《传感器与检测技术》课件 项目6 速度的检测

项目6速度的检测任务6.1基于霍尔开关传感器的转速

仪设计

任务6.2基于对射式光电传感器的转

速测量仪设计

任务6.3基于磁电传感器的转速测量

仪的设计任务6.1基于霍尔开关传感器的转速仪设计◎知识目标理解霍尔效应的基本原理。了解霍尔传感器在现实生活中的应用情况。熟悉霍尔元件及其在应用中需要考虑的问题。认识几种典型的集成霍尔传感器。

◎技能目标能正确选用霍尔传感器。掌握集成霍尔传感器典型应用电路的分析、设计和调试方法。任务6.1基于霍尔开关传感器的转速仪设计◎素质目标提高独立工作、进行创造性工作和综合运用知识的能力。提升解决实际工作问题的综合素养。任务6.1基于霍尔开关传感器的转速仪设计任务导入某天，小明骑着一辆电动自行车在路上，看了一眼仪表盘上显示当前速度，随即想到，电动车是怎么测量当前的车速呢？通过查询相关资料得知，原来电动车的车轮里面安装一种转速仪，其中最常用的是利用霍尔开关传感器做成的转速仪。那么霍尔转速仪的结构是什么样的呢？他的工作原理是什么？任务6.1基于霍尔开关传感器的转速仪设计

任务6.1基于霍尔开关传感器的转速仪设计图6-1霍尔效应任务6.1基于霍尔开关传感器的转速仪设计（2）霍尔元件根据霍尔效应，人们用半导体材料制成的元件叫霍尔元件。它具有对磁场敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、输出电压变化大和使用寿命长等优点，因此，在测量、自动化、计算机和信息技术等领域得到广泛的应用。任务6.1基于霍尔开关传感器的转速仪设计（3）霍尔传感器由于霍尔元件产生的电势差很小，故通常将霍尔元件与放大器电路、温度补偿电路及稳压电源电路等集成在一个芯片上，称之为霍尔传感器。如图所示，是一种型号霍尔传感器的外形图。任务6.1基于霍尔开关传感器的转速仪设计2.霍尔传感器的分类霍尔传感器分为线性型霍尔传感器和开关型霍尔传感器两种。（1）线性型霍尔传感器由霍尔元件、线性放大器和射极跟随器组成，它输出模拟量。（2）开关型霍尔传感器由稳压器、霍尔元件、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成，它输出数字量。任务6.1基于霍尔开关传感器的转速仪设计3.霍尔传感器的特性（1）线性型霍尔传感器的特性输出电压与外加磁场强度呈线性关系，如下图6-3所示，可见，在B1～B2的磁感应强度范围内有较好的线性度，磁感应强度超出此范围时则呈现饱和状态。图6-3线性型霍尔传感器的特性曲线任务6.1基于霍尔开关传感器的转速仪设计（2）开关型霍尔传感器的特性如图6-4所示，其中BOP为工作点“开”的磁感应强度，BRP为释放点“关”的磁感应强度。图6-4开关型霍尔传感器的特性曲线当外加的磁感应强度超过动作点BOP时，传感器输出低电平，当磁感应强度降到动作点BOP以下时，传感器输出电平不变，一直要降到释放点BRP时，传感器才由低电平跃变为高电平。BOP与BRP之间的滞后使开关动作更为可靠。任务6.1基于霍尔开关传感器的转速仪设计另外还有一种“锁键型”（或称“锁存型”）开关型霍尔传感器，其特性如图6-5所示。图6-5锁存型开关型霍尔传感器特性曲线当磁感应强度超过动作点BOP时，传感器输出由高电平跃变为低电平，而在外磁场撤消后，其输出状态保持不变（即锁存状态），必须施加反向磁感应强度达到BRP时，才能使电平产生变化。任务6.1基于霍尔开关传感器的转速仪设计

