检测技术电机转速实验平台设计.docx
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检测技术电机转速实验平台设计
传感器原理与应用课程设计
专业：
测控技术与仪器
设计题目：
传感器测量电机转速
班级：
测控1041
学生姓名：
彭帅学号：
08
指导教师：
张立新冯璐
分院院长：
许建平
教研室主任：
冯璐
摘要
在工程实践中，经常会遇到各种需要测量转速的场合，测量转速的方法分为模拟式和数字式两种。
模拟式采用测速发电机为检测元件，得到的信号是模拟量。
数字式通常采用光电传感器，霍尔元件等为检测元件，得到的信号是脉冲信号。
随着微型计算机的广泛应用。
本设计主要用霍尔传感器作为控制核心，由光电传感器、霍尔传感器、电涡流传感器、LED数码显示器、MAX232CPE电平转换、及RS232构成。
同时，专设数字频率对传感器输出的频率信号进行显示。
充分发挥了霍尔传感器的性能。
关键字：
电机转速光电传感器霍尔传感器电涡流传感器
第一章绪论
1.1本设计课题的目的和意义
转速是工程中应用非常广泛的一个参数，其测量方法较多，而模拟测量及模拟处理一直是转速测量的主要方法，这种测量方法已不能适应现代科技发展的要求，在测量范围和测量精度上，已不能满足大多数系统的使用。
随着大规模及超大规模集成电路技术的发展，数字系统测量达到普遍应用，特别是单片机对脉冲数字信号的强大处理能力，使得全数字测量系统越来越普及，其转速测量系统也可以用全数字化处理。
在测量范围和测量精度方面都有极大的提高，因此，本课题的目的：
对各种测量转速的基本方法给予分析，针对不同的应用环境，利用80C51设计一种数字化测量系统，从提高测量精度的角度出发，分析讨论产生误差的原因，为今后的实际使用提供借鉴。
本次设计以传感器为中心，设计全数字化的测量转速系统，在工业控制和民用电器中都有较高的使用价值。
如：
数控机床的电机转速检测和控制、水泵流量控制、车辆里程表、车速表等。
其次，该转速测量系统由于采用全数字化结构，因而可以很方便的和工业控制计算机进行连接，从而实现远程管理和控制，进一步提高现代化水平。
1.2数字式转速测量系统的发展背景
目前国内外测量电机转速的方法很多，按照不同的理论方法，先后产生过模拟测速法（如离心式转速表、用电机转矩或者电机电枢电动势计算所得）、同步测速法（如机械式或闪光式频闪测速仪）以及计数测速法。
计数测速法又可分为机械式定时计数法和电子式定时计数法。
传统的电机转速检测多采用测速发电机或光电数字脉冲编码器，也有采用电磁式（利用电磁感应原理或可变磁阻的霍尔元件等）、电容式（对高频振荡进行幅值调制或频率高）分辨率和高精度的优点。
加之激光源、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。
而采用光电传感器的电机转速测量系统测量准确度高、采样速度快、测量范围宽和测量精度与被测转速无关等优点。
1.3转速测量方法概述
转速测量的方法有很多，根据工作原理可以分为计数式、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，测试方法如下表1-1。
表1-1
型式
测量方法
适用范围
特点
备注
计数式
机械式
通过齿轮转动数字轮
中、低速
廉价
光电式
来自被测物体上的光线使光电管产生脉冲
中、高速
数字式
电磁式
利用磁电转换器将转速转换成电脉冲
中、高速
数字式
模拟式
机械式
离心率与转速的平方成正比的关系
中、低速
简单
发电机式
利用电机电流或交流电压与转速成正比关系
