转速测量自学报告.doc

“传感技术”自学报告之一转速测量姓名：赵跃海 班级：物联网13-1学号：13050401302015年12月10日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11.2.2 光电式转速测量11.2.3 电感式转速测量11.2.4 等2第2章 总体方案设计32.1 方案一32.2 方案二32.3 方案三32.4 方案分析对比32.5 小结3第3章 具体设计与特性分析43.1 传感器设计43.2 转换电路设计43.3 传感器总体分析43.4 使用条件和误差补偿43.5 仿真实验43.6 小结5总结6参考文献7附录8千万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“更新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行第1章 转速测量文献综述1.1 转速测量的意义1.1.1转速测量的应用领域以及重要性在机械自动化高速发展的今天，转速是能源设备与动力机械性能测试的一个重要的特性参量，在工业和农业领域都占据了越来越重要的地位，因为动力机械的许多特性参量是根据他们与转速的函数关系来确定的，例如压缩机的排气量，轴功率，内燃机的输出功率。转速测量用于测定电机的转速，常用于电机、电扇、造纸、塑料、化纤、洗衣机、汽车、飞机、轮船等制造业等，而且动力机械的震动，管道气流的脉动，各种零件的磨损状态都与转速有关，对了解设备的运行，提高工农产品的质量和效率有重要意义。其大小和变化关系着机械运转是否正常。动力机械的许多特性参数往往通过转速来确定，例如电机的输出功率，而且动力机械的振动、管道气流脉动与各种工作零件的磨损状态等也与转速密切相关。及时监测转速的变化可以及时排除机器运转中的许多故障，避免造成更大损失。1.1.2转速测量总体技术水平与存在的问题转速测量技术随着科学技术的飞速发展 ,在旋转物体速率测量方式上应用了各种新的技术 ,实现了测量的准确高效、安全便捷。转速表依据测量方式可分为接触式和非接触式两大类 ,转速表依据工作原理和采样方式可分为机械式、光电式、激光式、频闪式、磁电式等。目前使用纯机械式转速表的用户已经越来越少 ,并呈现将被电子计数式转速表逐渐取代的趋势。转速测量范围一般为几十转至几万转 ,测量准确度大多为0.1%以下 ,极少数产品能达到 0 .0 5 %。在转速的测量中，我们往往需要的是在较大速度范围内具有高分辨率的快捷而准确的测速系统，传统的模拟式测速仪，由于受非线性，温度变化和元件老化等因素的影响，使其在转速检测的过程中很难满足快速性和准确性的要求。1.2 转速测量现状随着微型计算机的广泛应用，特别是高性能性价比单片机的出现，转速测量开始采用以单片机为核心的数字测量方法，而智能化微处理器代替了机械式或模拟式结构，一般的转速测试可用机械式转速表、发电式转速表以及频闪式转速表，但是在有些情况下，其测量精度，瞬时稳定性不能满足更高的要求，因此在测量方法和传感器的选择上尤为重要。常用的有光电传感器、霍尔传感器、电磁传感器，而测量方法有测量周期、测量频率等。采用霍尔传感器的方法：霍尔传感器由于体积小无触点，动态性能好，使用寿命长，在测量动物体转速领域被广泛采用。采用光电传感器的方法：根据光栅莫尔条纹的位移放大原理制成光电传感器，用于精细测角与测速。光电传感器与转轴同轴安装后，在扫描转子转动过程中采集光电译码器的输出信号，通过对输出信号处理的到转速、直接处理脉冲信号的方法，所需频率信号为脉冲信号，通过对其直接采集处理来进行计算。使用霍尔传感器和光电译码器的方法进行测量，需要对被测目标本身进行改装或加工处理，对于测量精度高的设备，采用这种方法还是不错的，由于要求对于物体进行改造使得采用这种方法在小空间中进行测量时会有不便，并且在被测目标上加装的物体会影响被测目标向心力参数，测量不准确。