简易转速计的设计(张春强)检测一班

传感器原理与设计 简易传速计的设计 指导教师 金梅 设计人 张春强 日期 2014 年 1 月 9 日 燕山大学燕山大学 传感器原理与设计传感器原理与设计 课程设计任务书课程设计任务书 院 系 电气工程学院 基层教学单位 仪器科学与工程 系 学 号 121203021041 学生姓名张春强专业 班级 检测一班 设计题目 简易转速计的设计 设 计 技 术 参 数 选用电涡流式传感器或其他合适的传感器把物体的转动或运动速度转换为脉 冲信号 通过检测单位时间内脉冲的个数 显示物体运动速度或转动的速度 设 计 要 求 要求所设计的转速计频率响应宽 响应快 灵敏度高 非接触测量 电路可 包括时基电路 计数电路 信号放大整形电路 数码显示电路等几部分 要求选用合适的传感器类型 进行传感元件结构设计 转换电路设计 利用 Multisim 等有关工具软件绘制电路原理图 或对电路进行仿真 写出完整的报 告 主要包括测量原理 传感器参数选择及设计 电路结构的确定等 工 作 计 划 周 1 收集消化资料及拟定设计方案 周 2 周 3 敏感元件 传感元件设计 转换电路设计 周 4 设计结果实验验证或演示 撰写设计说明书 周 5 答辩 参 考 资 料 1 吕泉 现代传感器原理及应用 清华大学出版社 2006 2 何利民 单片机应用系统 设计 北京 北京航空航天大学出版社 3 吕俊芳 传感器接口与检测仪器电路 国防工业出版社 2009 指导教师签字基层教学单位主任签字 说明 此表一式四份 学生 指导教师 基层教学单位 系部各一份 2015 年 1 月 5 日 目录 1 简易转速计设计的意义 2 设计构思 3 敏感器件的特性及规格现状 4 匹配电路的设计 5 仿真电路的建立 6 仿真结果分析 7 总结 1 简易霍尔转速计设计的意思 1 什么是霍尔传感器 霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器 1879 年美国物理学家霍尔 首先在金属材料中发现了霍尔效应 但是由于金属材料的霍尔效应太弱 二没有得到应用 随着半导体技术的应用 开始用半导体材料制作霍尔 元件 由于他的霍尔效应显著二得到应用和发展 霍尔传感器是一种当 交变磁场经过时产生输出电压脉冲的传感器 脉冲的幅度是由激励磁场 的场强决定的 因此 霍尔传感器不需要外界的电源供电 2 霍尔传感器的基本原理 是利用半导体材料的霍尔效应进行测量的一种磁敏式传感器 它可以 直接测量磁场和微位移量 应用于电池测量 压力 加速度 振动等方 面的测量领域 目前霍尔传感器已从分立元件发展到集成电路的阶段 正越来越受人们的重视 应用日益广泛 3 霍尔传速计的工作原理 霍尔转速传感器再测量机械设备的转速时 被测量机械的金属齿轮 齿条等运动部件会经过传感器的前端 引起磁场的相应变化 当运动部 件穿过霍尔元件产生磁力较为分散的区域时 磁场相对较弱 而穿过产 生磁力线较为集中的区域 磁场就相对较强 霍尔转速传感器就是通过磁力线密度的变化 再磁力线穿过传感器上 的感应元件时 产生霍尔电势 霍尔转速计的霍尔元件在产生霍尔电势 后 会将其转化为交变电信号 最后传感器的内置电路会将信号调整和 放大 输出矩形脉冲信号 4 转速计在日常生活中的应用 转速计是日常生活中比较重要的计量仪表之一 在汽车 电子 纺织 造纸等方面有广泛的应用 但是由于过去的技术比较落后 转速计一般 都使用机械式或机电式的机构 其主要结构由测速电机 模 数转换 数 字量 显示码转换 显示转速量和显示仪表构成的 这样的机构虽然原理 非常简单 设计也比较方便 但其缺点也是显而易见的 如 1 机械接触式设计会影响被测件的正常工作 低速运转时会产生较大影 响 2 转动式结构使测量器件寿命变短 间接提高了产品价格 影响其市场 占有率 3 采用测速电机 增加了整个系统的成本降低了测量精度 4 功率消耗大 无便携性可言 可见 这样的设计给市场推广带来了很大的阻碍 而且降低了测量精 度 从而很难占领市场 5 霍尔转速计的设计意义 5 霍尔转速计设计意义 1 在测量和控制一些运动系统的时候 人们往往要检测出电机的 转速 从而来改进该系统的性能 确保系统的高精度 只有测量出精确 的转速 才能实现控制系统的高精度 2 检测和控制机器的转速在实时控制工业领域方面也是非常重要 的 