高速
可远距指示
测速发电机
电容式
利用电容充、放电与转速成正比的关系
中、高速
同步式
机械式
转动带槽的圆盘，观察旋转体的同步关系
中速
闪光式
用已知频率闪光测出旋转体同步的频率
中、高速
一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期、转速频率等。
就转速测量原理而言，大体可分为三大类，一是用单位时间内测得物体的旋转角度来计算速度，例如在单位时间内，累计转速传感器发出的N个脉冲，即为该单位时间内的速度。
这种以测量频率来实现测量转速的方法，称测频法，即“M”法；另一类是在给定的角位移距离内，通过测量这一角位移的时间来进行测速的方法，称测周法，即“T”法，如给定的角位移Δθ，传感器便发出一个电脉冲周期，以晶体震荡频率而产生的标准脉冲来度量这一周期时间，再经换算可得转速。
这两种测速方法各有缺点，“M”法一般用于高速测量，在转速较低时，测量误差较大，而且，检测装置对转速分辨能力也变差；而“T”法一般用于低速测量，速度越低测量精度越高，但在测量高转速时，误差较大；结合这两种测量方法就可以得出第三种测量方法，即“M/T”法结合这两种方法的优点，一方面象“M”法那样在对传感器发出的脉冲计数的同时，也象“T”法那样计取脉冲的时间，通过计算即可得出转速值。
在实际测量中，还须设定定时时
间，兼顾高、低转速时的精度影响，适时调节采样时间。
第二章系统方案提出和论证
转速是工程中应用非常广泛的一个参数，早期模拟测量及模拟处理一直作为转速测量的主要方法，这种则两方法在测量范围和精度上，已不能适应现代科技发展的要求。
而随着大规模及超大规模集成电路的发展，数字测量系统得到普遍应用，利用单片机对脉冲数字信号的强大处理能力，应用全数字化的结构，使得数字测量系统越来越普及，在测量精度方面有
极大的提高，下面将测量系统作进一步探讨。
2.1测量系统的构成
一般转速测量系统有以下几个部分构成，如图2-1。
图2-1转速测量框图
1、转速信号采集：
转速信号采集时整个系统的前端通道，目的是将外界的非电参量通过一定方式转换成电量，这一环节可以通过传感器来实现，方法如下：
将敏感元件和相应的测量电路、传递机构以适当的形式制成不同类型、不同用处的传感器，根据原理输出电量。
该电量可以是模拟量、
数字量、开关量。
2、整形、倍频：
前向通道中，从传感器输出的信号必须转换成计算机输入要求的信号，由于信号调节电路与传感器的选择、现场干扰程度等，都会影响信号的质量。
而脉冲信号的上升沿和下降沿对数字电路的触发尤为重要，因此，一般需要对信号进行整形。
而倍频电路主要用于解决低转
速时测量精度的问题。
3、驱动和显示：
由于LED数码管具有高亮度、可靠性好等优点，工业测控系统中常用LED数码管作为显示输出。
本系统也采用LED进行显
示，LED共有两种驱动方式：
共阴和共阳驱动。
2.2转速测量的方法
1、测周期法（T法）：
转速可以用两脉冲产生的间隔宽度Tp来决定，用以采集数据的叶片一般有多扇叶片，若有N扇叶片，则其测量的时间只是每转的1/N，如图2-2所示，是T法脉宽测量。
Tp通过定时器测得，定时器对时基脉冲（频率为fc）进行计数定时，在Tp内计数值若为M2。
P为转轴转一周脉冲发生器发生的脉冲数，fc为硬件产生的时基脉冲频率，单位为：
Hz，n为转速，单位：
rpm，M2时基脉冲。
由上图2-2可知，T法测量精度的误差主要有两个方面，一：
两脉冲的上升沿触发时间不一致产生的；二：
计数和定时不一致产生的。
这种方法在测量低转速时精度高，但随着转速增加，精度变差。
