光电传输旋转体多通道测量系统 本发明属于电子技术领域
目前测量旋转体上的某些物理量如应变、温度、压力等，均采用滑环(引电器)将旋转体上的信号引至静止部分后再加以测量。但由于引电器与测量敏感元件直接串联，引电器接触电阻、接触电势、内引线电阻均会在旋转过程中变化，这些变化无法与敏感元件的正常输出相区别，结果将造成误差。同时敏感元件输出的有效信号通常十分微小，当旋转体作高速旋转时，情况进一步恶化，引电器就会产生较大的误差，影响测量的精度。在相当长的时间里，人们对引电器作了大量的研究和开发工作，以求进一步提高引电器的性能。其中水银引电器是佼佼者，经过精密加工和仔细处理，其指标在所有引电器中首屈一指，但汞污染迫使其逐步退出使用。其他引电器均为固体滑环式，尽管国内外有关单位做了大量的工作，但在主要电气指标和寿命方面仍无突破，而且价格昂贵(国外价格通常在数千美元)。这样，引电器成了影响旋转体测量的结症，随着水银引电器的退役，情况变得更为严峻。
在这种情况下，人们将注意力转到非接触测量方式上，一种类似遥测的方法逐渐形成，它利用电波的传输，将敏感元件的输出信号传到静止部分，经过信号和数据处理完成测量。由于遥测的理论和方法比较成熟，加上集成电路等元器件的发展，这种方法不失为一种有前途的测量手段。但在旋转体上应用时，尤其是高速旋转地物体，由于采用感应方式供电，电压随转速的变化而变化，且有较大的干扰，同时采用此方法其供电方式需要占用较大的有效空间，使这种方法未能得到广泛应用。
鉴于现有测量中存在的弱点和局限性，本发明的目的是设计一种测量精度高，速度快，可靠性好，自动化程度高、无污染且供电方式不占用有效空间的光电传输旋转体多通道测量系统。
本发明是一种光电传输旋转体多通道测量系统，该系统主要包括有安装在旋转体中旋转件上的部件称旋转部件(111)，和安装在旋转体中非旋转件上的部件及旋转体外的部件称静止部件(112)两部份及系统软件组成；
旋转部件(111)包括有敏感元件(1)、微型数据采集系统(211)、光传输部件(212)、电源(213)，该旋转部件(111)除敏感元件(1)安装在被测旋转件的任意被测点上，其余的部件焊接或安装在印刷电路板上，印刷电路板置放在圆柱形壳体内，该圆柱形壳体安装在旋转壳体(214)的中空部份(215)的空间内；在旋转部份(111)中的微型数据采集系统(211)中包括有：模拟开关(2)、偏置电路(3)、放大器(4)、A/D转换器(5)和单片机(6)；在光传输部件(212)中包括有：光驱动电路(7)和光传输器件(8)；在电源(213)中包括有；电源电路(9)和旋转体上的旋转部件导电轴承(10)、(10’)，藉此导电轴承(10)、(10’)传导电源；
静止部件(112)包括有系统供电电源(11)、光传输器件(12)、缓冲电路(13)、接口电路(14)、主计算机(15)、打印机(16)和显示器(17)，其中除光传输器件(12)安装在旋转体中的非旋转件定位轴(216)上外，其余的均置放在旋转体体外。
旋转部件(111)中的敏感元件(1)可根据需要安装在被测旋转件上，其输出端连接微型数据采集系统(211)中的模拟开关(2)，模拟开关(2)的输出端连接偏置电路(3)的输入端，偏置电路(3)的输出端连接放大器(4)的输入端，放大器(4)的输出端连接A/D变换器(5)的输入端，A/D变换器(5)的输出端连接单片机(6)，单片机(6)的输出连接光传输部件(212)中的光驱动电路(7)的输入端，光驱动电路(7)的输出端连接光传输器件(8)。由电源电路(9)为旋转部件(111)供电。
旋转部件(111)中的敏感元件(1)根据测量需要可以是应变计或热电阻RTD1、RTD2......RTDn、热电偶T1、T2......Tn用来测量温度，可以是桥式压力或载荷传感器P1、P2......Pn用来测压力(压强)或载荷，敏感元件的激励电源由电源电路(9)提供，连接方式采用共地连接法。