因为转速对系统的误差分析和动态响应都起到了重要的作用 检测 机器的转速 尤其是在智能化仪表和无人操作平台 如无人机 等领域 具有重要的意义 3 转速的测量在感应电机的应用领域也是就广泛的应用 因为电机 在启动的瞬间要进行转速的测量 才能精确地计算出力矩和瞬时加速度 此外 如果是带着离心开关的感应电机 就要在开启电机之后 测量打 开该开关是时的瞬时转速 通过测量这些电机的瞬时的转速 才能来衡 量电机的性能 判断其优劣 因此 转速也是电机的重要指标 目前随 着分布式的发电系统越来越受到人们的广泛使用 人们要对其开展精度 的转速控制 才能有效地提高系统的转化效率 4 人们想要良好的掌握开启电机时的瞬时工作状态 精确地测量出 该电机的瞬时转速瞬时非常有必要的 因为转速不仅可以分析电机的良 好性能 还能掌握负载的施加情况 从而为以后机器在发生故障时候进 行诊断提供了物理的依据 此外 瞬时转速还提供了判断电机的很多信 息 尤其是对柴油发电机来说 测试发电机的性能显得尤为重要 5 转速的测量在农业领域也得到了应用 随着农业的机械化水平不 断地提高 在排种器的性能测量 检测排种的时间的等领域上都要进行 转速的精确检测 从而保证农业的丰收 2 设计构思 1 传感器的总体设计 电 机 霍 尔 传 感 器 信 号 处 理 单 片 机 LE D 显 示 2 测控电路的设计 磁性转盘的输入轴与被测轴相连 当被测转轴转动时 磁性转盘随之 转动 固定在磁性转盘附近的霍尔传感器便可在每一个小磁铁通过时产 生一个相应的脉冲 检测出单位时间的脉冲数 或者测出一个脉冲的时 间 便可知被测转速 磁性转盘上的小磁铁数目的多少决定了传感器测量转速的分辨率 被测转速部分即为星号的部分 测量时 在转动物体的转轴上安装一 非磁性的圆盘 圆盘边缘上粘一磁钢 永久磁铁磁力较强 距离霍尔 元件 1 10mm 处 在测量时 当磁钢与霍尔元件相对位置发生变化时 通过霍尔元件磁感面的磁场强度就会发生变化 当穿过霍尔元件的磁场 较强 霍尔元件输出低电平 当磁场较弱时 输出高电平 从而使得在 圆盘转动过程中 霍尔元件输出连续脉冲星号 3 敏感器件的特性及规格分类 1 霍尔元件 霍尔转速传感器主要组成部分是传感头和齿圈 传感头由霍尔元件 永磁体和电子电路组成 在设计中使用 Hal 12 霍尔传感器 它是一种采用霍尔原理的转速传感 器 它的感应对象为磁钢 当被测体上嵌入磁钢 随着被测物体转动时 传感器输出与旋转频率相关的脉冲信号 达到测速的目的 技术参数 1 发讯频率 0 10KHZ 2 供电电源 12 25V DC 3 检测距离 1 4mm 磁钢 4 输出信号 矩形波幅值 近电源电压 5 温度 20 度 80 度 Hal 12 霍尔传感器 传感器传感头 当圆形磁盘旋转式 磁盘上不同磁性的小磁钢交替变化 引起磁力的 交替变化 磁力穿过传感器上感应元件时产生霍尔电势经过霍尔芯片的 放大整形输出 再输入到转换电路 磁盘每转一圈 与感应元件就接触 一次 感应元件感应磁场的变化通过上拉电阻在输出口会产生一个有效 电平 传感器内置电路对该信号进行放大 整形 输出良好的矩形脉冲 信号 霍尔转速传感器内置电路图 圆盘贴两个磁钢时 设每秒计数 N 个值 则转速 w N 2 即只要将计 数值乘以 30 即可得到每分钟电机的转速 脉冲经过单片机处理 最终由 LED 灯显示出转速 本次设计采用 M 法测量转速 测频法 在一定的测量时间内 测量输入脉冲产生的脉 冲数 ml 来测量转速 如图示 图 3 1 模拟输出的矩形脉冲图 图 3 2 传感器内置电路仿 3 2 误差分析 转速公式 n 60ml TP 给出因 ml 的量化误差是一个脉冲 故转速变化 n 60 ml 加减 1 TP 3 1 相对误差为转速 1 m1 3 2 m1 nPT 60 3 3 式 3 3 带入 3 2 得相对误差为 60 PTn 由式可知相对误差随着转速 n 增大而减小 因此 此方法适合高度测 量 转速越小 误差越大 设 T 1 p 12 假定相对误差为 0 1 经计算 n 5000r min 当 n 小于 5000r min 时 误差将会超出允许范围外 经计算测量精度全程误差为 0 005 总结 课程设计结束了 在这次课程设计中不仅检验了我所学习的知识 也培养了我如何去把握一件事情 如何去做一件事情 又如何完成一件 事情 在设计过程中 与同学分工设计 和同学们相互探讨 相