任务实施一、任务分析霍尔传感器往往用于被测旋转轴上已经装有铁磁材料制造的齿轮，或者在非磁性盘上安装若干个磁钢，也可利用齿轮上的缺口或凹陷部分来实现检测。目前，用于测速的霍尔传感器主要为霍尔开关集成传感器及霍尔接近开关。小明要利用霍尔传感器制作转速仪，首先要选择合适的霍尔传感器，再进行电路设计和制作，最后进行电路的调试。任务6.1基于霍尔开关传感器的转速仪设计二、实施过程1.霍尔传感器选型目前，国内外霍尔开关集成传感器的型号很多，如国产的SH111～SH113型，其各有A、B、C、D四种类型，其参数如表6-1所示。参数型号截止电源电流/mA导通电源电流/mA输出低电平/V高电平输出电流/μA导通磁通/mT截止磁通/mTSH111SH112SH113A≤5≤8≤0.4≤108010B6010C4010D2010表6-1国产霍尔集成开关传感器的主要参数任务6.1基于霍尔开关传感器的转速仪设计

国外产常用型号主要有UGN/UGS系列，其主要参数如表6-2。参数型号导通磁通/mT截止磁通/mT最大值典型值典型值最小值UGN/UGS3019L504230103020L35221653040L2015105表6-2美国产霍尔集成开关传感器的主要参数任务6.1基于霍尔开关传感器的转速仪设计此类传感器的基本工作原理是当施加于传感器的磁通小于某一值（如SH111A型为10mT）时，其输出开关是断开的；否则，输出开关为导通。利用其这一特性，在被测转轴上装一非磁性转盘，并在转盘四周均匀地安装若干个磁钢（磁钢数量越多，每转一圈产生的脉冲数就越多），每转一圈可以产生若干个脉冲信号。通过F/V转换电路，将传感器输出的脉冲信号转换成与之成比例的模拟电压，即可推动指针式仪表进行指示转速。任务6.1基于霍尔开关传感器的转速仪设计2.转速仪电路设计霍尔转速计主要由装有永久磁铁的转盘、霍尔开关集成传感器、F/V电路、表头及电源几部分组成，其具体电路如图6-6所示。任务6.1基于霍尔开关传感器的转速仪设计其中电源部分没有给出。图中IC1为霍尔集成开关传感器SH113D，被测转轴每转一圈产生1个脉冲信号。LM2917为F/V专用转换芯片，配合外围电路构成频率/电压转换电路。被测信号经过电位器RP1接入LM2917的1脚，调节RP1可以改变输入频率信号的幅度。12V电源经过R2、二极管VD1分压后，向芯片内部比较器反相输入端提供0.6V的参考电压（即输入信号的幅度必须大于0.6V）。R4是输出电压的负载电阻，其取值范围是4.3K～10K。0～10V电压表接在R2两端，用来指示被测频率值（转速）。该电路的输出电压为：

任务6.1基于霍尔开关传感器的转速仪设计由式6-2可知，在Vcc、RP2、C1一定的情况下，则输出电压Uo只与f成正比，f改变则Uo也改变，根据Uo的值即可知道f的大小。电路中，若电源电压取12V，当传感器输出信号频率为166.6HZ（即转速为最大值9999转/分，测量仪的最大测速）时，表头应指示在最大值10V处，根据式6-2可得RP2·C1=50ms，若C1取0.02μF，则RP2的值为250K，为了增加调节范围，RP2取300K。这样，输出电压在一定范围内可调，理论上输出电压最高可达12V。任务6.1基于霍尔开关传感器的转速仪设计3．电路制作（1）应用EDA软件(如ProtelDXP2004)画出原理图；（2）用仿真软件（如Proteus），验证电路功能；（3）元件布局和布线，完成PCB设计；（4）将PCB图纸，送去PCB加工厂制作成电路板；（5）根据电路原理图，导出元器件清单（BOM），并依此采购元器件；（6）元件的安装与焊接；（7）霍尔开关集成传感器的安装。任务6.1基于霍尔开关传感器的转速仪设计应用霍尔开关传感器测量转速，安装的位置与被测物距离视安装方式而定，一般为几到十几毫米。图6-7（a）为在一圆盘上安装一磁钢，霍尔传感器则安装在圆盘旋转时磁钢经过的地方。圆盘上磁钢的数目可以为1、2、4、8个等，均匀地分布在圆盘的一面。图6-7（b）适用于原转轴上已经有磁性齿轮的场合，此时，工作磁钢固定在霍尔传感器的背面（外壳上没有打标志的一面），当齿轮的齿顶经过传感器时，有多的磁力线穿过传感器，霍尔集成开关传感器输出导通；而当齿谷经过霍尔开关传感器时，穿过传感器的磁力线较少，传感器输出截止，即每个齿经过传感器时则产生一个脉冲信号。任务6.1基于霍尔开关传感器的转速仪设计a）b）霍尔开关传感器图6-7霍尔传感器安装示意图任务6.1基于霍尔开关传感器的转速仪设计4．电路调试电路调试主要有两个内容，一是对分度进行标定；二是调节输入IC2的信号幅度。1）分度标定可以进行现场调试，也可进行通过模拟装置进行。为了调试及教学方便，可以用信号发生器提供脉冲信号，模拟传感器输出信号。方法是将信号发生器输出电缆接到RP1上端，调节频率调节旋钮使输出信号频率为166.6HZ，调节RP2，使电压表指示为10V即可。任务6.1基于霍尔开关传感器的转速仪设计2）信号幅度调节调节前首先安装好传感器，将霍尔开关集成传感器的三根线与电路对应端相连，启动机器，正常的话，电压表应指示转速。不能指示转速或不准确，则可调节RP1加大输入IC2的信号幅度，使电压表指示稳定即可。任务6.1基于霍尔开关传感器的转速

