转速测量论文

1、传感技术自学报告不要删除行尾的分节符，此行不会被打印- -目录第1章 转速测量文献综述11.1 转速测量的意义11.2 转速测量现状11.2.1 磁电式转速测量31.2.2 光电式转速测量31.2.3 电感式转速测量4第2章 总体方案设计52.1 方案一52.2 方案二72.3 方案三82.4 方案分析对比102.5 小结10第3章 具体设计与特性分析113.1 传感器设计113.2 转换电路设计123.3 传感器总体分析123.4 使用条件和误差补偿123.5 仿真实验123.6 小结13总结14参考文献15心得体会16千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后

2、“更新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行- I -第1章 转速测量文献综述1.1 转速测量的意义在工程实践中,经常会遇到各种需要测量转速的场合, 例如在发动机、电动机、卷扬机、机床主轴等旋转设备的试验、运转和控制中,常需要分时或连续测量和显示其转速及瞬时转速。要测速，首先要解决是采样问题。在使用模技术制作测速表时，常用测速发电机的方法，即将测速发电机的转轴与待测轴相连，测速发电机的电压高低反映了转速的高低。为了能精确地测量转速外,还要保证测量的实时性,要求能测得瞬时转速方法。因此转速的测试具有重要的意义。    

3、60; 这次设计内容包含知识全面，对传感器测量发电机转速的不同的方法及原理设计这次设计内容包含知识全面，对传感器测量发电机转速的不同的方法及原理设计有较多介绍，在测量系统中能学到关于测量转速的传感器采样问题，单片机部分的内容，显示部分等各个模块的通信和联调。全面了解单片机和信号放大的具体内容。进一步锻炼我们在信号采集，处理，显示发面的实际工作能力。1.2 转速测量现状 随着科学技术的迅速发展，转速测量仪表已经步入现代化、电子化的行列。过去曾经使用过的接触式测量仪表，如离心式转速表、微型发电机转速表及钟表式定时转速表，均已先后受到了冷落；而利用已知频率的闪光与被测轴转速同步的方法来测速

4、的闪光测速仪，虽属非接触式仪表，目前仍有应用，但也退居次要地位。代之而起的是非接触式的电子与数字化测速仪表。这类转速仪表大多具有体积小、重量轻、读数精准、使用方便等优点，容易实现电脑屏幕显示和打印输出，能够连续的反应转速变化，即能测定发动机稳定状态下的平均转速，也能够用来在足够小的时间间隔这一特定条件下测定发动机的瞬时转速。  转速测量的方法有很多，根据工作原理可分为计数式、模拟式、同步式。计数式方法是用某种方式读出一定时间内的总转数；模拟式方法是测出由瞬时转速引起的某种物理量的变化；同步式是用利用已知的频率与旋转体的旋转同步来测量转速。根据不同的转换方式，测试方法见表1-2所示。一

5、般的转速测试可用机械式转速表、发电机式转速表以及频闪式测速表，但在有些情况下，其测量精度，瞬时稳定度不能满足更高的要求，因此，在测量方法和传感器的选择上显得尤为重要。常用的传感器种类有光电传感器、电磁式传感器、电容式传感器等，而测量方法上有测量转速周期、转速频率等 。表1-2型式测量方法适用范围特点备注技术式机械式通过齿轮传动数字轮中、低速简单、廉价光电式利用来自被测旋转体上的光 中、高速无扭矩损失、简单 数字式、转速计电磁式线是光电管产生脉冲 中、高速数字式转速计模拟式机械式 利用离心率和转速平方成正比的关系中、低速简单陀螺测速仪发电机式利用电机直流或交流电压与转速成正比的关系中、

6、低速可远距离指示陀螺测速仪电容式利用电容充放电回路产生与转速成正比的电流中、高速简单、可远距离指示 同步式机械式转动带槽的圆盘，目测与旋转同步体的转速中、高速无扭矩损失闪光式用已知频率的闪光测出与旋转体同步的频率中、高速无扭矩损失1.2.1 磁电式转速测量磁电式转速传感器基于电磁感应原理，通过磁电相互作用把转轴的转速转换成相对应的感应电动势，再经过对输出感应电动势信号进行处理和分析就可以得到转轴的实际转速。 如图1.2.1所示为磁电式转速传感器的结构图，它由装在轴上的内齿轮和外齿路、感应线圈、永久磁铁等部分组成。当内齿轮和外齿轮的齿凸相对时，气隙最小，磁阻最小，磁通最大;当内齿轮和外齿轮的齿凹

