一种rt-ⅱ型非接触式车辆测试仪的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种RT?Ⅱ型非接触式车辆测试仪，包括梳状光电传感器、前置宽带通模拟滤波放大限幅电路、窄带通跟踪滤波器、整形电路、第二锁相环、微机系统、偏置电路、第一锁相环、锁相环32倍频开关信号产生电路、双比较器。本实用新型基于梳状光电传感器的原理及特点，重点设计了测试仪的信号窄带通跟踪滤波器，为解决调速的测量及起步车速的测量两个难关设计锁相环预偏电路，产品通过与五轮仪进行系列的对比试验发现:本实用新型设计的车速测试仪的测量精度想对较高，尤其在高速时，质量轻巧，使用方便，尤其是设计的跟踪滤波技术可适用频率信号范围十分广，具有很大的推广潜力。
【专利说明】
一种RT- Π 型非接触式车辆测试仪
技术领域
[0001] 本实用新型属于车辆测试设备技术领域，尤其涉及一种RT-n型非接触式车辆测 试仪。
【背景技术】
[0002] 目前，当今是交通飞速发展的时代，其中汽车在这中间起到最为重要的作用，汽车 的各种技术在不断地发展，尤其是对车辆的动态参数:行驶距离，速度，加速度，地理位置等 及时方便准确的测量与显示显得十分重要了。
[0003] 传统的车辆测试仪主要用五轮仪来实现，这种仪器体重大，测量精度不够，反应 慢，尤其是它属于接触式测试仪，使用不方便，容易出故障。随着光电传感器的出现于技术 革新，为非接触式测试仪的发展提供了基础与条件。
[0004] 本实用新型就是基于光电传感器的一种非接触式测试仪，主要设计了性能较好又 实用在车辆上的梳状光电传感器，分析了它的工作原理，设计了信号调理电路的几个重要 电路组成部分，通过实验证明：这种测试仪克服了传统测试仪致命的几个缺点，测试方便， 精度尚，跟踪快。很有推广应用的空间。 【实用新型内容】
[0005] 本实用新型为解决传统的车辆测试仪主要用五轮仪来实现，这种仪器体重大，测 量精度不够，反应慢，尤其是它属于接触式测试仪，使用不方便，容易出故障的技术问题而 提供一种RT-Π 型非接触式车辆测试仪。
[0006] 本实用新型为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是:一种RT-Π 型非接触式车辆测试仪，包括梳状光电传感器、前置宽带通模拟滤波放大限幅电路、窄带 通跟踪滤波器、整形电路、第二锁相环、微机系统、偏置电路、第一锁相环、锁相环32倍频开 关信号产生电路、双比较器;所述窄带通跟踪滤波器包括二阶窄带通开关电容滤波器；
[0007] 所述梳状光电传感器、前置宽带通模拟滤波放大限幅电路、窄带通跟踪滤波器、整 形电路、第二锁相环、微机系统依次电连接，所述偏置电路、第一锁相环、锁相环32倍频开关 信号产生电路、双比较器依次连接，所述第一锁相环同时与前置宽带通模拟滤波放大限幅 电路输出端连接，所述双比较器输出端两端点与窄带通跟踪滤波器电连接；
[0008] 所述窄带通跟踪滤波器包括滤波器电路和滤波器电路转化的等效电路，所述滤波 器电路和滤波器电路转化的等效电路由同相积分器、反馈电路和开关电容的等效电阻组 成；
[0009] 所述偏置电路由比较器、可控震荡器、施密特整形电路和可重触发单稳电路组成， 所述比较器、可重触发单稳电路、可控震荡器依次电连接，可控震荡器连接第一锁相环，所 述施密特整形电路与比较器并联并与第一锁相环直接连接。
[0010]进一步，所述采用集成电路⑶4046构成32分频的第一锁相环和第二锁相环包括两 个相位比较器与一个可控振荡器组成并外接由比例积分环路滤披器构成相位负反馈闭环 电路。
