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2.2方案二10

2.3方案分析对比...........................................................................................12

2.4小结12

第3章具体设计与特性分析13

3.1传感器设计13

3.2转换电路设计13

3.3传感器总体分析17

3.4使用条件和误差补偿17

3.5仿真实验18

3.6小结18

总结20

参考文献21

附录22

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转速测量文献综述

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。

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

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

模

拟

利用离心力与转速平方成正比的关系

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

可远程指示操作

电容式

利用电容充放电回路产生于转速成正比的电流

简单、可远程指示

同

步

转动带槽的圆盘，目测与旋转同步体的转速

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

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（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Φ，则，线圈内感应电势E与磁通变化率

有如下关系：

由于φ=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1-1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。

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：

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。

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。

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

总体方案设计

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

UGN3144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2-1-2UGN3144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2-1-3UGN3144霍尔元件传感器设计电路模型

方案二ULN2003光电式转速测量系统

在固定的测量时间内，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