转速测量报告模板

1、“传感技术”自学报告之一转速测量传感器自学报告姓名：班级：学号：2015年12月3日-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51.2.3 电感式转速测量7第2章 总体方案设计92.1 方案一92.2 方案二10 2.3方案分析对比.122.4 小结12第3章 具体设计与特性分析133.1 传感器设计133.2 转换电路设计133.3 传感器总体分析173.4 使用条件和误差补偿173.5 仿真实验183.6 小结18总结20参考文献21附录22千

2、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“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 转速测量的意义无论是在日常生活还是工业生产中，我们经常会遇到各种需要测量转速的场合，例如：在发电机、电动机、卷扬机、机床主轴等设备的实验、运转和控制中，常需要分时或连续测量和显示器转速和瞬时转速。同样，在平时，我们通过对空调、冰箱、汽车等发动机转速的测量来方便我们诊断他们可能发生的故障，以便能够更加快捷的进行维修。因此，转速测量的应用系统在工业生产、在科技教育、民用电器等各个领域的应用极为广泛，往往成为某一产

3、品或控制系统的核心部分，其各种参数在不同的应用中都有其侧重点，但转速测量系统普遍应用在国民经济生产生活中，在很多运动系统中的监测和控制中，测量转速的准确度、稳定性及变化过程的准确性将直接影响系统的运行性能，因而转速测量对保障高速旋转机械的正常运行有着重要的意义。目前，市面上的转速测量传感器主要有以下几个技术特点：灵敏度高、可靠性高、寿命长、触发距离远，信号触发一般为铁（软）磁材料，但同时，转速测量传感器自身的测量精度也受到许多方面的影响，如温度或周围磁场环境的变化给基于霍尔效应的传感器带来的测量精度的影响，当被测物体转速过快时，由于光电门的频率响应不够而导致无法测出被测物体的实际转速，而磁电式

4、传感器也可能由于安装时未严格卡紧螺母而导致最终的测量结果与实际偏离较大。采用铁磁体制作而成的传感器还可能因为长时间没有使用而导致其生锈从而影响测量精度。上述情况就是目前大部分市售转速测量传感器可能存在的一些问题。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时测量仪表，如离心式转速表、微型发电机转速表及中表示定时转速表，逐渐淡出了市场，而利用已知频率的闪光与被测轴转速同步的方法来测速的闪光测速仪，虽属于非接触式的仪表，目前仍然有应用，但并不处于主导地位。起而代之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

5、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，能够连续的反映转速变化，即能测定发动机稳定状态下的凭据转速，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，根据其基本原理可分为:磁电式转速测量传感器，光电式转速测量传感器、电感式转速测量传感器，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速。模拟式方法是测出有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，具体分类如下表所示。 表1-1 转速测量方法具体分类 型式 测量方法 适用范围 特点 备注 计 数

6、式机械式通过齿轮转动数字轮中、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式光电管产生脉冲中、高速数字式转速计 模 拟 式机械式利用离心力与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极直流或交流电压与转速成正比的电流中、低速可远程指示操作陀螺测速仪电容式利用电容充放电回路产生于转速成正比的电流中、高速简单、可远程指示 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（

7、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化为易于测量的电信号，属于有源传感器。根据电磁感应定律：当N匝线圈在恒定的磁场中转动时，设，穿过线圈的磁通量为，则，线圈内感应电势E与磁通变化率有如下关系：由于=BS,式中，B为线圈处的磁感应强度，S为线圈围成的闭合的面积。因此有：根据这一原理，可将磁电感应式传感器分为两种类型：一种类型是由于闭合先去围城的面积变化引起的通过线圈的磁通变化，从而使线圈产生感应电动势；另一种类型是由于线圈处的磁感应强度发生变化，引起通过线圈的磁通量变化，从而使线圈产生感应电动势。当测量电路接入磁电传感器电路时，如图所示。 图1

8、-1 磁电传感器输出电路简化模型 磁电传感器输出电流I0为：式中，Rf为测量电路输入电阻，R为线圈等效电阻。因而，传感器的灵敏度为： 根据其分类情况可绘制如下关系图：图1-2 磁电感应式传感器分类图线速度型、角速度型以及磁阻式传感器原理示意图分别如下： 图1-3 几种传感器工作原理示意图 目前，磁电式传感器主要应用于以下几个方面：1. 振动测量：如动圈式振动速度测量传感器：图1-4 动圈式振动速度传感器结构其输出特性曲线如下图：图1-5振动传感器输出特性其中，输出特性曲线不从零点开始，因为，当V>Va时，必须克服静摩擦力，才能开始运动，当V>Vc时，因惯性太大超过范围。2. 电磁流