微型数据采集系统(211)中的偏置电路(3)是根据使用的敏感元件(1)的不同而决定其连接方式的，当使用的敏感元件(1)是应变计或热电阻RTD1、RTD2......RTDn时，其电路连接形式是：电源连接R1的一端，R1的另一端串接VR的一端，VR的另一端串接R2的一端、R2的另一端接地，VR的中间点连接放大器(4)的高端(+)，模拟开关(2)的输出端连接放大器(4)的低端(-)；当敏感元件(1)使用的是热电偶T1、T2......Tn或桥式压力传感器P1、P2....Pn时，则不需要偏置电路(3)，采用模拟开关(2)直接连接放大器(4)。
光传输部件(212)中的光驱动电路(7)的连接方式是：C1与R1并连后其一端连接单片机(6)另一端连接Q1的基极，Q1的发射极接地，Q1的集电极通过电阻R2接5V电源，R2与Q1的公共端连接光传输器件(8)的正极，光传输器件(8)的负极接地。光信号的传输可以是一方发送、一方接收的单工方式，也可以是二方均可接收、发送的双工方式。
电源(213)中的电源电路(9)采用三端稳压块7806、7805、78XX、7906提供±6V、5V、A/D转换器的基准电源(VREF)和敏感元件(1)的激励电源(XXV)。旋转部件(111)的工作过程是：由各敏感元件(1)输出的信号经模拟开关(2)经偏置电路(3)轮流送入放大器(4)，信号经放大器放大后送入A/D转换器(5)，A/D转换器(5)将模拟量转换成数字量后送入单片机(6)进行处理，经单片机(6)处理后的信号经光驱动电路(7)驱动光传输器件(8)。电源(213)可由电源电路(9)为旋转部件(111)提供三至五组电源，其中±6V提供模拟电路电源，+5V提供数字电路电源，这三组电源是共有的，第四组电源根据选用的A/D是否需要外接基准电源确定电压值，第五组电源是敏感元件(1)为传感器时的激励电源，其电压值根据需要而设定，当敏感元件(1)为热电偶时不需要此电源。由系统供电电源(11)送来的±9V和公共端，通过导电轴承(10)、(10’)为电源电路(9)供电，电源电路(9)为旋转部件(111)供电，系统供电电源(11)还为安装在定位轴(216)上的光传输器件(12)、及缓冲电路(13)供电。
本发明静止部件(112)中的光传输器件(12)连接缓冲电路(13)，缓冲电路(13)的输出端连接接口电路(14)的输入端，接口电路(14)的输出端连接主计算机(15)，主计算机(15)同时连接打印机(16)、显示器(17)，系统供电电源(11)为本发明供电。
静止部件(112)中的缓冲电路(13)的连接方式是：电阻R1.R2.R4.R6的一端相连后接+5V电源，R1的另一端连接光传输器件(12)的负极，光传输器件(12)的正极连接Q1的基极，Q1的集电极连接R2的另一端，同时还连接R3与C1并联的一端，R3与C1并联的另一端连接Q2的基极，Q2的集电极连接R4的另一端、同时还连接R5与C2并联后的一端，R5与C2并联后的另一端连接Q3的基极，Q3的集电极连接R6的另一端，Q1.Q2.Q3的发射极同时接地。
静止部件(112)中的接口电路(14)由智能前端(141)和计算机接口电路(142)两部份组成，自缓冲电路(13)输出的信号首先送智能前端(141)，然后送计算机接口电路(142)，经计算机接口电路(142)送入主计算机(15)。