2、测频法（M法）
在一定测量时间T内，测量脉冲发生器产生的脉冲数m1来测量转速；如下图2-2所示。
图2-2M法测量转速脉冲
在设定的时间T内，转轴转过的弧度数为Xr，则转速为：
（2-1）
转轴转过的弧度数Xr可用下式表示：
（2-2）
因此，转速n的表达式为：
（2-3）
在该方法中，测量精度由于定时时间T和脉冲不能保证严格同步，以及在T内能否正好测量外部脉冲的完整周期，可能产生的一个脉冲的量化变差。
因此，为了提高测量精度，T要有足够长的时间，定时时间可根据测
量对象情况预先设置。
3、测频测周期法（M/T法）
所谓测频测周期法，即综合了T、M法分别对高、低转速具有的不同精度，利用各自的优点而产生的方法，精度高于两者之间。
如下图2-3所
示为M/T法定时/计数测量。
图2-3M/T法定时/计数测量
可通过设置及选用合适的转速传感器加以控制。
M/T法采用三个定时器/计数器，同时对输入脉冲、高频脉冲及预设的定时时间进行定时和计数，m1反映转角，m2反映测速的准确时间，通过计算可得到转速n。
该法在高
速，低速时都有相对较高的精度。
其计算方法如下：
设高频脉冲的频率为fc，脉冲发生器每转发出p个脉冲，由式可得M/T
法转速计算公式为：
（2-4）
N：
转速，单位：
rpm
fc：
晶体振荡频率，单位：
Hz
m1：
输入脉冲数
m2：
时基脉冲数
本次测量采用M法测量转速，这种测量方法所使用的测速范围及测量精度
2.3转速测量方案的选择
转速测量的方案选择，一般要考虑传感器的结构、安装以及测速范围与环境条件等方面的适用性；再就是二次仪表的要求，除了显示以外还有控制、通讯和远传方面的要求。
同时，还要求本次设计的转速的测量范围为：
0—10000rpm，分辨率为1rpm，精度：
1%，根据以上的要求，共确定
了三种传感器来对电机转速进行采集。
下面是对三套设计方案的简要说明。
2.3.1霍尔传感器测量方案
霍尔传感器是利用霍尔效应进行工作的，其核心元件是根据霍尔效应原理制成的霍尔元件。
由霍尔效应原理知：
霍尔片处于磁场中，并在垂直于磁场的方向上通以电流时，霍尔片上与电流和磁场垂直的方向会产生霍尔电势差V=KBI，当通过霍尔片的电流恒定不变时，改变磁场的大小，可
以改变霍尔电势差。
在电机外壳附近的漏磁通因电枢转动会引起变化，利用线性霍尔传感器对其进行检测，由于传感器输出电压信号稳定，只要磁场存在，霍尔元件总是产生相同大小的电压，即使在低转速的情况下，仍能获得较高的检测准确度！
并且输出电压信号的大小与转速无关，转子转动过程中引起定子磁通发生变化，霍尔元件输出的信号无需经过放大，可以直接整形后送
入单片机进行处理，从而得到电机转速。
本文介绍一种泵驱动轴的转速采用霍尔转速传感器测量。
霍尔转速传
感器的结构原理图如图2-4所示：
图2-4霍尔转速传感器的结构原理图
传感器的定子上有2个互相垂直的绕组A和B，在绕组的中心线上粘有霍尔片HA和HB，转子为永久磁钢，霍尔元件HA和HB的激励电分
别与绕组A和B相连，它们的霍尔电极串联后作为传感器的输出。
1、具体实现的方法：
将霍尔器件安放在被测磁场中，因霍尔器件只对垂直于霍尔片表面的磁感应强度敏感，因而必须令磁力线和器件表面垂直，通电后即可由输出电压得到被测磁场的磁感应强度。
若不垂直，则应求出其垂直分量来计算被测磁场的磁感应强度值。
而且，因霍尔元件的尺寸极小，可以进行多点检测，由计算机进行数据处理，可以得到场的分布状态，并可对狭缝，小孔中的磁场进行检测用磁场作为被传感物体的运动和位置信息载体时，一般采用永久磁钢来产生工作磁场。