仪设计

任务6.2基于对射式光电传感器的转

速测量仪设计

任务6.3基于磁电传感器的转速测量

仪的设计任务6.2基于对射式光电传感器的转速测量仪设计◎知识目标理解光电效应，包括外光电效应和内光电效应。熟悉不同光电效应对应的光电器件及应用场合。掌握光电传感器的基本应用电路。熟悉光电传感器在现实生活中的典型应用。◎技能目标能正确地选用和安装光电传感器。学会光电传感器典型电路的设计、分析、制作及调试。◎素质目标提高分析问题、解决问题的能力和沟通的能力。养成认真、负责、严谨、专注的态度。树立创新精神及团队协作精神。任务6.2基于对射式光电传感器的转速测量仪设计任务6.2基于对射式光电传感器的转速测量仪设计

任务导入小明利用霍尔传感器做出转速仪后，很有成就感。于是经常尝试将自己的作品应用与各种场合。某一天，他发现霍尔转速仪在环境磁场较强的场合下，容易受到干扰而失灵。那怎么办呢？经过百度，他知道了光电传感器可以解决这一问题。于是他决定利用光电对射传感器设计的一个简易的转速计。那么什么是光电传感器呢？光电传感器又怎么实现测速呢？任务6.2基于对射式光电传感器的转速测量仪设计

相关知识

6.2.1光电效应及对应典型器件

用光照射某一物体时，可以看作物体受到一连串能量为妙的光子的轰击，组成该物体的材料吸收光子能量而发生相应电效应的物理现象称为光电效应。将被测物理量通过光量的变化转换为电量变化，它的工作基础就是光电效应。光电效应可以分为外光电效应和内光电效应，其中内光电效应可以分为光电导效应和光生伏特效应。任务6.2基于对射式光电传感器的转速测量仪设计1.外光电效应及对应器件在光线的作用下能使电子逸出物体表面，在回路中形成光电流的现象称为外光电效应。基于外光电效应的光电元件有光电管、光电倍增管、紫外光电管、光电摄像管等。光电管如图6-10所示，在真空玻璃管内装入两个电极-光电阴极与光电阳极，光电管的阴极受到适当的光线照射后发射电子，这些电子在电压作用下被阳极吸引，形成光电流。任务6.2基于对射式光电传感器的转速测量仪设计

（a）光电管外形（b）外光电效应示意1－阳极a2－阴极k3－石英玻璃外壳4－抽气管蒂5－阳极引脚6－阴极引脚7－金属表面8－光子9－光致发射电子图6-10光电管任务6.2基于对射式光电传感器的转速测量仪设计光电倍增管如图6-11所示，它是外光电效应的典型元器件之一。它的结构就是在一个玻璃泡内除装有光电阴极和光电阳极外，还有若干个光电倍增极，倍增极上涂有在电子轰击下能发射更多电子的材料，前一级倍增极反射的电子恰好轰击后一级倍增极，在每个倍增极间依次增大加速电压。它的灵敏度比上述光电管高出几万倍以上，在星光下就可以产生可观的电流，光通量在10-14～10-6lm（流明）的很大变化区间里，其输出电流均能保持线性。任务6.2基于对射式光电传感器的转速测量仪设计（a）光电倍增管外形