[0011] 进一步，所述检测信号的梳状光电传感器包括仪用放大器、梳状光电组件、照明组 件、长镜头透镜和外壳;所述产生强光并投射到路面形成光斑的照明组件位于外壳内部，所 述采集光斑的长镜头透镜与形成对应的像并产生相应的电信号的梳状光电组件连接，所述 梳状光电组件与将梳状光电组件电信号放大到IOOmV的电信号的仪用放大器连接。
[0012] 进一步，所述梳状光电组件包括多个娃光二极管成阵列对称均勾分布成的光敏 条，所述光敏条包括A组光敏条和B组光敏条;所述A组光敏条和B组光敏条与仪用放大器电 连接。
[0013] 进一步，所述滤波器电路为:所述滤波器电路主要2个同相积分运算放大器组成， 第一运放输出与第二两运放输入之间由4个MOS管对称构成模拟开关和电容器C连接，第一 两运放输入与第二两运放输出之间由另外4个MOS管对称构成模拟开关和电容器C4组成的 反馈电路连接，预偏置通过电容Cl连接滤波器，滤波器输出连接微机;滤波器电路转化的等 效电路主要为2个同相积分运算放大器，二者之间由开关电容等效电阻R连接，反馈电路可 等效RC电路。
[0014] 本实用新型基于光电传感器的一种非接触式测试仪，主要设计了性能较好又实用 在车辆上的梳状光电传感器，分析了它的工作原理，设计了信号调理电路的几个重要电路 组成部分，通过实验证明：这种测试仪克服了传统测试仪致命的几个缺点，测试方便，精度 高，跟踪快。很有推广应用的空间。
[0015] 本实用新型对车辆行驶进行了加速制动的试验，这对调理电路来说，为频率斜升 信号，用以检验跟踪滤波的一个重要特性，为了有利于监视与调节扫频的频率，选择NW1232 低频频率特性测试仪来发生扫频信号，把它发生的信号用来模拟为传感器信号，作为调理 电路的输入，再把调理电路的输出信号与这个信号进行对比分析（用SD-380动态信号分析 仪），把扫频范围设置为OHz~18kHz，相当设置车速范围为0-260km/h，完全满足实际要求， 单程扫描的时间定为8s，如果扫描速度为2.5kHz/s，相当于2.5 X 4m/s2 = 10m/s2，基本等于 加速度g，而汽车加速度一般最大为〇.7g，大大超出实际加速与制动的测量要求;扫描速率 为2s，扫频范围不变，设计的电路照样工作正常。
[0016] 当速率为9kHz/s时，产生近3.6个g的加速度。新一代的车速仪中已经广泛应用了 这种电路。在长沙汽车质量监督检验鉴定试验中，检测到的数据误差与国标接轨，距离误差 控制在± 0.43 %以内，速度误差控制在± 0.4 %以内。
[0017]本实用新型的调理电路工作稳定，性能优良，达到了预期效果。而且试验表明，这 种电路不仅适用于车辆测试仪，由于其频率范围很大，还有很大的推广应用空间;本实用新 型的梳状光电传感器，优越于传统的五轮仪，由接触式转换成是非接触式传感器，实用方 便，性能可靠，精度高，信噪比大，应用在测量车辆行驶性能效果十分好，值得推广;本实用 新型通过系列的试验，为锁相环设置预偏电路，车辆起步测量误差大的问题得以解决，同时 还大大提高了测量的精度和跟踪的速度。
【附图说明】
[0018] 图1是本实用新型实施例提供的RT-Π 型非接触式车辆测试仪结构示意图；
[0019] 图2是本实用新型实施例提供的梳状光电组件的工作原理图；
[0020]图3是本实用新型实施例提供的预偏电路框图；
[0021 ]图4是本实用新型实施例提供的开关电容滤波器电原理的滤波器电路图；
[0022] 图5是本实用新型实施例提供的开关电容滤波器电原理的滤波器电路转化的等效 电路图。
【具体实施方式】
[0023] 为能进一步了解本实用新型的
【发明内容】
、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合 附图详细说明如下。