7、相对时，气隙最大，磁阻最大，磁通最小。这样当内齿轮与外齿轮相对运动时，传感器的磁通就发生周期性变化，从而在线圈中感应出电动势信号。 图1.2.11.2.2 光电式转速测量 1投射式光电转速传感器 投射式光电转速传感器设有读数盘和测量盘，两者之间存在间隔相同的缝隙。投射式光电转速传感器在测量物体转速时，测量盘会随着被测物体转动，光线则随测量盘转动不断经过各条缝隙，并透过缝隙投射到光敏元件上。 投射式光电转速传感器的光敏元件在接收光线并感知其明暗变化后，即输出电流脉冲信号。投射式光电转速传感器的脉冲信号，通过在一段时间内的计数和计算，就可以获得被测量对象的转速状态。  2反射式光电转速传

8、感器 反射式光电转速传感器是通过在被测量转轴上设定反射记号，而后获得光线反射信号来完成物体转速测量的。反射式光电转速传感器的光源会对被测转轴发出光线，光线透过透镜和半透膜入射到被测转轴上，而当被测转轴转动时，反射记号对光线的反射率就会发生变化。  反射式光电转速传感器内装有光敏元件，当转轴转动反射率增大时，反射光线会通过透镜投射到光敏元件上，反射式光电转速传感器即可发出一个脉冲信号，而当反射光线随转轴转动到另一位置时，反射率变小光线变弱，光敏元件无法感应，即不会发出脉冲信号。工作原理如图1.2.2。 图1.2.21.2.3 电感式转速测量 电感式传感器的基本原理是电磁感应原理，即利用

9、电磁感应将被测非电量，如压力，位移等，转换为电感量的变化输出，在经测量转换电路，将电感量的变化转换为电压或电流的变化，来实现非电量电测的。主要有变气隙式电感传感器，差动螺线管式电感传感器，差动变压器式电感传感器，电涡流式电感传感器。可以做成测量压力，位移，应变，流量，比重等的传感器。1.2.4 闪频式转速测量 闪频式转速测量仪，是利用人眼的视觉暂留现象而测量转速的方法。利用该原理，研制成各种型号的频闪式转速表。这种转速表由多谐振荡器、闪光灯、频率检测系统及电源等部分组成。由多谐振荡器产生各种频率的窄脉冲信号出发闪光灯，使闪光灯发出与脉冲频率同步有一闪一闪的光，用来照明旋转轴，测量转轴的转速。此

10、种方法的缺点是在测量高转速时由于受到人是视觉的限制无法正确定相，所以测量精度不高（最高0.5 级），而且测量距离短。第2章 总体方案设计 首先此次设计方案已经给定了技术指标：误差不大于1%且转速范围在5000r/min-20000r/min。所以尽管有些方案很好但不符合技术要求则不能使用。经分析大致选出两种设计方案。2.1 方案一 单衍射激光传感器测量工作原理： 向所测旋转物发射一小束窄激光束，激光束经旋转体不同表面反射返回传感器的光强各不相同， 传感器将返回光束的光强的强弱转换成连续的电压信号，信号经过控制器的门槛电路处后就可以输出一定频率的数字信号。应用系统如

11、图2.1 所示：图2.1 由激光发射器发出的激光光束直接射到增压器压气机的叶片上，叶片旋转时，不同表面沿原光束返回的光强各不相同，其中叶片上边缘反射回来的光强最强，其他斜坡面返回的光强较弱。即每一个叶片转过时光强感应器会返回一个强脉冲，通过激光器控制器设定一个合适的门限值，再通过信号处理电路将传感器控制器出来的信号整形为5 V 的适应于单片机系统捕捉的数字转速信号。激光测速系统采用测周法测量转速，转速信号的捕捉采用单片机的T2 计数器的T2EX 口，当T2EX 口检测到下降缘时, 触发一个中断，并将当前计数器寄存器的值锁存R