9、量计：图1-6 电磁流量计示意图及相关公式式中，D为测量管道的直径，v为电子流向的速度，利用了洛伦兹力公式及其相关性质制作而成。1.2.2 光电式转速测量光电传感器是采用光电元件作为检测元件，首先把被测量的变化转变为信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件这三个部分组成。光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，体积小。图1-7 光电式转速测量传感器分类下面分别介绍两种不同测量原理的光电式传感器：直射式转速测量传感器以及反射式转速测量传感器。1. 直射式转速测量传感器：其结构如下图所示：

10、 图1-8 直射式转速测量传感器结构示意图它由开孔圆盘、光源、光敏元件及缝隙板等组成。开孔圆盘的输入轴与被测轴相连接，光源发出的光，通过开孔圆盘和缝隙板照射到光敏元件上被光敏元件所接收，将光信号转为电信号输出。开孔圆盘上有许多小孔，开孔圆盘旋转一周，光敏元件输出的电脉冲个数等于圆盘的开孔数，因此，可通过测量光敏元件输出的脉冲频率，得知被测转速，即 n = f / N式中，n为转速，f为脉冲频率，N为圆孔开孔数2. 反射式转速测量传感器结构如下图所示：图1-9 反射式转速测量传感器结构示意图它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

11、对称安装多个反光片或反光贴纸会取得较好的测量效果。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率f，就可知道转速n。 n=f 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=f/N。N-反光片或反光贴纸的数量。 一般说来，光电式转速测量传感器主要运用在电机转速测量以及车轴测量中，电路由具体设计实现。1.2.3 电感式转速测量电感式传感器主要原理是运用了串联或并联谐振技术或者霍尔效应进行转速测量的一种元件，在学习传感技术这本书后，重点以霍尔元件为主。

12、转速是工程中应用非常广泛的一个参数，利用霍尔效应对旋转物体进行检测的转速测量系统，该系统采用霍尔传感器把转速信息转换为电压脉冲输出，可以使用简单的脉冲计数法，只要转轴每旋转一周，产生一个或固定的多个脉冲，并将脉冲送入单片机中进行计数，即可获得转速的信息。在非磁材料的转子（由电机带动）边上粘贴一块磁钢，将霍尔传感器固定在转子外圈的定子上。转子每转动一圈，霍尔传感器便输出一个脉冲。霍尔元件能够感应磁场的变化，使霍尔元件发出电脉冲。可用电子计数器计数，并换算为转速。这种方法是固定霍尔元件电流不变I，周期改变磁场强度B，该周期与转速成正比，由U霍尔电压=RhIB/d 知霍尔电极电压与磁场B成正比，因此

13、可得到周期的电压脉冲输出。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。图1-9 霍尔元件的基本结构此图中I不变，B随转速周期变化图1-10 电感式传感器基本原理第2章 总体方案设计2.1 方案一 基于UGN3144的转速测量系统1.测量原理：测频测周法“M/T法”“M/T”法采用三个定时/计数器，同时对输入脉冲、高频脉冲（由振荡器产生）、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，通过计算可得转速值n。该法在高速及低速时都具有相对较高的精度。测速时间Td由脉冲发

14、生器脉冲来同步，即Td等于m1个脉冲周期。由图可见，从a点开始，计数器对m1和m2计数，到达b点，预定的测速时间时，单片机发出停止计数的指令，因为Tc不一定正好等于整数个脉冲发生器脉冲周期，所以，计数器仍对高频脉冲继续计数，到达c点时，脉冲发生器脉冲的上升沿使计数器停止，这样，m2就代表了m1个脉冲周期的时间。“M/T”法综合了“T”和“M”两种方法，转速计算如下：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（3-2）和（3-5）可得M/T法转速计算公式为：图2-1-1 “M/T”法测量转速脉冲其中，式（3-2）和（3-5）为：以及2. 敏感元件：UGN3144霍尔元件开关UGN3

15、144霍尔开关元件芯片内部包含有稳压电路，霍尔效应电压产生电路，信号放大器，施密特触发器和一个集电极开路输出电路。集电极开路输出电路可连续输出25mA的电流，可直接控制继电器，双向可控硅，可控硅，LED和灯负载。该器件为集电极开路输出，因此输出端上面要加一上拉电阻，其电压范围宽为：4.5V-24V 因而具有很宽的电压输出幅带。图2-1-2 UGN3144霍尔元件传感器工作原理示意图3. 转换电路：其基本转换元件是基于89C51实现输出的，霍尔传感器设计电路如下：图2-1-3 UGN3144霍尔元件传感器设计电路模型2.2 方案二 ULN2003光电式转速测量系统1. 测量原理：在固定的测量时间