[0024] 如图1所示：
[0025] -种RT-Π 型非接触式车辆测试仪，包括梳状光电传感器、前置宽带通模拟滤波放 大限幅电路、窄带通跟踪滤波器、整形电路、第二锁相环、微机系统、偏置电路、第一锁相环、 锁相环32倍频开关信号产生电路、双比较器;所述窄带通跟踪滤波器包括二阶窄带通开关 电容滤波器；
[0026] 所述梳状光电传感器、前置宽带通模拟滤波放大限幅电路、窄带通跟踪滤波器、整 形电路、第二锁相环、微机系统依次电连接，所述偏置电路、第一锁相环、锁相环32倍频开关 信号产生电路、双比较器依次连接，所述第一锁相环同时与前置宽带通模拟滤波放大限幅 电路输出端连接，所述双比较器输出端两端点与窄带通跟踪滤波器电连接；
[0027] 所述窄带通跟踪滤波器包括滤波器电路和滤波器电路转化的等效电路，所述滤波 器电路和滤波器电路转化的等效电路由同相积分器、反馈电路和开关电容的等效电阻组 成；
[0028] 如图3所示:所述偏置电路由比较器、可控震荡器、施密特整形电路和可重触发单 稳电路组成，所述比较器、可重触发单稳电路、可控震荡器依次电连接，可控震荡器连接第 一锁相环，所述施密特整形电路与比较器并联并与第一锁相环直接连接。
[0029]所述采用集成电路CD4046构成32分频的第一锁相环和第二锁相环包括两个相位 比较器与一个可控振荡器组成并外接由比例积分环路滤披器构成相位负反馈闭环电路。
[0030] 如图2所示:所述检测信号的梳状光电传感器包括仪用放大器、梳状光电组件、照 明组件、长镜头透镜和外壳;所述产生强光并投射到路面形成光斑的照明组件位于外壳内 部，所述采集光斑的长镜头透镜与形成对应的像并产生相应的电信号的梳状光电组件连 接，所述梳状光电组件与将梳状光电组件电信号放大到IOOmV的电信号的仪用放大器连接。
[0031] 所述梳状光电组件包括多个娃光二极管成阵列对称均勾分布成的光敏条，所述光 敏条包括A组光敏条和B组光敏条;所述A组光敏条和B组光敏条与仪用放大器电连接。
[0032] 如图4所示:所述滤波器电路为：所述滤波器电路主要2个同相积分运算放大器组 成，第一运放输出与第二两运放输入之间由4个MOS管对称构成模拟开关和电容器C连接，第 一两运放输入与第二两运放输出之间由另外4个MOS管对称构成模拟开关和电容器C4组成 的反馈电路连接，预偏置通过电容Cl连接滤波器，滤波器输出连接微机。
[0033] 如图5所示:滤波器电路转化的等效电路主要为2个同相积分运算放大器，二者之 间由开关电容等效电阻R连接，反馈电路可等效RC电路。
[0034]下面结合原理分析对本实用新型进一步说明。
[0035] 1、梳状光电传感器的选择及原理
[0036] 光电检测可测参数很多，而且具有精度高、响应快、非接触、性能可靠、结构简单、 灵活多样等许多优点，因此，本设计采用光电式光电检测取代传统的五轮仪，完全克服了五 轮仪致命的两个缺陷。光电传感器由光源、光学通路和光电元件三部分组成，它先把被测量 的转换成光信号，再把将光信号借助光电元件转换成电信号。本设计RT-Π 型非接触式测试 仪采用梳状光电传感器来检测信号。它主要有仪用放大器、梳状光电组件、照明组件、长镜 头透镜及外壳等几个部件。照明组件产生强光，投射到路面形成光斑，光斑通过长镜头透镜 在梳状光电组件上形成对应的像，产生相应的电信号，仪用放大器可把电信号放大到约 IOOmV的传感器信号。各部分组件的工作原理如图2所示。