1.2.1 磁电式转速测量磁电式转速测量的基本原理。多种磁电式转速测量传感器(系统)的特点、技术指标、应用场合、不足、产品情况等，包括必要的图、公式。对现有的磁电式转速测量传感器(系统)比较、总结。磁电式传感器的基本原理磁电感应式传感器是以电磁感应原理为基础，根据电磁感应定律，线圈两端的感应电动势正比于线圈所包围的磁通对时间的变化率，即 (1)其中W是线圈匝数，线圈所包围的磁通量。若线圈相对磁场运动速度为v或角速度w，则上式可改为e=-WBlv或者e=-WBSw，l为每匝线圈的平均长度；B线圈所在磁场的磁感应强度；S每匝线圈的平均截面积。磁电式传感器的分类以及各自的特点磁电式传感器根据工作原理可以分为变磁通式和恒磁通式，即动圈式和磁阻式传感器。动圈式磁电感应式传感器：这类传感器的基本形式是速度传感器，能直接测量线速度和角速度，还可以用来测量位移和加速度。由上述工作原理可知，磁电感应式传感器只适用于动态测量。（1） 动圈式磁电感应式传感器可以分为线速度型和角速度型。如下图1.1所示1 图1.1动圈式磁电感应式结构原理图 (2)磁阻式传感器：又称为变磁通式传感器或变气隙式传感器，常用来测量旋转物体的角速度，可分为开路变磁通式传感器和闭合変磁通式传感器。变磁通式传感器对环境要求不高，能在-150度到90度温度下工作，也能在油，水雾，灰尘等条件下工作，但它的工作频率下限较高，约为50Hz,上限为100Hz如图1.2为变磁通式磁电传感器，用来测量旋转物体的角速度。图1.2变磁通磁电感应式结构原理图 其中（a）为开磁路变磁通式：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，每转动一个齿，齿轮凸凹引起磁路磁阻变化一次，磁通也就变化一次。线圈中产生感生电动势，其变化频率等于被测转速与测量尺寸齿数的乘积，这种传感器结构简单，但输出信号较小，且因高速轴上加装齿轮较危险而不易测量高转速。 其中（b）为闭磁路式，它由装在转抽上的内齿轮和外齿轮，永久磁铁和感应线圈组成，内外齿轮齿数相同，当转轴连接在被测转轴上时，外齿轮不动，内齿轮随被测转轴而转动。内外齿轮的相对转动使气隙磁阻发生周期性变化，从而磁路中的磁通发生变化，使线圈内产生周期性变化的感应电势。感应电动势的频率与被测转速成正比。如图1.3为恒磁通磁电传感器图1.3恒定磁通磁电感应式传感器结构原理图 磁路系统产生固定的直流磁场，磁路中的工作气隙固定不变，因而气隙中的磁通也是恒定的，其运动部件可以是线圈式（动圈式）如1.3（a）也可以是磁铁式（动铁式）如1.3(b).其工作原理是完全相同的。当壳体随被测振动体一起振动时，由于弹簧较软，运动部件质量相对较大，来不及随振动体一起振动，近乎静止，振动能量几乎全部被弹簧吸收，永久磁铁与线圈之间的相对运动速度近于振动体的振动速度。磁电感应式传感器的应用场合1. 转速的测量如下表1.1表1.1磁电式传感器转速测量指标工作频率50-100hz最大可测速度5g精度施密特上VT+，内部触发器发生翻转。当VI逐步下降时，致使VIVT-。所以只要VIVT+电路就稳定在高电平，这样就有效的防止了杂波的干扰，并使输出得到矩形脉冲，符合了下级计数的需求。典型的施密特其工作波形如下图3.2所示：图3.2施密特波形示意图采用积分微分转换电路对输出进行滤波和整形3.3 传感器总体分析在对转速波动较快系统或要求动态特性好而精度高的转速测控系统中,调节周期一般很短,相应的采样周期需取得很小,使得脉冲当量增高,从而导致整个系统测量精度降低,难以满足测控要求。提高采样速率通常就要减小采样时间T,而T的减小会使采到的脉冲数值N下降,导致脉冲当量(每个脉冲所代表的转速)增高,从而使得测量精度变得粗糙。通过增加测速码盘的齿数可以提高精度,但是码盘齿数的增加会受到加工工艺的限制,同时会使转速测量脉冲的频率增高,频率的提升又会受到传感器中光电器或磁敏器或磁电器件最高工作频率的限制。