为保证霍尔器件，尤其是霍尔开关器件的可靠工作，在应用中要考虑有效工作气隙的长度。
在计算总有效工作气隙时，应从霍尔片表面算起。
将霍尔器件固定在工作系统的适当位置，用它去检测工作磁场，再从检测结果中提取被检信息。
2、技术路线：
该方案使用AH41开关型霍尔传感器，将传感器与绕组相连，当电机转动时，传感器输出脉冲，脉冲个数取决于绕组数，采集的信号经过信号处理之后就可以直接送给单片机，经单片机处理之后，由LED进行显示。
由于AH41属于开关型传感器，因此，采集的信号只需经过一个三极管进行放大。
2.3.2光电传感器测量方案
整个测量系统的组成框图如图2-5所示。
从图中可见,转子由一直流调速电机驱动，可实现大转速范围内的无级调速。
转速信号由光电传感器拾取，使用时应先在转子上做好光电标记，具体办法可以是：
将转子表面擦干净后用黑漆（或黑色胶布）全部涂黑,再将一块反光材料贴在其上作为光电标记，然后将光电传感器（光电头）固定在正对光电标记的某一适当距离处。
光电头采用低功耗高亮度LED，光源为高可靠性可见红光,无论黑夜还是白天，或是背景光强有大范围改变都不影响接收效果。
光电头包含有前置电路，输出0—5V的脉冲信号。
接到单片机89C51的相应管脚上，通过89C51内部定时/计时器T0、T1及相应的程序设计，组成一个数字式转速测量系统。
图2-5光电传感器结构图
2.3.3涡流传感器测量方案
电涡流传感器测量转速的优越性是其它任何传感器测量没法比的，它既能响应零转速，也能响应高转速。
对于被测体转轴的转速发生装置要求也很低，被测体齿轮数可以很小，被测体也可以是一个很小的孔眼，一个凸键，一个小的凹键。
电涡流传感器测转速，通常选用φ3mm、φ4mm、φ5mm、φ8mm、φ10mm的探头。
转速测量频响为010KHZ。
电涡流传感器测转速，传感器输出的信号幅值较高（在低速和高速整个范围内）抗干扰能力强。
作转速测量的电涡流传感器有一体化和分体两种。
一体化电涡流转速传感器取消前置器放大器、安装方便、适用于工作温度在–20℃～100℃的环境下，带前置器放大器的电涡流传感器适合在–50℃～250℃的工作环境中。
如图2-6所示的涡流传感器结构图。
图2-6涡流传感器结构图
安装时应保证传感器中心线处于齿轮宽度的中间位置，如果机器运转时，会产生轴向窜动，还应考虑到轴窜动后，能保证传感器中心线处于齿轮宽度的中间位置，特别是在齿轮宽度较小时要注意这点。
被测面为单个凹槽时，安装间隙应对着轴的完整部分调整；被测面为单个凸键时，应对准凸键调整间隙。
凹槽或凸键应平行于轴中心线，其长度尽量长，以防止当轴产生轴向窜动时，探头还能对着凹槽或凸键。
为了避免由于轴向位移引起探头与被测面之间的间隙变化过大，应将传感器安装在轴的径向，而
不是轴向位置。
采用一个凹槽或凸键作为转速触发体。
每转产生一个脉冲信号，该信号可作为机器振动分析的鉴相信号当标记是凹槽时，安装传感器要对着轴的完整部分调整安装间隙，而不能对着凹槽来调整安装间隙。
而当标记是凸键时，传感器一定要对着凸起顶部表面调整安装间隙，不能对着轴的其它完整表面进行调整。
否则当轴转动时，
可能会造成凸键与探头碰撞，剪断探头。
具体实现的方法：
将涡流传感器做成探头，如图2-6所示安装，当电机转动时，带动叶片旋转，由于传感器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生交变的磁场，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，图中用位移（间
隙）转换成电压（电流）。
通过处理后呈数字量输出。
技术路线：
