光電轉(zhuǎn)速表設(shè)計方案.doc

1引言轉(zhuǎn)速是各類電機(jī)運(yùn)行中的一個重要物理量，在工程實(shí)踐中,我們經(jīng)常會遇到各種需要測量轉(zhuǎn)速的場合。轉(zhuǎn)速是描述各種旋轉(zhuǎn)機(jī)械技術(shù)性能的一個重要參量，是電動機(jī)極為重要的一個狀態(tài)參數(shù)，在很多運(yùn)動系統(tǒng)的測控中,都需要對電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行測量,飛機(jī)、汽車、電機(jī)等動力設(shè)備的研究、制造和使用等方面，都與轉(zhuǎn)速的測量有著密切的關(guān)系。精確地檢測轉(zhuǎn)速是提高控制精度的關(guān)鍵。如何準(zhǔn)確、快速而又方便地測量電機(jī)轉(zhuǎn)速，極為重要。就非接觸式轉(zhuǎn)速表檢測中,脈沖光源式測速裝置能否與轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)源裝置共存的問題,多年來在國內(nèi)轉(zhuǎn)速計量領(lǐng)域內(nèi)一直存在著很大的分歧。一些計量科技人員認(rèn)為,用脈沖光源測速裝置作為非接觸式轉(zhuǎn)速表檢測的標(biāo)準(zhǔn)裝置,可以提高測量準(zhǔn)確度,方法可行。而另一方則認(rèn)為,如果此方法可以作為轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)裝置的另一種形式存在,勢必造成轉(zhuǎn)速計量領(lǐng)域里的混亂。轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)源和脈沖光源的測速裝置在原理上有質(zhì)的區(qū)別,用脈沖光源測速裝置來檢測光電式轉(zhuǎn)速表的方式不可取。盡管當(dāng)前的技術(shù)可以將頻率信號源做到準(zhǔn)確度達(dá)到10-6甚至更高,但它不能替代轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)裝置的功能和作用。理由是:第一,脈沖光源光強(qiáng)過大,有可能造成檢測人員無法及時發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速表接收信號的能力或轉(zhuǎn)速表本身光源存在的問題；第二,脈沖光源信號的跳變過于理想,不能代表定向反射紙真實(shí)的反射信號,與光電式轉(zhuǎn)速表實(shí)際測量時的工作裝態(tài)差異較大。因此我們認(rèn)為,只有使用轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)裝置才能完成對光電式轉(zhuǎn)速表整個系統(tǒng)工作性能的準(zhǔn)確檢測,這也才是轉(zhuǎn)速計量檢測的真正目的所在。脈沖光源用于光電式轉(zhuǎn)速表檢測尚存在如上弊病,所以更不能應(yīng)用于其它類型轉(zhuǎn)速表的檢測。針對這個問題,我們對國際上一些國家轉(zhuǎn)速表校準(zhǔn)方法進(jìn)行了較為廣泛的調(diào)研(如德、美、法、英、奧、加等)。比較統(tǒng)一的看法是:使用轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)裝置(即標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速源)對現(xiàn)有的各類轉(zhuǎn)速表進(jìn)行檢測/校準(zhǔn),綜合考慮了轉(zhuǎn)速表實(shí)際情況,更具科學(xué)性和合理性。光電檢測技術(shù)是光學(xué)與電子學(xué)相結(jié)合而產(chǎn)生的一門新興檢測技術(shù)。它主要利用電子技術(shù)對光學(xué)信號進(jìn)行檢測，并進(jìn)一步傳遞、儲存、控制、計算和顯示。光電檢測技術(shù)從原理上講可以檢測一切能夠影響光量和光特性的非電量。它可通過光學(xué)系統(tǒng)把待檢測的非電量信息變換成為便于接受的光學(xué)信息，然后用光電探測器件將光學(xué)信息量變換成電量，并進(jìn)一步經(jīng)過電路放大、處理，以達(dá)到電信號輸出的目的。然后采用電子學(xué)、信息論、計算機(jī)及物理學(xué)等方法分析噪聲產(chǎn)生的原因和規(guī)律，以便于進(jìn)行相應(yīng)的電路改進(jìn)，更好地研究被噪聲淹沒的微弱有用信號的特點(diǎn)與相關(guān)性，從而了解非電量的狀態(tài)。