（b）光电倍增管结构图6-11光电倍增管示意图任务6.2基于对射式光电传感器的转速测量仪设计紫外光电管的常见外形如图6-12所示，它的玻壳用对紫外线透光率较好的石英材料制造。当入射紫外线照射在紫外光电管阴极板上时，电子克服金属表面对它的束缚而逸出金属表面，形成电子发射。紫外光电管多用于紫外线测量、火焰监测等。可见光较难引起光电子的发射。火焰的辐射光中包含了较大比例的紫外光，有别于灯光，以及纯粹的高温红外辐射。任务6.2基于对射式光电传感器的转速测量仪设计2.内光电效应及对应器件（1）光电导效应及对应器件光电导效应是指在一定波长光照作用下，物体导电性能发生改变的现象。光电导效应产生的自由电子停留在物体内部，不发生电子逸出，实质上是当入射光照到半导体表面时,半导体吸入入射光子的能量，通过本征半导体激发产生电子-空穴对，使载流子浓度增加，从而使半导体的电导率增大。任务6.2基于对射式光电传感器的转速测量仪设计光敏电阻是基于光电导效应的，它是纯电阻元件，其阻值随光照增强而减小。按光谱特性及其工作波长，光敏电阻可分为紫外光、红外光和可见光光敏电阻。光敏电阻具有灵敏度高、体积小、重量轻、光谱响应范围宽、机械强度高、耐冲击和振动、寿命长等优点。制作光敏电阻的材料有硫化镉、硫化铅、硒化锢、硒化镉、硒化铅等。光敏电阻的主要特点是无极性。任务6.2基于对射式光电传感器的转速测量仪设计常用的光敏电阻Cds内部构造和常见外形分别如图6-13和图6-14所示。图6-13光敏电阻Cds的结构任务6.2基于对射式光电传感器的转速测量仪设计光敏电阻的结构：管芯是一块安装在绝缘衬底上带有两个欧姆接触电极的光电半导体，一般都做成薄层。为了获得高的灵敏度，电极一般釆用梳状图案。图6-14Cds的常见外形任务6.2基于对射式光电传感器的转速测量仪设计（2）光生伏特效应及对应器件光生伏特效应是指在光线作用下，能使物体产生一定方向的电动势的现象。如图6-15所示。当用适当波长的阳光照射PN结时候，产生光生电子-光生空穴对，由于内建电场作用（不外加电场），光生电子被拉向N区，光生空穴被拉向P区，结果在N存储过剩的电子，P区存储过剩的空穴。他们在PN结附近形成与内建电场方向相反的光生电场。当光生电场除了抵消内建电场以外，还使P区带正点，N区带负电，在N区和P区之间就会形成一个光生电动势，这种现象就叫光生伏特伏特效应。任务6.2基于对射式光电传感器的转速测量仪设计图6-15光生伏特效应示意图任务6.2基于对射式光电传感器的转速测量仪设计利用光生伏特效应工作的光敏器件主要包括光电池、光敏二极管和光敏三极管。光电池包括硅光电池、硒光电池、碑化镣光电池等。1）硅光电池硅光电池又称为太阳能电池。硅光电池结构如图6-16所示。在图6-16中，N型硅片上用扩散的方式掺入一些P型杂质（如硼）形成一个大面积的PN结，当入射光照射到P型表面时，光生电子在PN结电场作用下被拉向N区，光生空穴被拉向P区，从而形成光生电动势。图6-16硅光电池结构图任务6.2基于对射式光电传感器的转速测量仪设计光电池的光电特性如图6-17所示，其中开路电压为对数特性，短路电流为线性特性。此时，如果将外电路短路，则外电路中就有与入射光能成正比的电流流过，这个电流称作短路电流。另一方面，若将PN结两端开路，则由于电子和空穴分别流入N区和P区，使两个区之间形成电位差Voc，称为开路电压。6-17一个典型的硅光电池的光电特性任务6.2基于对射式光电传感器的转速测量仪设计2）光敏二极管将光敏二极管的PN结设置在透明管壳顶部的正下方，光照射到光敏二极管的PN结时，电子-空穴对数量增加，光电流与照度成正比。红外发射、接收对管外形如图6-18所示。任务6.2基于对射式光电传感器的转速测量仪设计PIN光敏二极管是在P区和N区之间插入一层电阻率很大的I层，从而减小了PN结的电容，提高了工作频率，其外形如图6-19所示。任务6.2基于对射式光电传感器的转速测量仪设计PIN光敏二极管的工作电压（反向偏置电压）高，光电转换效率高，暗电流小，其灵敏度比普通的光敏二极管高得多，响应频率可达数十兆赫兹，可用作各种数字与模拟光纤传输系统、各种家电遥控器的接收管（红外波段）、UHF频带小信号开关、中波频带到1000MHz之间电流控制、可变衰减器、各种通信设备收发天线的高频功率开关切换和RF领域的高速开关等。特殊结构的PIN二极管还可用于测量紫外线等。任务6.2基于对射式光电传感器的转速测量仪设计APD光敏二极管(雪崩光敏二极管)是一种具有内部倍增放大作用的光敏二极管,灵敏度比PIN大几百倍。其外形如图所示：任务6.2基于对射式光电传感器的转速测量仪设计当有一个光子从外部射入到其PN结上时,将产生一个电子空穴对。由于PN结上施加了较高的工作电压(约100V),接近于反向击穿电压。PN结中的电场强度可达104V/mm数量级，因此能将光子所产生的光电子加速到具有很高的动能,撞击其他原子,产生新的电子空穴对,如此多次碰撞,以致最终造成载流子按几何级数剧增的“雪崩”效应,形成对原始光电流的放大作用,增益可达几千倍,而雪崩产生和恢复所需的时间可小于10ns。任务6.2基于对射式光电传感器的转速测量仪设计APD光敏二极管具有高响应度、高信噪比、高响应速度等特点，可广泛应用于微光信号检测、长距离光纤通信、激光测距、激光制导等光电信息传输和光电对抗系统，可以取代光电倍增管。它的主要缺点：噪声大。若有用光电信号只有几个毫微瓦(nW),就会被噪声淹没。任务6.2基于对射式光电传感器的转速测量仪设计GD3250系列硅雪崩光敏二极管是市面上常用的一种APD光敏二极管，它的特性参数见表6-3。参数单位GD3250-AGD3250-BGD3250-C光电面直径mm0.20.50.8工作电压V100〜150100〜150150—250暗电流nAW15W25W35响应度V/w606060上升时间nsW1W3W4噪声等效功率Pw/(Hz%)0.050.070.09结电容pFW1W1.5W2使用温度范围°C-20〜+40-20〜+40-20〜+40封装形式