16、内，计取转速传感器产生的脉冲个数，从而算出实际转速。设固定的测量时间为Tc（min），计数器计取的脉冲个数m，假定脉冲发生器每转输出p个脉冲，对应被测转速为N（r/min），则f=pN/60Hz；另在测量时间Tc内，计取转速传感器输出的脉冲个数m应为 m=Tcf ，所以，当测得m值时，就可算出实际转速值：N = 60m/pTc (r/min)2. 敏感元件：ULN2003光电式传感器。其内部示意图如下：图2-2-1 ULN2003光电式传感器结构示意图3. 转换电路：与方案一中类似，我们选用89C52单片机进行A/D转换输出，其基本模型如下图所示：图2-2-2ULN2003光电式测量系统基本结

17、构示意图2.3 方案分析对比对于方案一中，利用UGN3144芯片进行测量系统设计的方法，其具有的特点是：电压输出幅带宽，线性度好，测量精度较高，且工作温度在零下40摄氏度至85摄氏度之间，因而能够满足一些恶劣环境下的测量，但同时，其设计电路部分很复杂，不利于系统的调试即安装，与此同时，基于霍尔元件的传感器在某些可能的进行测量的场合，如：涡流发电机、汽车发动机中容易受到环境温度及磁场干扰，因而在我们的日常生活中的应用方面较窄。方案二中，采用ULN2003芯片的光电式传感器从原理上来说是一种非接触式的传感器，同时能够自行通过切换需要测量的档位来选择合适的转速测量档，与方案一相比，其同样具有方案一中

18、的一些优点，线性度好，并且不会受到磁场和温度环境变化的影响，除此之外，该传感器的测量精度可以在+/- 0.5rpm左右，因此在实际应用中已经足够能满足我们的要求，唯一美中不足的地方是，方案一中的测量系统能够测量6000-20000r/min的转速，而方案二中的测量系统只能够测量小于10000r/min的转速，因此，方案二中的测力系统不适用于超高速的转速测量，但其设计原理简单，结构框图清晰，经过组合考虑各方面后，本着易于实现的原则，选择方案二作为本次传感器的设计方案。2.4 小结本章中，我选择了两种基于不同原理实现的转速测量传感器的设计方案，了解了不同原理传感器之间的结构差别，同时，还学习到了转

19、速测量传感器在一些领域的具体运用，更加丰富了我在传感器方面的知识架构，有利于我对课堂所学的知识进行整理与运用。第3章 具体设计与特性分析3.1 传感器设计系统由信号预处理电路、单片机STC 89C51、系统化LED显示模块、串口数据存储电路和系统软件组成。其中信号预处理电路包含信号放大、波形变换和波形整形。对待测信号进行放大的目的是降低对待测信号的幅度要求；波形变换和波形整形电路则用来将放大的信号转换成可与单片机匹配的TTL信号；通过对单片机的编程设置可使内部定时器T0对输入脉冲进行计数，这样就能精确地算出加到T0引脚的单位时间内检测到的脉冲数；设计中转速显示部分采用价格低廉且使用方便的LED

20、模块，通过相关计算方法计算得到的转速通过I2C总线放到E2PROM存储，既节省了所需单片机的口线和外围器件，同时也简化了显示部分的软件编程。ULN2003转速测量系统设计原理如下图所示：图3-1ULN转速测量系统框图3.2 转换电路设计由于缺乏相应的敏感元件及相应的组件，因此，具体转换电路的设计采用Proteus Pro 7.5软件对部分硬件电路进行仿真设计。1. 脉冲产生电路设计设计采用了红外光电传感器，进行非接触式检测。当有物体挡在红外光电发光二极管和高灵敏度的光电晶体管之间时，传感器将会输出一个低电平，而当没有物体挡在中间时则输出为高电平，从而形成一个脉冲。系统在光电传感器收发端间加入电