12、CAP 寄存器。因此，通过两次中断连续读取RCAP 寄存器的值并相减即可计算出转速信号的周期，进而确定当前转速。其计算公式为 N = 60  ×1/ ( RCAP2- RCAP 1)  ×T 2EX ×N1 式中, N 为转速, r/ min, N1 为增压器叶片数目,RCAP2 为当前中断计数器值, RCAP1 为上次中断计数器值,&#

13、160;T 2EX 为计数器计数时间间隔, s。 高精度激光转速测量系统硬件部分结构框图如图2.2 所示：图2.2 主要由激光传感器、激光传感器控制器、信号处理电路、单片机系统和LED 数字显示器等几部分组成。信号测量选用Keyence 单衍射激光传感器。它包括激光发射头和控制器两部分, 其中, 激光传感器实时发射激光并感应反射光强。控制器用于设定传感器工作模式和门槛电压， 其主要工作参数见表2-1：表2-1控制器LV-21A放大器主要参数响应时间FINE:80LTUYBO,SUPER:4ms检

14、测模式STANDER-1工作电压DC12-24V工作消耗1.5W 电压比较电路由集成运算放大器MAX427 构成, 它能将传感器控制器出来的信号整形为5 V 方波信号。单片机系统是整个测试系统的核心部分, 它实时捕获外围测量系统传来的转速数字信号, 并根据叶片数目等初始设定, 计算出当前的转速122。然后实时地在LED 显示模块中显示转速值, 同时将转速值输山到AD 口以及RS232 通讯模块。本单片机采用的是AD 公司的ADuC812 微控制器, 它以8

15、051 为核心, 包含电源监视器, 3 路16 位的时钟, 8 k 字节的Flash 用来存放程序, 640 字节的用户E2PROM, 256字节的内存，I2C 和SPI, 0SC( 系统时钟) 等,另外还有8 AD( AINO AIN7) , 两路DA( DAC0 和DACl) , 四个端口P0 P3, 其中P1 与

16、8 路AD共用管脚) 。其中T2 可作为数字输入捕捉计数器使用, 可以满足系统的要求。RS232 通讯接口用于与上位计算机或工控系统相连, 实现上位机与单片机间进行程序下载和数据传输。我们用集成的芯片进行电平转换, 选择RS232电平转换的典型的芯片Max 202 , 其电路图如图2.3所示。数据显示器选用LED 数码管。因为增压器转速最高只有几十万转每分钟, 可采用型号为4320 的数码管, 该数码管是由六个8 段发光二极管组成的6位数码管,&

17、#160;最大显示转速范围为999 999 r/ min, 能满足设计需要。数码管采用P0 口与P2 口加三极管共同驱动, ADUC812 的P0 口定义为数段选通开关, P2口定义为数字显示控制开关, 编程思路为: 如果开始时只接通其中第一路开关, 同时, 向P 2 口写入相应的数据, 然后, 关掉这路开关, 按顺序接通下一路开关, 也向P 2 口写入相应的数据, 

18、这样循环不停, 由于人眼的视觉暂停特性, 就能看到六个数字。图2.3 软件设计部分就是：程序采用Keil C 软件开发, 由标准C 编写, 软件流程如图2-5所示。其中初始化将系统中所有命令、状态及有关存储单元置成初始状态, 主要是将T2 计数器初始化为输入捕捉模式, 并将T2EX 初始化为数字输入口, 初始化RS232 通讯模块、DA 输出模块,开中断等。2.2 方案二 反射式光电转速传感器 反射式光电转速传感器是通过在被测量转轴上设定反射记号，而后获得

19、光线反射信号来完成物体转速测量的。反射式光电转速传感器的光源会对被测转轴发出光线，光线透过透镜和半透膜入射到被测转轴上，而当被测转轴转动时，反射记号对光线的反射率就会发生变化。 反射式光电转速传感器内装有光敏元件，当转轴转动反射率增大时，反射光线会通过透镜投射到光敏元件上，反射式光电转速传感器即可发出一个脉冲信号，而当反射光线随转轴转动到另一位置时，反射率变小光线变弱，光敏元件无法感应，即不会发出脉冲信号。由于光电转速传感器是以光线的投射和接收来完成转速测量的一种转速表。光电转速传感器的设计精密、应用方便，使用范围广泛。光电转速传感器的优点很多，例如结构紧凑、运行稳定、不会对被测量轴形成额外负