TO型、光纤型TO型TO型任务6.2基于对射式光电传感器的转速测量仪设计光敏二极管应用时需要注意以下几点：①硅光敏二极管的温度系数为-2mV/°C（约为-0.3%/°C）,它约为短路电流温度系数的10倍以上，因此常用于测量精度不高的场合。②光敏二极管在实际使用时，有暗电流存在，一般来说，GaAsP光敏二极管的漏电流为硅二极管的l/10。③对硅光敏二极管来说，波长大于1100nm的光几乎不产生电流，也就是说它不吸收波长大于1100nm的光；GaAsP光敏二极管其峰值波长在可见光范围内，因此，检测可见光时，不加紫外线截止滤光器，其暗电流小，开路电压大。任务6.2基于对射式光电传感器的转速测量仪设计④光敏二极管的响应特性基本上是由PN结的结电容弓与负载电阻决定的。二极管的反偏压越大，PN结电容就越小，因此，在高速响应电路中，必须加反偏使用，但暗电流也增大。任务6.2基于对射式光电传感器的转速测量仪设计3）光敏三极管光敏三极管(亦称光电晶体管)有两个PN结，与普通三极管相似，有电流增益，但灵敏度比光敏二极管高。多数光敏三极管的基极没有引出线，只有正负(c、e)两个引脚，所以其外型与光敏二极管相似，从外观上很难区别。光敏三极管结构、符号和外形分别如图6-21所示。任务6.2基于对射式光电传感器的转速测量仪设计d）（a）管芯结构