[0037] 图2中，有许许多多硅光二极管成阵列对称均匀分布成光敏条，硅光二极管当无光 照时，它与普通二极管一样，反向电流很小，但当有光照时，载流子被激发，产生光电。如果 把这些光敏条分成A与B两组连接，当光照在A与B两组光敏条上会形成Ia与Ib两个光电流，再 把这两个光电流进行转换成一个Ia-Ib差动信号，放大器放大到要求值输出。该信号反映了 A、B两组光敏条上的两个图像的平衡性，一般情况下是平衡的，同时图像又是不断变化的， Ia-Ib差动信号必然也会对应变化。假设某时Ia>Ib，那么随着传感器的移动，图像也会相应 移动，当移动L/2距离时，A、B两组的光敏条所处位置会进行对换，所以Ia-Ib差动光电流信号 会反相；同理，当再移动L/2距离时，A、B两组光敏条会再次进行位置对调(除第1条外），Ia-Ib 差动光电流信号再次反相，从而形成一个伪正弦波，可以推出传感器每移动L距离就形成一 个完整的正弦波。如果放大倍数为K，则相对地面而言，就移动KL的距离，传感器形成就形成 一个完整的伪正弦波。再用SD-380动态信号分析仪对该伪正弦波进行测量隔直放大，就可 得到谐波分量很小奇次谐波，再经过信号调理电路对传感器信号进行调理，形成TTL信号。 微机对电平方波进行计数，就可得到车辆行驶的距离、速度、加速度等信息。因此光电传感 器可用于车辆跟踪制导、位移监控及本实用新型的非接触车辆测试仪。
[0038] 2、信号调理电路
[0039] 2.1车辆行驶产生的传感信号特点
[0040]从上段文可知车辆行驶KL距离，传感器形成就形成一个完整的伪正弦波，车辆从 起步速到一定速度，频率也会变化几百倍，加上制造工艺及车辆颠簸等因素对成像的影响， 这个Ia-Ib差动光电流信号必然会产生不断扭动的直流分量及谐波分量。为了提高测量精度 和信噪比，反复实验证明必须压缩带宽，滤除绝大部分谐波，效果才能达到预期效果，经多 次改进，终于研制出窄带通跟踪滤波器，这是RT- Π 型非接触式车辆测试仪中又一个关键的 部件。
[0041 ] 2.2窄带通跟踪滤波器的设计
[0042] 本跟踪滤波器采用一个窄带通滤波器，狭窄带通滤波器主要根据滤波器的幅频特 性定义。在滤波器所要提取信号频率中设立一个极点为d = re~j23ikfT滤波器，当r值接近1 时，可得到很窄的通带，且过度带较陡峭，故名狭窄带通滤波器。d = fn为中心频率，fn随信号 频率fs的变化而同步变化，该窄带通滤波器能让离匕较近的有用通过，又滤除了离f n较远的 干扰信号，大大提高了信噪比。为了方便控制与调试，开关电容滤波器是较好的选择。这就 可以通过改变滤波器的阻容件参数而方便地改变带通滤波器的中心频率，实现f n * fs跟踪 滤波的目的，开关电容等效的电阻和开关频率f。的关系为：
[0043] R=l/Cfc
[0044] 因为f。随fV变化而变化，也就等于R也随fs而变化而变化.只要我们改变开关电容 滤波器的时间常数，就可以方便的改变中心频率匕，而f n * fs，因此也就可以方便实现跟踪 滤波。
[0045] 从图1可以发现，光电传感器信号先传送给前置预处理电路，滤除了直流分量和频 率范围之外的谐波干扰，只让fn附近较窄带宽频率信号顺利通过，再经过放大、限幅得到图 示的m(f s)信号。经预偏电路设置锁相环无信号时的振荡频率，f。为开关电容的采样频率， 当有信号时fc = 32fs。远大于参考文献[1]中指出的20倍。图中的①^①:^为匕通过双比较器 得到的互为反相的采样信号。
[0046] 2.2.1预偏电路的设置
[0047]设计的预偏电路主要有比较器、可控震荡器、施密特整形电路和可重触发单稳电 路组成，具体框图如图3所示。