通过涡流传感器对转速的信号采集，然后通过电容、三极管等进行放大、滤波、整形后送入仪器。
2.3.4传感器测转速方案的确定
光电传感器方案：
线性度好、分辨率高、噪音小和精度高。
霍尔传感器：
结构简单，测量装置体积小，量程大，环境适应能力强，霍尔元件输出的信号无需经过放大，可以直接整形后送入单片机进行处理而得到电机转速，但采用霍尔传感器在信号采样的时候，会出现采样不精确，因为它是靠磁性感应才采集脉冲的，使用时间长了会出现磁性变小，
影响脉冲的采样精度。
涡流传感器方案：
电涡流传感器具有结构简单、灵敏度高、测量的线性范围大、不受油污等介质影响、抗干扰能力强；但由于涡流传感器存在集肤效应，电涡流只能检测导体表面的各种物理参数。
根据以上的对比及所要达到的各项技术指标，本次设计采用光电传感器测量方案。
整个测量系统的组成框图如图2-6所示。
从图中可见,转子由一直流调速电机驱动，可实现大转速范围内的调速。
转速信号由光电传感器拾取，使用时应先在转子上做好光电标记，具体实现的方法：
将转子表面擦干净后用黑漆（或黑色胶布）全部涂黑，再将一块反光材料贴在其上作为光电标记，然后将光电传感器（光电头）固定在正对光电标记的某一适当距离处。
光电头采用低功耗高亮度LED，光源为高可靠性可见红光,无论黑夜还是白天，或是背景光强有大范围改变都不影响接收效果。
光电头包含有前置电路，输出0～5V的脉冲信号。
接到单片机89C51的相应管脚上，通过89C51内部定时/计时器T0、T1及相应的程序设计，组成一个数字式转速测量系统。
通过传感器将信号采集之后，然后再通过信号处理电路进行信号的处理，将处理后得到的信号送入仪器。
第三章系统硬件设计
随着超大规模集成电路技术提高，尤其是传感器应用技术以及功能强大，价格低廉的显著特点，使全数字化测量转度系统得到广泛应用。
出于单片机在测量转速方面具有体积小、性能强、成本低的特点，越来越受到
企业用户的青睐。
对测量转速系统的硬件和编程进行研究。
3.1光电传感器转速测量
在设计中采用光电传感器采集信号，这种传感器是把旋转轴的转速变为相应频率的脉冲，然后用测量电路测出频率，由频率值就可知道所侧转素值。
这种测量方法具有传感器结构简单、可靠、测量精度高的特点。
是
目前常用的一种测量转速的方法。
从光源发出的光通过测速齿盘上的齿槽照射到光电元件上，使光电元件感光。
设测速齿盘上有50个齿槽，当测速齿槽旋转一周，光敏元件就能感受与开孔数相等次数的光次数。
对于被测电机的转速在0～10000rpm的来说，每转一周产生50个电脉冲信号，因此，传感器输出波形的频率的大小为：
0Hz≤f≤8300Hz，测速齿盘装在发射光源（红外线发光二极管）与接收光源的装置（红外线接收二极管）之间,红外线发光二极管负责发出光信号，红外线接收三极管负责接收发出的光信号，产生电信号，每转过一个齿，光的明暗变化经历了一个正弦周期，即产生了正弦脉冲电信号。
如图3-1所示为转速传感器电路。
数字式通常采用光电传感器，霍尔元件等为检测元件，得到的信号是脉冲信号。
随着微型计算机的广泛应用。
图3-1光电转速传感器电路图
光电传感器是应用非常广泛的一种器件，有各种各样的形式，如透射式、反射式等，基本的原理就是当发射管光照射到接收管时，接收管导通，反之关断。
以透射式为例，如图3-2所示，当不透光的物体挡住发射与接收之间的间隙时，开关管关断，否则打开。
为此，可以制作一个遮光叶片如安装在转轴上，当扇叶经过时，产生脉冲信号。
当叶片数较多时，旋转一周可以获得多个脉冲信号。
1、选用的传感器型号为SZGB-3
SZGB-3型传感器特点介绍如下：
