測器、集成運放及共射差分放大電路構成；雷射信號經過光椎耦合進入分光器，所述分光器按等比例將雷射信號分為兩路雷射信號分別送入兩條信號處理路徑，所述光探測器將雷射信號轉換為電壓信號輸入集成運放，所述集成運放將電壓信號轉換為ECL電平信號輸出至共射差分放大電路，所述共射差分放大電路將ECL電平信號轉換為TTL電平信號輸出，兩路TTL電平信號共同輸入可編程邏輯器件，所述可編程邏輯器件在單片機系統控制下對兩路TTL電平信號進行與非邏輯處理與脈衝計數、並輸出計數結果至處理器，由處理器計算得轉鏡式高速相機轉速。
進一步的，所述處理器中轉鏡式高速相機轉速的具體計算過程如下：
ω＝2πf，
其中，ω為轉鏡式高速相機轉速(角速度)，f為1秒時間內的脈衝數。
本實用新型的有益效果在於：
本實用新型提供轉鏡式高速相機轉速傳感器，其中，雷射發送模塊的主要工作是輸出穩定的連續雷射信號；高速轉鏡即為相機光學系統，主要用於將信號雷射反射到接收模塊；接收模塊用於接收轉鏡反射的雷射信號，並對信號進行探測、放大、整形和計數處理。本發明中雷射在高速轉鏡上進行反射傳輸的部分稱為無源區，雷射信號的發射、接收、放大、整形、計數和信號處理屬於有源區；實現了有源區和無源區的分離，提高整個傳感器的抗幹擾能力和穩定性。運用雷射的可進行高速處理的性能及高抗電磁幹擾能力獲取轉鏡的時間信息參量，再經過光電轉換來實現轉速的精確測量；並且採用兩路信號處理路徑才是TTL電平進行與非邏輯處理，進一步提升測量精度，減少了系統誤差。
附圖說明
圖1為本實用新型轉鏡式高速相機轉速傳感器結構示意圖。
圖2為本實用新型轉鏡式高速相機轉速傳感器中信號處理路徑示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本實用新型做進一步詳細說明。
本實施例提供一種轉鏡式高速相機轉速傳感器，如圖1所示，包括雷射發送模塊、高速轉鏡和接收模塊，所述雷射發送模塊發射雷射信號經過高速轉鏡反射後進入接收模塊；其特徵在於，所述接收模塊包括光椎、分光器、兩條信號處理路徑、可編程邏輯器件、單片機系統及處理器，其中，所述每條信號處理路徑由光探測器、集成運放及共射差分放大電路構成；雷射信號經過光椎耦合進入分光器，所述分光器按等比例將雷射信號分為兩路雷射信號分別送入兩條信號處理路徑，所述光探測器將雷射信號轉換為電壓信號輸入集成運放，所述集成運放將電壓信號轉換為ECL電平信號輸出至共射差分放大電路，所述共射差分放大電路將ECL電平信號轉換為TTL電平信號輸出，兩路TTL電平信號共同輸入可編程邏輯器件，所述可編程邏輯器件在單片機系統控制下對兩路TTL電平信號進行與非邏輯處理與脈衝計數、並輸出計數結果至處理器，由處理器計算得轉鏡式高速相機轉速。
其中，所述高速轉鏡採用表面鍍鋁和背面漫反射的處理方式，以增強表面的反射能力減弱背面的反射率；所述可編程邏輯器件在對兩路TTL電平信號進行與非邏輯處理前，還分別對兩路TTL電平信號進行整形、濾波處理。
參考圖1和圖2，本實用新型的轉鏡式高速相機速度傳感器採用GSJ型高速相機，工作轉速在3萬轉/分—30萬轉/分，旋轉周期在200微秒至2000微秒之間；採用最大發射功率為200毫瓦，發射波長為808納米的尾纖雷射器；採用纖芯直徑為62.5微米的光纖跳線；採用CPLD系列複雜可編程邏輯器件和PIC系列單片機；採用ST接頭的HFBR型光電探測器。雷射發送端進行穩定的連續雷射信號輸出；高速轉鏡將發送端輸出的雷射信號反射至接收端的光錐；光錐將雷射信號耦合後經分光器分別傳輸至第一單元路徑和第二單元路徑進行探測、放大，再經過可編程邏輯器件進行整形和計數處理；最後轉鏡的旋轉速度信息經過PC機進行顯示。
從工作原理上講，上述轉鏡式高速相機轉速傳感器中，當雷射信號進入單元路徑後，其詳細處理過程為：雷射信號首先照射到光電探測器的光敏面上，之後輸出微弱的信號電流，經過內部負載電阻後轉為微弱的電壓信號，進而由探測器進行前置放大；光探測器的輸出電壓存在大範圍的波動，因此在探測器後面加一個集成運放即穩定放大增益模塊，它對探測器輸出的電壓信號進行三級放大；第一級是限幅放大，使輸出電壓能夠隨著耦合入接收端的光功率的大小而變化，即當輸入雷射信號功率較低時，輸出電壓信號能夠得到有效放大，當輸入光功率較高時，輸出電壓值限制在一固定值；第二級和第三級為一個帶負反饋的放大電路，對第一級的放大輸出進行再次限幅放大實現深度飽和，經過邏輯比較輸出ECL電平；ECL電平對數字驅動的能力較差且本身的電平幅度不夠，因此在集成運放後輸出的ECL電平經過共射差分放大電路後輸出了有效值大於4V的TTL電平。另外，由於TTL電平包括嚴重的噪聲幹擾，對脈衝周期的測量有著較為嚴重的影響；將TTL脈衝信號輸入複雜可編程邏輯器件，首先對脈衝信號進行整形，然後通過可編程邏輯延時，有效的濾除噪聲信號，實現可控制延時，從而更精確地得到周期的時間信息。與此同時，通過串口進行人機通信，使計數脈衝波形和周期信號在PC機上實時顯示；單片機系統向複雜可編程邏輯器件輸入火花基數、整形脈衝寬度和工作模式等參數，實時控制其工作狀態。
以上所述，僅為本實用新型的具體實施方式，本說明書中所公開的任一特徵，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特徵加以替換；所公開的所有特徵、或所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特徵和/或步驟以外，均可以任何方式組合。