[0048]本实用新型采用集成电路⑶4046构成32分频的锁相环，它主要包括两个相位比较 器与压一个控振荡器组成，外接相位负反馈闭环电路（由比例积分环路滤披器构成）。当相 位锁定后32分频电路的第4脚输出f c = 32fs.车辆行驶性能必须从起步车速测起，CD4046的 12脚因此悬空，把起始频率设置为fmin = 0Hz，从现有相关技术得知:该电路要起振必须有一 个预偏电压，通过实测值为1.25V(当电源V。。= 5V时），如没设置预偏电压，车辆在起步的时 段，由施密特整形电路输入锁相环，而相位比较器产生的电压信号先是给锁相环中的电容 充电，当充电到大于预偏电压时，才有f。输出，造成延迟，因此低频时跟踪性较差，所以必须 设置预偏电压(约1.25V)，其具体的工作过程如下：当车辆在起步f s = 0Hz时，比较器输出信 号为〇,单稳电路的输出为高电平1，振荡器开始起振(fs = 12kHz)，该高电平同时为74LS157 的开关选择地址，这时选择开关IB接通，12kHz信号输入锁相环并锁定，低通滤波器则输送 VCO-个预偏电压。为了防止由于干扰而使显示为可信，2B输入微机系统接地信号，使之显 示为〇，当车辆加速到一定时，输入信号为fs，比较器就会连续输出触发脉冲，触发单稳态触 发器，输出低电平〇,74LS157选择开关IA接通，被整形后的f s直接输送给锁相环，图1中2A脚 的信号输入微机系。用两台低频信号作信号发生和频率显示去模拟试验，发现当信号从 15kHz跃变到0.15kHz时，锁相环3脚信号的也跟着跃变，中间信号只是闪现一次即同步为 0.15kHz.如果不设置预偏电路，接通一个只有100他的匕信号，要过秒数量级时间才能锁 定，而且频率变大，时间变得更长，验证了预偏电路对提高跟踪性能的重要作用。
[0049] 2.2.2窄带通开关电容滤波器的设计
[0050] 上面提到的滤波器如图5所示，主要由同相积分器加反馈电路组成，R为开关电容 的等效电阻。
[0051]
[0052] 由该图中的A、B节点可得到如下两式：
[0055] 由式(1)、（2)得该滤波器的传递函数为：
[0053]
[0054] 「 I (3)
[0057] 上面的传递函数是带通滤波器的表达形式。为了设计方便，选C2 = C3,中心频率就 为[0058][0059]
[0056]
[0060]
[0061] 令2jtC2/C = 32,就有fs ? fn，即当fs变化时，由锁相环保证fc = 32fs，而
,所以fn就跟随fs的变化而变化，从而实现较好的跟踪滤波。如果把它 的带宽设计持，丨、占.Y能?大刹抗干扰的H的j庚被！的品质因子
[0062]
[0063] 滤波器后再加入整形电路，主要为了提取信息，不在放大，因此选取C2 = C3 = 220pF，C = Ci = C4 = 43pF，贝I
，实现 了窄带滤波， 有效地滤除高次谐波(3次以上），又有效地实现了跟踪。
[0064] 本实用新型对车辆行驶进行了加速制动的试验。这对调理电路来说，为频率斜升 信号，用以检验跟踪滤波的一个重要特性。为了有利于监视与调节扫频的频率，我们选择 NW1232低频频率特性测试仪来发生扫频信号。把它发生的信号用来模拟为传感器信号，作 为调理电路的输入，再把调理电路的输出信号与这个信号进行对比分析（用SD-380动态信 号分析仪），把扫频范围设置为OHz~18kHz，相当设置车速范围为0-260km/h，完全满足实际 要求，单程扫描的时间定为8s，测试结果如下表1所示：
[0065] 如果扫描速度为2 · 5kHz/s，相当于2 · 5 X 4m/s2= 10m/s2，基本等于加速度g，而汽车 加速度一般最大为〇.7g，大大超出实际加速与制动的测量要求。快速扫频测试结果如下表2 所示:扫描速率为2s，扫频范围不变，设计的电路照样工作正常。
[0066]