21、动机，并在电动机的转轴上安装一转盘。在这个转盘的边沿处挖出若干个圆形过孔，把传感器的检测部分放在圆孔的圆心位置。每当转盘随着后轮旋转的时候，传感器将向外输出若干个脉冲。把这些脉冲通过一系列的波形整形成单片机可以识别的TTL电平，即可算出轮子即时的转速。转盘的圆孔的个数决定了测量的精度，个数越多，精度越高。这样就可以在单位时间内尽可能多地得到脉冲数，从而避免了因为两个过孔之间的距离过大，而正好在过孔之间或者是在下个过孔之前停止了，造成较大的误差。设计中转盘的圆孔的实际个数受到技术的限制。为了达到预定的效果设计在转盘过孔的设计上采用11个过孔，从而留下了10个同等的间距。这样在以后的软件设计中能够

22、较为方便的计算出脉冲频率。脉冲发生源的硬件结构图如图3.1所示。图3-2-1 脉冲发生源硬件结构图（左为正视图，右为侧视图） 2.光电转换及信号调理电路设计由于系统需要将光信号转换为电信号，因而需要使用光电传感器并设计相应的信号调理电路，以得到符合要求的脉冲信号，送给单片机STC89C51进行计数，同时得到计数的时间，由单片机进行相关计算以得到电动机转速。传感器将电机的转速信号转变成了电脉冲信号，该信号经过LM324集成运放整形驱动，送到单片机进行脉冲计数，从而测出电动机转速。光电转换部分与单片机的连接框图如图3-2-2所示：图3-2-2光电转换部分与单片机连接框图3. 时钟电路系统采用12M

23、晶振与两个30pF电容组成震荡电路，接STC89C52的XTAL1与XTAL2引脚，为微控制器提供时钟源。仿真连接图：图3-2-3时钟电路仿真图4. 按键电路四个按键分别控制电机的不同转速，即控制PWM波高电平的占空比，以实现电机的速度控制，采用开环控制方法，不是十分精确，但控制简单，易实现，代码编写简单。图3-2-4按键电路仿真图5. 显示电路：图3-2-5显示电路仿真图系统采用4位共阴极数码管实现转速显示。数码管的位选端14分别接STC89C52的P2.0P2.3管脚，端选段AG与DP分别接STC89C52的P0.0P0.7管脚。需要说明的是：实际焊接电路时，数码管的位选端需要焊接三极管，

24、否则数码管显示亮度将会非常暗。6电机控制与驱动部分电机的运行通过PWM波控制。PWM波通过STC89C52的P2.4口输出。图3-2-6电机控制与驱动电路仿真图7. 复位电路图3-2-7复位电路仿真图3.3 传感器总体分析整个转速测量系统的电路图将会附在附录中，由于实验开始时已明确实验设计原理，因此，在进行仿真实验时，只需要将从软件中测出的输出脉冲波形频率代入原理公式中即可得到对应的被测电机的转速。对应转速公式为：N = 60m/pTc (r/min)其中，m = T*c*f传感器总体分析步骤为：（1） 利用光电开关管做电机转速的信号拾取元件，在电机的转轴上安装一个圆盘，在圆盘上挖1小洞，小洞

25、上下分别对应着光发射和光接受开关，圆盘转动一圈即光电管导通1次，利用此信号做为脉冲计数所需。（2） 对光电开关信号整流放大。（3） 脉冲经过单片机内部的计数器和定时器进行计数和定时。（4）显示电路采用单片机动态显示。3.4 使用条件和误差补偿1.在最初的设计电路时中没有使用采用硬件消抖的方式来避免三个按键按下时带来的不稳定信号，录入数据往往出错，后来使用软件消抖来解决这个问题，但是由于按键复用程度比较高，因此软件消抖浪费了不少一部分系统资源，后来采用RC电路硬件消抖比较完美的解决了这个问题。2.在硬件调试过程中出现过某些零件不灵的情况，根据已经画好的电路图使用外用表可以很快的查找到问题的所在。

26、经过简单的焊接处理即可解决。后来为了避免频繁操作对焊接电路的影响，专门在单片机的上下焊接了支撑部件，用来防止板子上元器件以及后面的焊接线路收到影响，事实证明这个很大程度保护了单片机，方便了对单片机的操作。3.在硬件电路完成后遇到的最大问题是无法将程序导入到单片机，通过深入的研究，发现通过单片机的串口可以很容易的连接上单片机，进而将hex程序写入到单片机中。为此专门扩展了串口电路，并且完成了相应的软件实现和PC之间的通信。4.在单片机和PC通信的时候通过单片机发送数据给PC的时候经常会出现乱码，无论发送什么字符还是十六进制数字都无法准确收到，后来经过研究，发现问题出在晶振上，我们选用了12M晶振，12M的晶振波特率只能是2400。因为9600的情况下会有7.8%的误差，所以会产生乱码，而2400波特率的情况下误差是0.16%