（1）供单向计数器使用，测量转速和线速度。
（2）采用密封结构性能稳定。
（3）光源用红外发光管，功耗小，寿命长。
（4）SZGB-3型传感器电源电压为12VDC。
2、SZGB-3型传感器主要性能介绍如下：
SZGB-3.型光电转速传感器，使用时通过连轴节与被测转轴连接，当转轴旋转时，将转角位移转换成电脉冲信号，供二次仪表计数使用。
（1）输出脉冲数：
60脉冲（每一转）。
（2）输出信号幅值：
50rpm时为300mV。
（3）测速范围:
50～5000rpm。
（4）使用时间:
可连续使用，使用中勿需加润滑油。
（5）工作环境:
温度-10～40℃,相对湿度≤85%无腐蚀性气体。
3.2霍尔传感器转速测量
霍尔传感器检测转速电路原理图如图3-2所示。
在非磁材料的圆盘边上粘贴一块磁钢，霍尔传感器固定在圆盘外缘附近。
圆盘每转动一圈，霍尔传感器便输出一个脉冲。
通过单片机测量产生脉冲的频率，就可以得出圆盘的转速。
在外磁场的作用下，当磁感应强度超过导通阈值BOP时，霍尔电路输出管导通，输出低电平。
之后，B再增加，仍保持导通态。
若外加磁场的B值降低到BRP时，输出管截止，输出高电平。
我们称BOP为工作点，BRP为释放点，BOP－BRP=BH称为回差。
回差的存在使开关电路的抗干扰能力增强。
脉冲信号的周期与电机的转速有以下关系：
（3-1）
式中：
n为电机转速；P为电机转一圈的脉冲数；T为输出方波信号周期。
根据式
（1）即可计算出直流电机的转速。
图3-2霍尔转速传感器电路图
本次设计的传感器采用的是AH41型传感器其特点如下：
AH41霍尔开关电路最适于响应变化斜率陡峭的磁场并在磁通密度较弱的场合使用，适用于单极或多对磁环工作，它由反向电压保护器、电压调整器、霍尔电压发生器、信号放大器、史密特触发器和集电极开路的输出级组成。
工作温度范围为-40～150℃。
电源电压 VCC +5V
输出低电平电压VoutIout=20mAB>BOP -200-400mV
输出高电平电流IOFFVout=24VB电源电流 ICC VCC=24V
输出端开路 10mA
输出上升时间
Vcc=12VRL=1.1KΩCL=20Pf--0.12 μS
输出下降时间
Vcc=12VRL=1.1KΩCL=20Pf--0.18 μS
产品特点:
1、电源电压范围宽
2、可用市售的小磁环来驱动
3、无可动部件、可靠性高
4、尺寸小
总结与体会
通过各方面努力，本次毕业设计任务完成，系统各部分功能均已初步实现，通过这次毕业设计，使我更了解传感器的工作原理，51单片机的应用及编程，也学会了自己制作频率计，这也让我明白不积跬步，无以至千
里的深刻含义。
这次毕业设计的完成不仅让我学习了新的知识，还温习了以前学过的很多知识，增强了我综合运用知识的能力，提高了我查找资料的能力，也
培养了我刻苦钻研、勇于探索的精神。
这几年的大学生活，让我对计算机理论知识有了一定的了解，但实践出真知，唯有把理论与实践相结合，才能更好地完成毕业设计，而且在毕业设计中必须态度端正，勤奋好学，细心认真。
这次毕业设计的完成提高了我的动手能力，我学到了很多在书本上学不到的知识，通过在老师的指导，同学的帮助下，经过亲身实践，更加深了我对所学过知识的深刻理解，较好地做到了理论和实际的结合。
在以后的学习生活当中要努力发扬边学习边实践的精神，这样才能对自己的所学的知识掌握地更加熟练，我想，在以后的工作中，将会提供不少的帮助。
总结人：
彭帅
2012.12.12
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