车速测量仪测量电路设计

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

2、镓半导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；3. 不能采用单片机设计。指导教师评语及成绩平时： 论文质量： 答辩：成绩： 指导教师签字： 年 月 日目 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6

3、3.2 整流电路63.3 滤波电路7第4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11附录11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

4、优点是能实现无接触远距离测量，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

5、、光电场效应管和光控可控硅等，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，可以采用超声波

7、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。非接触式速度测量的主要方法有

8、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3xm/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点安装两个性能一致的光电传感器，在紧邻A、B点分别安装发光

9、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+) （2-1）即x(t)与y(t)仅存在一个时间延迟。对x(t)和y(t)做相关计算，相关函数为： （2-2）在相关函数极大值中取最大值，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

10、相对位移s的时间差，则：速度V= st。 （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

11、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

12、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

13、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。 (2-4)式中表示理想漫反射表面法线方向上的光强，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

14、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： (2-5)则入射光功率：Ps t (2-6)对应光电传感器的输出光电流： （2-7）(27)式中：s为光电灵敏度，叩为产

15、生的电荷，为入射光功率。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：输入信号激光传感器整流滤波放大电路输出脉冲 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，

16、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=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=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的电流为 由此得，于是，输入级的输出电压，即运算放大器N2与N1输出之差为其差模电压增益Kd为：根据差分放大器的原理，可得：第3章 硬件电路设计3.1 传感器测量电路 图3.1 传感器测量电路3.2 整流电路整流电路的热门无是将交流电变换成直流电。完成这一任务主要是靠二极管的单向导电作用，因此二极管是构成整流电路的关键元件。图3.2 整

17、流电路电路如图所示，图中T为电源变压器，他的作用是将交流电网电压V1变成整流电路要求的交流电压V2，四只整流二极管D1-D4接成电桥的形式，故有桥式整流电路之称。整流桥的D1、D2的连接处称为共阴极，用“+”标记，即电流从此处流出，D3、D4连接处称为共阳极，用“”标记，其他的两点表示接交流电源标记“”。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

18、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，

19、否则便截止。 图 桥式电容滤波电路负载R未接入时的情况：设电容器两端初始电压为零，接入交流电压后，当V2为正半周时，V2通过D1、D3向电容器C充电；V2为负半周期时，经D2、D4向电容器C充电，充电时间常数为 t=RC式中的R报告过变压器二次绕组的电流电阻和二极管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V2<Vc，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。