静止部件(112)的工作过程是：静止部件(112)中的光传输器件(12)与旋转部件(111)中的光传输器件(8)遥相呼应，其发射光的光传输器件(8)可以采用发光二极管或半导体激光器。接收光信号的光传输器件(12)可根据传输速率采用光敏二极管、光敏三极管、光电阻或光电池等敏感元件，当光传输器件(8)发射来的光信号被光传输器件(12)接收后，该光传输器件(12)将接收到的光信号传送到缓冲器(13)中进行整形，整形后的信号送接口电路(14)，信号经接口电路(14)送入主计算机(15)，经主计算机(15)处理后，将结果信号输出到打印机(16)打印或输出到显示器(17)显示。
本系统的主程序软件共由三部份组成：
1、旋转部件中单片机的软件；2、计算机接口板中单片机的软件；3、主计算机的软件。
本发明的优点和独特之处是：
1.利用光作为传输媒介，根据任何旋转体都有一轴心的原理，在其轴心处安装光电传输器件，在旋转体轴心相对的非旋转件上安装另一光电传输器件，则可进行光信号的传输，包括一方接收另一方发送的单工作方式和二方均可接收和发送的双工作方式。
2.取消引电器，将由单片机控制的全套数据采集系统，完整地安装在一个小的空间内，在旋转体上完成数据采集，由光--电传输传递信号，大大的减小了误差。
3.利用轴承向旋转部件供电，电流可达0.5A，而且不占用有效空间，不产生干扰，能满足测量要求。
4.本系统无污染、测量速度快、精度高、可靠性好、自动化程度高、使用寿命长、性能价格比高。
本发明有如下附图：
图1.光电传输旋转体多通道测量系统总原理框图。
图2a.b.c.敏感元件及其接法。
图3a.b.c.偏置电路图。
图4.光发射及其驱动电路图。
图5.旋转部份的电源电路。
图6.光接收及其缓冲电路。
图7.智能前端及计算机接口电路框图。
图8.计算机接口电路原理图。
图9.主程序流程图。 图11.支座示意图。
图10.旋转体结构示意图。 图12.定位座示意图。
图中标号如下：
1.敏感元件(热电阻，应变计：RTD1～RTDn、热电偶：T1～Tn、
桥式压力传感器。载荷传感器：P1～Pn)
2.模拟开关 3.偏置电路(电阻：R1.R2电位计：VR)
4.放大器 5.A/D转换器(模拟---数字转换器)
6.单片机(CPU)
7.光驱动电路(电阻：R1.R2三极管：Q1电容：C1)
8.光传输器件
9.电源电路(三端稳压块：7805.7806.78XX.7906)
10.10’导电轴承 11.系统供电电源
12.光传输器件
13.缓冲电路(电阻：R1～R6电容：C1、C2三极管：Q1～Q3)
14.接口电路 15.主计算机
16.打印机 17.显示器
111.旋转部件 112.静止部件
141.智能前端 142.计算机接口电路
211.微型数据采集系统212.传输部件
213.电源 214.旋转壳体
215.中空部份 216.定位轴 217.定位座 218.支座
下面结合附图介绍各部分：
敏感元件(1)：这是用户根据要求测量的物理量自行选定的，通常有应变计--测应变或应力；热电偶或热电阻--测温度；压力传感器--测压力(压强)；力或载荷传感器--测力或载荷。这部分安装在被测旋转体上，其位置由用户根据需要确定，通过它将被测物理量转变成电信号，送入微型数据采集系统(211)，其连接方式采用共地接法，其中图2a为应变计或热电阻，图2b为热电偶，图2c为桥式压力、力或载荷传感器。
模拟开关(2)：本发明是一个多通道测量系统，它具有多个输入通道。各敏感元件(1)或传感器的输出，经过模拟开关(2)轮流送入放大器(4)。模拟开关(2)的型号为：CD4051或CD4052或CD4067，根据敏感元件(1)或传感器的数量和型式及旋转部件的空间与尺寸决定，当采用桥式传感器时，因为有二个输出端，选用CD4052，其他则用CD4051或CD4067。
偏置电路(3)：根据敏感元件不同，采用三种不同类型的偏置，图3a为应变计或热电阻型式，图3b为热电偶型式，图3c为各种桥式传感器型式。