（b）

结构简化图

（c）光敏晶体管图形符号（d）外型1－N+衬底2－N型集电区3－透光SiO2保护圈4－集电结JC5－P型基区

6－发射结JE7－N型发射区图6-21光敏三极管任务6.2基于对射式光电传感器的转速测量仪设计6.2.2光电传感器的工作原理及其常见种类1.光电传感器的结构及工作原理光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。一般情况下,由三部分构成,分别为:发送器、接收器和检测电路。发送器对准目标发射光束,发射的光束一般来源于半导体光源,发光二极管(LED)、激光二极管及红外发射二极管等。光束不间断地发射,或者改变脉冲宽度。接收器有光电二极管、光电三极管或者光电池组成。在接收器的前面,装有光学元件如透镜和光圈等。在其后面是检测电路,它能滤出有效信号和应用该信号。任务6.2基于对射式光电传感器的转速测量仪设计2.光电传感器的种类（1）漫反射式光电传感器漫反射光电传感器是一种集发射器和接收器于一体的传感器，当有被检测物体经过时，将光电传感器发射器发射的足够量的光线反射到接收器，于是光电传感器就产生了开关信号，如图6-22所示。当被检测物体的表面光亮或其反光率极高时，漫反射式的光电传感器是首选的检测模式。任务6.2基于对射式光电传感器的转速测量仪设计（2）镜反射式光电传感器镜反射式光电传感器亦是集发射器与接收器于一体，光电传感器发射器发出的光线经过反射镜，反射回接收器，当被检测物体经过且完全阻断光线时，光电传感器就产生了检测开关信号，如图6-23所示。

任务6.2基于对射式光电传感器的转速测量仪设计（3）对射式光电传感器对射式光电传感器包含在结构上相互分离且光轴相对放置的发射器和接收器，发射器发出的光线直接进入接收器。当被检测物体经过发射器和接收器之间且阻断光线时，光电传感器就产生了开关信号，如图6-24所示。当检测物体是不透明时，对射式光电传感器是最可靠的检测模式。任务6.2基于对射式光电传感器的转速测量仪设计（4）槽式光电传感器

槽式光电传感器通常是标准的U字型结构，其发射器和接收器分别位于U型槽的两边，并形成一光轴，当被检测物体经过U型槽且阻断光轴时，光电传感器就产生了检测到的开关量信号，如图6-25所示。槽式光电传感器比较安全可靠的适合检测高速变化，分辨透明与半透明物体。任务6.2基于对射式光电传感器的转速测量仪设计

任务实施

一、任务分析小明要利用光电对射式传感器制作转速仪，首先要选择合适的光电传感器型号，再进行电路设计与制作，最后进行电路的调试。任务6.2基于对射式光电传感器的转速测量仪设计二、实施过程1.元件的选型采用光电反射式传感器测量转速时，只需在转轴上贴一张反光纸或涂黑的纸即可，如图6-26a所示。实现起来简单、方便，每转一圈产生一个脉冲信号，一般用于便携式转速测量仪。实际应用中，通常采用红光电传感器，这一类传感器目前也比较多，如ST602型，其结构、底示图及内部电路示意图如图6-26b所示，其参数表6-4所示。ST602的测量距离为4～10mm。任务6.2基于对射式光电传感器的转速测量仪设计任务6.2基于对射式光电传感器的转速测量仪设计项