[0068]当速率为9kHz/s时，产生近3.6个g的加速度。新一代的车速仪中已经广泛应用了 这种电路。在长沙汽车质量监督检验鉴定试验中，检测到的数据误差与国标接轨，距离误差 控制在± 0.43 %以内，速度误差控制在± 0.4 %以内。
[0069]本实用新型的调理电路工作稳定，性能优良，达到了预期效果。而且试验表明，这 种电路不仅适用于车辆测试仪，由于其频率范围很大，还有很大的推广应用空间。
[0070] 本实用新型的梳状光电传感器，优越于传统的五轮仪，由接触式转换成是非接触 式传感器，实用方便，性能可靠，精度高，信噪比大，应用在测量车辆行驶性能效果十分好， 值得推广。
[0071] 本实用新型通过系列的试验，为锁相环设置预偏电路，车辆起步测量误差大的问 题得以解决，同时还大大提高了测量的精度和跟踪的速度。
[0072]以上所述仅是对本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上 的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与 修饰，均属于本实用新型技术方案的范围内。
【主权项】
1. 一种RT- Π 型非接触式车辆测试仪，其特征在于，该RT- Π 型非接触式车辆测试仪包 括梳状光电传感器、前置宽带通模拟滤波放大限幅电路、窄带通跟踪滤波器、整形电路、第 二锁相环、微机系统、偏置电路、第一锁相环、锁相环32倍频开关信号产生电路、双比较器； 所述梳状光电传感器、前置宽带通模拟滤波放大限幅电路、窄带通跟踪滤波器、整形电 路、第二锁相环、微机系统依次电连接，所述偏置电路、第一锁相环、锁相环32倍频开关信号 产生电路、双比较器依次连接，所述第一锁相环同时与前置宽带通模拟滤波放大限幅电路 输出端连接，所述双比较器输出端两端点与窄带通跟踪滤波器电连接； 所述窄带通跟踪滤波器包括滤波器电路和滤波器电路转化的等效电路，所述滤波器电 路和滤波器电路转化的等效电路由同相积分器、反馈电路和开关电容的等效电阻组成； 所述偏置电路由比较器、可控震荡器、施密特整形电路和可重触发单稳电路组成，所述 比较器、可重触发单稳电路、可控震荡器依次电连接，可控震荡器连接第一锁相环，所述施 密特整形电路与比较器并联并与第一锁相环直接连接。2. 如权利要求1所述的RT- Π 型非接触式车辆测试仪，其特征在于，所述采用集成电路 ⑶4046构成32分频的第一锁相环和第二锁相环包括两个相位比较器与一个可控振荡器，并 外接由比例积分环路滤披器构成相位负反馈闭环电路。3. 如权利要求1所述的RT-Π 型非接触式车辆测试仪，其特征在于，所述检测信号的梳 状光电传感器包括仪用放大器、梳状光电组件、照明组件、长镜头透镜和外壳;所述产生强 光并投射到路面形成光斑的照明组件位于外壳内部，所述采集光斑的长镜头透镜与形成对 应的像并产生相应的电信号的梳状光电组件连接，所述梳状光电组件与将梳状光电组件电 信号放大到IOOmV的电信号的仪用放大器连接。4. 如权利要求3所述的RT-Π 型非接触式车辆测试仪，其特征在于，所述梳状光电组件 包括多个娃光二极管成阵列对称均勾分布成的光敏条，所述光敏条包括A组光敏条和B组光 敏条;所述A组光敏条和B组光敏条与仪用放大器电连接。5. 如权利要求1所述的RT- Π 型非接触式车辆测试仪，其特征在于，所述滤波器电路由2 个同相积分器组成。
【文档编号】G01M17/007GK205538240SQ201620147552
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年2月26日
【发明人】王群
【申请人】湖南汽车工程职业学院