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。凡此种种因素限制了常规智能转速测量方法的使用范围。而采用本文所提出的定时分时双频率采样法,可在保证采样精度的同时,提高采样速率,充分发挥微机智能测速方法的优越性及灵活性。光电传感器整个测速的过程如下:传感器放大整形电路单片机LED显示图3.3测速流程图各部分模块的功能：传感器：用来对信号的采样。放大、整形电路：对传感器送过来的信号进行放大和整形，在送入单片机进行数据的处理转换。单片机：对处理过的信号进行转换成转速的实际值，送入LEDLED显示：用来对所测量到的转速进行显示整个测速实验原理图如下所示61k1 k4.7k4.7kU图3.4传感器测速实验原理图根据设计好的电路图，将电源分别连接上正负15V的电源上以及2-15的调速电源上，将转速调节连接上2-15V的转速电源接光电传感器的移动电源上，观察示波器波形与频率，调节电压使转动速度变化。观察频率变化，利用N=60f/z=30fr/min,计算转速。3.4 使用条件和误差补偿光电传感器最佳的使用条件1、反射取样式光电传感器的工作原理是传感器红外发射管发射出红外光，接收管根据反射回来的红外光强度大小来计数的，故被检测的工件或物体表面必须有黑白相间的部位用于吸收和反射红外光，这样接收管才能有效的截止和饱和达到计数的目的。所以在选择工作点、安装及使用中最关健的一点是接收管必须工作于截止区和饱和区7。2、使用中光电传感器的前端面与被检测的工件或物体表面必须保持平行，这样光电传感器的转换效率最高。3、光电传感器的前端面与反光板的距离保持在规定的范围内。4、光电传感器必须安装在没有强光直接照射处，因强光中的红外光将影响接收管的正常工作。5、光电传感器的红外发射管的电流在210mA之间时发光强度与电流的线性最佳，所以在电流取值一般不超过这个范围，若取值太大发射管的光衰也大长时间工作影响寿命；若在电池供电的情况下电流取值应小，此时抗干扰性下降，在结构设计时应考虑这点，尽量避免外界光干扰等不利因素光电传感器在具体的工作环境中最佳工作状态的参数选择方法：根据实际的检测距离选取光电传感器的型号。安装好传感器，做好工件或物体表面的取样标志。误差补偿在使用过程中，温度的变化会产生电路变化，进而产生误差，所以在转化电路后接一个温度补偿电路，如下图 图十二 温度补偿电路当温度变化时Ur有变化趋势。设|Ur|因温度的变化而增加，通过运放A1的反向输入端将Ue调小，驱动电流随之变小，从而|Ur|的增加被抑制。电路中的C1、C2是为了消除环境干扰和运放噪声引起的驱动电流波动。3.5 小结在整个转速的测量中，我组总共提出了四个方案 ，经过对各个方案的研究分析，做出了一个相对简单合理的方案。实验前应该仔细了解实验细节，认真读取数据，减小误差，转速的测量需要有耐心。试验后应该认真对实验数据进行分析，如果实验数据与理论推导有较大的误差，要仔细分析原因，认真阅读资料，与小组成员讨论，多做几组实验得到更好的实验数据，才能让事实证明理论的正确性。在实验中要熟悉电路，了解电阻、电容、放大电路的连接方式，注意电压的选择，电阻的平衡。由于对传感器的输入输出特性不了解，转换电路和后期整流电路都存在着一些弊端，还有待继续改进。因为没有仿真软件，时间也较紧迫，所以对整个设计的修改并不完善，后期还会继续修改设计。在实验设计中耐心调整、认真记录数据和后期处理都很重要。在设计时,三种传感器有不同的优点和缺点，在选择时，应注意我们测量的数据的要求，对稳定性，精确度，测量时间，等不同因素的取舍。在选择传感器后。应该注意传感器细节之处，比如，传感器对光线的强度的需求,转换电路对精度的影响等等。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。总结在实验中要熟悉电路