目符号测试条件最小典型最大单位输入正向压降VFIF=20mA-1.251.5V反向电流IR

VR=3V--10μA输出集电极暗电流ICEO

VCE=20V--1μA集电极亮电流IL

VCE=15VIF=8mAL3

0.30--mAL4

0.40--mAL5

0.50--mA饱和压降VCE

IF=8mAIC=0.5mA--0.4V传输

特性响应时间TR

IF=20mAVCE=10VIRC=100Ω-5-μsTF

-5-μs表6-4ST602的光电特性（Ta=25℃）任务6.2基于对射式光电传感器的转速测量仪设计采用光电对射（也称直射或透射）测量转速时，其测量结构示意图如图6-27a所示。它是在转轴上安装一个圆盘，圆盘边缘开若干个孔（比如60个），这样圆盘每转一圈即可产生60个脉冲信号。如ST155光电直射传感器，其结构如图6-27（b）所示，内部原理示意图如图6-27（c）所示。任务6.2基于对射式光电传感器的转速测量仪设计任务6.2基于对射式光电传感器的转速测量仪设计采用光电传感器实现转速测量时，要设计检测电路及信号处理电路，最终得到标准的脉冲信号（如TTL电平），电路比较复杂，但价格便宜，很容易实现一个测速系统。如图6-28所示，是一个简单又实用的光电传感器检测电路。VccRL10KUOIC任务6.2基于对射式光电传感器的转速测量仪设计2．电路设计光电转速仪由光电转盘、光电对射传感器、闸门、时基信号产生电路及计数与显示装置等部分组成，其整机电路原理图如图6-29所示。任务6.2基于对射式光电传感器的转速测量仪设计任务6.2基于对射式光电传感器的转速测量仪设计图中光电转盘安装在被测转轴上，与被测轴同时转动。当光被遮住时，由光电传感器组成的检测电路输出为低电平（此时流过电阻R5的电流为暗电流，非常小）；当转盘上的小孔转到传感器时，光电传感器接收到光信号，输出为高电平，之后又为低电平；这样，转盘上每个小孔经过传感器时，传感器输出一个脉冲信号，每转一圈就可产生60个脉冲信号。此信号与时基电路产生的时基信号同时被送到闸门U3A输入端，如果此时时基信号为低电平，则闸门呈关闭状态，转速信号无法通过闸门加到计数器输入端。当时基电路产生的闸门信号为高电平时，打开闸门U3A，此时转速信号加到计数器输入端；任务6.2基于对射式光电传感器的转速测量仪设计同时，闸门信号也加到由R6、R7、R8、C3、VD2及VD3组成的微分复位电路，在R8上产生的复位脉冲使计数器清零；而且，该闸门信号也使LE端呈寄存状态，在时基信号为高电平期间（1秒），计数器对转速信号进行计数。当时基信号变为低电平时，使闸门U3A关闭；该信号使锁存信号端为低电平，将计数器的计数结果送到寄存器中，并经译码器译码后、由驱动电路驱动显示器显示计数结果（转速）。当第二个时基信号到来时，又重复上述过程。但在第二次计数期间，寄存器的数据将保持不变，只有当锁存信号再由高到低变化时，才将新的计数结果送入寄存器，以显示新的转速数据。任务6.2基于对射式光电传感器的转速测量仪设计时基信号产生电路由NE555电路及外围元件组成一个多谐振荡器组成，闸门信号由3脚输出。RP1用于调节时基信号，使其闸门时间为1秒钟。计数与显示装置由计数器、寄存器、译码器、驱动器及显示器五部分组成，使电路更简捷，实现直来更方便；可以采用专业模块，如CL102，也可以采用数字电路来实现，此处不再阐述。系统电源可采用电池供电，也可以采用220V市电经降压、整流、滤波后由三端稳压器7805得到5V电压，电路比较简单，故此处没有给出，读者感兴趣可以自己加上去。任务6.2基于对射式光电传感器的转速测量仪设计3．电路制作（ 1）应用EDA软件(如ProtelDXP2004)画出原理图；（2）用仿真软件（如Proteus），验证电路功能；（3）元件布局和布线，完成PCB设计；（4）将PCB图纸，送去PCB加工厂制作成电路板；（5）根据电路原理图，导出元器件清单（BOM），并依此采购元器件；（6）元件的安装与焊接，其中传感器可以外接。任务6.2基于对射式光电传感器的转速测量仪设计4．电路调试电路制作完成后，即可进行电路调试工作。（1）电源电路调试。如果自己制作电源的话，首先调试电源。首先检测电源对地电阻，确保无短路现象。接通电源，测量7805的输出电压，应为5V左右，否则，应检查相应电路。（2）时基电路调试。接通电源后，用示波器观察闸门信号，通过调节RP1使闸门信号的脉宽为1秒。任务6.2基于对射式光电传感器的转速测量仪设计（3）传感器检测电路的调试。启动机器，用示波器观察传感器的输出信号，若没有信号或信号比实际的少，则可能是传感器安装位置过低，适当调整传感器的位置，直到输出信号正常为止。（4）数码管显示调试。启动机器，此时数码管显示的即为被测转轴的转速。若数码管显示数据不变，则可用示波器检测送到闸门两输入端及输出端的信号，从而可以判断故障的范围，以进行检修。任务6.2基于对射式光电传感器的转速测量仪设计5．传感器的安装安装过程中，应将光电对射传感器安装在一块能固定的电路板上，使转盘正好位于传感器的发光二极管和接收管的中间，并使传感器输出信号正常之后，固定该电路板。任务6.1基于霍尔开关传感器的转速

