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目录第一章绪论 11.1 本设计课题的目的和意义 11.2 数字式转速测量系统的发展背景 11.3 转速测量方法概述 2 第二章系统方案提出和论证 42.1 测量系统的构成 42.2 转速测量的方法 52.3 转速测量方案的选择 72.3.1 霍尔传感器测量方案 72.3.2 光电传感器测量方案 92.3.3 涡流传感器测量方案 102.3.4 传感器测转速方案的确定 11 第三章系统硬件设计 133.1 光电传感器转速测量 133.2 霍尔传感器转速测量 15 总结与体会 17 参考文献 18附录 19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0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，在邛内计数值若为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ml来测量转速；如下图2-2所示。图2-2 M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:60Xrn 二2二 T （ 2-1）转轴转过的弧度数Xr可用下式表示：2-m1 Xrp （ 2-2）因此，转速n的表达式为：60min =Tp （ 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。女仆图2-3所RTdlOJUTUTJ %.b一*珅1*示为M/T法定时/计数测量。_删血删删|邮皿皿M卜一*图2-3 M/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，ml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：M/T设高频脉冲的频率为fc,脉冲发生器每转发出p个脉冲，由式可得法转速计算公式为：(2-4)60fcmi n= pm2N :转速，单位：rpmHzfc :晶体振荡频率，单位：ml：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：甬缶兀件出图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，