20、载等。 直接测量转速的方法很多，可以采用各种光电传感器，也可以采用霍尔元件。本实验采用光电传感器来测量电机的转速。由于光电测量方法灵活多样，可测参数众多，一般情况下又具有非接触、高精度、高分辨率、高可靠性和响应快等优点，加之激光光源、光栅、光学码盘、CCD器件、光导纤维等的相继出现和成功应用，使得光电传感器在检测和控制领域得到了广泛的应用。本实验是反射式光电转速传感器的工作原理见图2.2。图2.2 主要由被测旋转部件、反光片（或反光贴 纸）、反射式光电传感器组成，在可 以进行精确定位的情况下，在被测部 件上对称安装多个反光片或反光贴纸 会取得较好的测量效

21、果。在本实验中， 由于测试距离近且测试要求不高，仅 在被测部件上只安装了一片反光贴纸， 因此，当旋转部件上的反光贴纸通过 光电传感器前时，光电传感器的输出 就会跳变一次。通过测出这个跳变频反射式光电转速传感器的结构图 率f，就可知道转速n=60f （转/分）。  如果在被测部件上对称安装多个反光片或反光贴纸，那么，n=60f / N。N为反光片或反光贴纸的数量。 2.3 方案三 电涡流测速传感器 电涡流测速传感器系统中的前置器中高频振荡电流通过延伸电缆流入探头线圈，在探头头部的线圈中产

22、生交变的磁场。当被测金属体靠近这一磁场，则在此金属表面产生感应电流，与此同时该电涡流场也产生一个方向与头部线圈方向相反的交变磁场，由于其反作用，使头部线圈高频电流的幅度和相位得到改变（线圈的有效阻抗），这一变化与金属体磁导率、电导率、线圈的几何形状、几何尺寸、电流频率以及头部线圈到金属导体表面的距离等参数有关。通常假定金属导体材质均匀且性能是线性和各项同性，则线圈和金属导体系统的物理性质可由金属导体的电导率、磁导率、尺寸因子、头部体线圈与金属导体表面的距离D、电流强度I和频率参数来描述。则线圈特征阻抗可用Z=F(, , , D, I, )函数来表示。通常我们能做到控制, , , I, 这几个参

23、数在一定范围内不变，则线圈的特征阻抗Z就成为距离D的单值函数，虽然它整个函数是一非线性的，其函数特征为“S”型曲线，但可以选取它近似为线性的一段。于此，通过前置器电子线路的处理，将线圈阻抗Z的变化，即头部体线圈与金属导体的距离D的变化转化成电压或电流的变化，输出信号的大小随探头到被测体表面之间的间距而变化，电涡流测速传感器就是根据这一原理实现对金属物体的位移、振动等参数的测量。 图为电涡流式转速传感器工作原理图。在软磁材料制成的输人轴上加工一键槽，在距输人表面do处设置电涡流传感器，输入轴与被测旋转轴相连。图2-3 当被渊旋转轴转动时，输出轴的距离发生do +d的变化。由于电涡流效应，这种变化

24、将导致振荡谐振回路的品质因数变化，使传感器线圈电感随,d的变化也发生变化，它们将直接影响振荡器的电压幅值和振荡频率。因此，随着输人轴的旋转，从振荡器输出的信号中包含有与转数成正比的脉冲频率信号。该信号由检波器检出电压幅值的变化量，然后经整形电路输出脉冲频率信号fo。该信号经电路处理便可得到被测转速。当被测自行车旋转式，当自行车辐条经过电涡流传感器时，则电感L1线圈产生的磁场将导致在辐条中产生电涡流，并将贯穿辐条，此时磁场能量受到损耗，使得到达电感L2的磁通将减弱，从而使得L2产生的感应电压U2下降。随着自行车的车轮的旋转，从振荡器输出的信号中包含于转速成正比的脉冲频率信号。该信号由检波器检出电