仪设计

任务6.2基于对射式光电传感器的转

速测量仪设计

任务6.3基于磁电传感器的转速测量

仪的设计任务6.3基于磁电传感器的转速测量仪的设计◎知识目标了解磁电传感器的结构与特性。掌握磁电传感器转速测量电路的原理及应用。◎能力目标能正确选用和安装磁电传感器。学会磁电传感器测量电路的设计、分析、制作及调试。能够进行程序设计和编程。◎素质目标体验科技的奇妙。树立爱岗敬业、精益求精的工匠精神。任务6.3基于磁电传感器的转速测量仪的设计

任务导入

有一天，小明做公交车去超市购物。突然想起，汽车的发动机的转速怎么测呢？不论是霍尔式转速器还是光电式转速器，都需要外接电源供电，都不适合在发动机这样的环境下工作。那有没有其他方法来测量发动机转速呢？经过查询资料，他发现有一种叫着磁电式传感器也可以用于测速，并且工作时不需要外加电源，输出功率大，且稳定可靠，被广泛使用在汽车发动机的转速测量上。因此他决定制作一个由磁电式传感器组成的转速测试仪。任务6.3基于磁电传感器的转速测量仪的设计

相关知识

6.3.1磁电传感器的概念磁电感应式传感器又称磁电式传感器，是利用电磁感应原理将被测量（如振动、位移、转速等）转换成电信号的一种传感器。它不需要辅助电源就能把被测对象的机械量转换成易于测量的电信号，是有源传感器。由于它输出功率大且性能稳定，具有一定的工作带宽（10～1000Hz），所以得到普遍应用。任务6.3基于磁电传感器的转速测量仪的设计

任务6.3基于磁电传感器的转速测量仪的设计磁阻式磁电传感器工作原理如图6-37a所示，其线圈、磁铁静止不动，测量齿轮安装在被测旋转体上，随之一起转动。任务6.3基于磁电传感器的转速测量仪的设计

任务6.3基于磁电传感器的转速测量仪的设计如图6-37b所示，线圈中产生感应电势的大小也随其改变，其幅度与转速有关，转速越高输出电压越高（图6-37b中的0～a段），输出频率与转速成正比。转速进一步增高，磁路损耗增大，输出电势已趋饱和（a～b段），当转速超过b，磁路损耗加剧，电势锐减。磁电传感器结构简单，但输出信号较小，且因高速轴上加装齿轮较危险而不宜测量高转速。任务6.3基于磁电传感器的转速测量仪的设计

任务实施一、任务分析小明要利用磁电式传感器制作测速仪，首先要选择符合要求的传感器类型，再进行电路的设计与制作，然后进行程序设计和编程，最后进行整体调试。任务6.3基于磁电传感器的转速测量仪的设计二、实施过程

1．元件选型及方案确定磁电传感器具有体积小、结实可靠、寿命长、不需电源和润滑油等优点，可在烟雾、油气、水气等恶劣环境中使用。磁电转速传感器已经成熟，这类传感器较多，如SM-16、LZZS-60、OD9001及NE6100等。上图所示是常见的磁电测速传感器的外形图，表6-6为常见磁电转速传感器的技术参数。任务6.3基于磁电传感器的转速测量仪的设计名称参数输出波形近似正弦波（≥50r/min时）输出信号幅值50r/min时≥300mV，高速时可达30V测量范围10～99999转/分（rpm）使用时间连续使用工作环境温度-50～+150˚C输出形式X12K4P四芯插头外形尺寸外径一般为16mm，长度一般120mm重量约100g～200g（不计输出导线）测速齿轮要求60齿，电工钢（高导磁材料），渐开线齿形（输出波形好）表6-6常用磁电转速传感器技术参数任务6.3基于磁电传感器的转速测量仪的设计要实现转速测量，只要对传感器输出的脉冲信号进行计数即可，由表6-6中参数可知，当转速达到50转/分钟时，其幅值≥300mV（有的磁电传感器输出幅值更高），为了能够准确计数，应对传感器输出的脉冲信号进行放大、整形（若被测转速较高