放大器(4)：任何型式的仪器放大器均可，可根据所用敏感元件(1)的灵敏度及被测物理量的大小选择适当的增益，根据采集速率选择动态特性适用的放大器，并以系统整体指标考虑噪声、漂移等。
A/D转换器(5)：可根据要求的精度和采集速率进行选择，通常选用8bt、10bt或12bt，转换时间可在1μs至30μs间选择，需说明一点，不恰当的高指标是以昂贵的价格作代价的，如1μs 12bat A/D的价格将超过20μs 8bt A/D的一百倍以上。
单片机(6)：采用51与96系列单片机
光驱动电路(7)和光传输器件(8)：因CPU的输出无驱动能力，故需驱动电路提供功率，光驱动电路(7)随光传输器件(8)不同而定，发光二极管与半导体激光器的驱动电路有差别。图4是砷化碳发光二极管及其驱动电路。
电源电路(9)：旋转部分共有三至五组电源，其中±6V(模拟电路电源)和+5V(数字电路电源)三组为共有的，根据选用的A/D是否需要外接基准电源，确定第四组电源是否需要及确定电压值，第五组电源是敏感元件或传感器的激励电源，其电压根据需要设定，但热电偶不需要此组电源。电路型式如图5所示。
导电轴承(10)、(10’)：该导电轴承(10)、(10’)的内外环分别与旋转部分和静止部分联接，系统电源的±9V及公共端连接到导电轴承(10)、(10’)，通过导电轴承(10)、(10’)为旋转部分提供电源。
系统供电电源(11)共三组：
(1)+9V，1A及公共端↓；
(2)-9V，0.1A及公共端↓；
(3)+5V，0.2A及公共端。
可见，±9V有同一个公共端↓，此公共端也即旋转部分的参考电位，而+5V的公共端与主计算机内的地相通，″↓″与之间是绝缘的。
光传输器件(12)：该光传输器件(12)接收、与(8)发射相对应，接收采用光敏二极管、光敏三极管或光电阻、光电池等敏感元件，根据传输速率确定；发射则采用发光二极管或半导体激光器。
缓冲电路(13)：该缓冲电路(13)接收时，其功能是整形、缓冲，电路如图6所示；当发射时，则是一驱动电路，如图4所示。
接口电路(14)：该接口电路(14)是由一个智能前端(141)和计算机接口电路(142)组成，智能前端(141)用一个51系列单片机和旋转部件中的单片机进行串行通讯接收数据，再将串行码转换成并行码，然后通过计算机接口电路(142)将数据送入主计算机，见图7所示，其波特率根据A/D的采集速度确定，最高可达375K，接收的数据经串并转换，并检查数据在传输过程中有无错误后，通知主计算机将数据取走。
计算机接口电路(142)：它由总线驱动电路、地址译码电路、工作方式选择电路构成，可根据需要用查询方式或DMA方式(通道方式)与主计算机联机，一般在速度不高的情况下用查询方式，原理框图如图8所示。
主计算机(15)：该主机选用一般的286PC机即可。
打印与显示(16)、(17)：显示器与打印机无特殊要求，常用的显示器与打印机均可选用。
工作中旋转部件(111)通过联轴节与被测物体共同旋转，因此，旋转部件(111)中的元器件及连线均承受离心力，离心力的大小为： F=mω2R=m4π2n23600R=mπ2n2R900≈mn2R90]]>例如：n＝3000转/分，R＝0.05米，则 F＝5000·m≈500mg即离心力达到原来重量的约500倍。因此必须考虑元器件的安装固定的牢固度。在空间尺寸允许的情况下，旋转部件应做得细长些，以减少半径R，从而减小元器件承受的离心力。
本发明可以工作在恶劣的环境下，若用在一般条件或较好的条件下，效果会更佳。
技术条件：
1.敏感元件为120Ω应变计
2.敏感元件激励电压 2.5V(伏)
3.应变测量范围 100μV--800μV(微伏)(40—320με)(微应变)
4.转速 5000转/分
5.输入通道数 16
6.分辨率 2με(微应变)
7.频率响应 0-500HZ(赫)
8.通道切换速率 200ms(毫秒)