25、压幅值的变化量，然后经整形电路输出为fn的脉冲信号。通过鉴频器便可以得到Un，与给定的电压Vmin比较，如果Un<Vmin时，即当车速未达到设定值(Vmin)时，比较器输出为零，不能使二极管导通，则发光二极管不亮。如果Un>Vmin时，即当车速达到设定值(Vmin)时，比较器输出为高电平，能使二极管导通，则发光二极管亮，并且扬声器发出声音。2.4 方案分析对比 方案一：采用单衍射激光传感器测量进行电机的转速测量，并通过集驱动、译码于一体的数码管显示转速。测量精确度高，操作困难难，承成本高。方案二：光电转速传感器 光电转速传感器属于非接触式转速测量仪表，它的测量距离一般可达200mm

26、左右。结构紧凑，非常便于使用者的携带、安装和使用。多采用LED作为光线投射部件，极少会出现光线停顿的情况，多采用LED作为光线投射部件，极少会出现光线停顿的情况。方案三：电涡流测速传感器 金属移动时产生涡流，感应精度不高，设别操作困难，且感应器价格较贵。 通过比较方案二操作简单，实施容易，所以我们选择方案二。2.5 小结 本章对三种不同的转速测量系统进行了分析与说明，分别具体了解了他们的优点和不足之处。并且得出一个最优方案进行进一步分析。第3章 具体设计与特性分析3.1 传感器设计有光源、光学通路和光电元件3部分组成被测旋转部件、反光片反射式光电传感器。由光通量对光电元件的作用原理不同所制成的

27、光学测控系统是多种多样的，按光电元件输出量性质可分二类，即模拟式光电传感器和脉冲(开关)式光电传感器。模拟式光电传感器是将被测量转成连续变化的光电流，它与被测量间呈单值关系。模拟式光电传感器按被测量(检测目标物体)方法可分为透射式，漫反射式，遮光式三大类。所谓透射式是指被测物体放在光路中，恒光源发出的光能量穿过被测物，部份被吸收后,透射光投射到光电元件上；所谓漫反射式是指恒光源发出的光投射到被测物上，再从被测物体表面反射后投射到光电元件上；所谓遮光式是指当光源发出的光通量经被测物光遮其中一部份，使投射到光电元件上的光通量改变,改变的程度与被测物体在光路位置有关。光敏二极管是最常见的光传感器。光

28、敏二极管的外型与一般二极管一样，当无光照时，它与普通二极管一样，反向电流很小，称为光敏二极管的暗电流；当有光照时，载流子被激发，产生电子-空穴，称为光电传感器。光敏三极管除了具有光敏二极管能将光信号转换成电信号的功能外，还有对电信号放大的功能。光敏三级管的外型与一般三极管相差不大，一般光敏三极管只引出两个极发射极和集电极，管壳同样开窗口，以便光线射入。为增大光照，基区面积做得很大，发射区较小，入射光主要被基区吸收。工作时集电结反偏，发射结正偏。在无光照时管子流过的电流为暗电流Iceo=（1+）Icbo（很小），比一般三极管的穿透电流还小；当有光照时，激发大量的电子-空穴对，使得基极产生的电流I

29、b增大，此刻流过管子的电流称为光电流，集电极电流Ic=（1+）Ib，可见光电三极管要比光电二极管具有更高的灵敏度。本实验选用光电三极管来实现任务。3.2 转换电路设计图3.13.3 传感器总体分析 转速确定转速n=f×60/p，n为每分钟转速，f为传感器输出脉冲频率Hz，一般取500，1000，2000Hz，p为光栅槽数。如p=200，f=1000Hz，n=300r/min时，示波器显示脉冲波形稳定，便于分析。 静态测试传感器送入电源，用手缓慢转动，用指针式万用表直流电源档检测输出电平，有高、低电平变化可视为正常。同理，如快速转动，则有1/2高电平输出为正常。3.4 使用条件和误差补偿1、选用的光电传感器要频率高，带背景遮蔽功能，光斑要小；2、现场环境，比如烟尘、水雾较大，再比如电磁干扰等等；3、被测部位的反射率过高或过低，传感器安装的入射角度不正确。3.5 仿真实验建立敏感元件、转换元件、转换电路部分的仿真模型，在软件中仿真得到测量数据，并与设计结果对比。若有此部分内容，则报告成绩提高。3.6 小结本章设计了光电转速传感器的使用方法，并验证了光电传感器的可行性。千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。“结论”以前的所有正文内容都要编写在此行之前。- 15 -结论