微弱信號檢測的目的是從強(qiáng)噪聲中提取有用信號，同時提高檢測系統(tǒng)輸出信號的信噪比。2光電轉(zhuǎn)速表總體方案設(shè)計21信號采集方案電機(jī)轉(zhuǎn)動速度的數(shù)字檢測基本方法是利用與電動機(jī)同軸連接的光電脈沖發(fā)生器的輸出脈沖頻率與轉(zhuǎn)速成正比的原理,根據(jù)脈沖發(fā)生器發(fā)出的脈沖速度和序列,測量轉(zhuǎn)速。目前國內(nèi)外常用的轉(zhuǎn)速測量方法有離心式轉(zhuǎn)速表測速法、測速發(fā)電機(jī)測速法、閃光測速法、光電碼盤測速法和霍爾元件測速法等。離心式轉(zhuǎn)速表是利用離心原理制成的測速儀表，可以直接讀出轉(zhuǎn)速。測轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)速表的端頭要插入電機(jī)轉(zhuǎn)軸的中心孔內(nèi)，插入前，應(yīng)注意清除中心孔中的油污，并使轉(zhuǎn)速表的軸與電機(jī)的軸保持同心，不可上下左右偏斜，否則易將表軸扭壞，并影響準(zhǔn)確讀數(shù)，而且轉(zhuǎn)速表要間歇使用，以減少磨損和發(fā)熱。如果要改變量程，還要將轉(zhuǎn)速表取出停轉(zhuǎn)后再改變量程。測速發(fā)電機(jī)測轉(zhuǎn)速時，測速發(fā)電機(jī)連接到被測電機(jī)的軸端，將被測電機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)速變換為電壓信號輸出E=CeFn，在輸出端接一個刻度以轉(zhuǎn)速為單位的電壓表，即可讀出轉(zhuǎn)速。閃光測速法是利用可調(diào)脈沖頻率的專用電源施加于閃光燈上，將閃光燈的燈光照到電機(jī)轉(zhuǎn)動部分(可在電機(jī)端軸上粘貼一張標(biāo)記紙片)，當(dāng)調(diào)整脈沖頻率使黑色扇形片靜止不動時，此時脈沖的頻率是與電機(jī)轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)速是同步的。若脈沖頻率為f，則電機(jī)的轉(zhuǎn)速為n=60f(r/min)。光電碼盤測速法是通過測出轉(zhuǎn)速信號的頻率或周期來測量電機(jī)轉(zhuǎn)速的一種無接觸測速法。光電碼盤安裝在轉(zhuǎn)子端軸上，隨著電機(jī)的轉(zhuǎn)動，光電碼盤也跟著一起轉(zhuǎn)動，如果有一個固定光源照射在碼盤上，則可利用光敏元件來接收到的光的次數(shù)就是碼盤的編碼數(shù)。若編碼數(shù)為60,測量時間為t，測量到的脈沖數(shù)為N，則轉(zhuǎn)速n=N/（t*60）*60=N/t。霍爾元件測速法是利用霍爾開關(guān)元件測轉(zhuǎn)速的。霍爾開關(guān)元件內(nèi)含穩(wěn)壓電路、霍爾電勢發(fā)生器、放大器、施密特觸發(fā)器和輸出電路。輸出電平與TTL電平兼容，在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上裝一個圓盤，圓盤上裝若干對小磁鋼，小磁鋼越多，分辨率越高，霍爾開關(guān)固定在小磁鋼附近，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動時，每當(dāng)一個小磁鋼轉(zhuǎn)過霍爾開關(guān)，霍爾開關(guān)便輸出一個脈沖，計算出單位時間的脈沖數(shù)，即可確定旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)速。22測速方案根據(jù)脈沖計數(shù)來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速測量的方法主要有:M法(測頻法)、T法(測周期法)和M/T法(頻率/周期法)。1）M法(測頻法)在規(guī)定的檢測時間內(nèi),檢測光電脈沖發(fā)生器所產(chǎn)生的脈沖信號的個數(shù)來確定轉(zhuǎn)速。雖然檢測時間一定,但檢測的起止時間具有隨機(jī)性,因此M法測量轉(zhuǎn)速在極端情況下會產(chǎn)生士1個轉(zhuǎn)速脈沖的誤差。當(dāng)被測轉(zhuǎn)速較高或電機(jī)轉(zhuǎn)動一圈發(fā)出的轉(zhuǎn)速脈沖信號的個數(shù)較大時,才有較高的測量精度,因此M法適合于高速測量。2）T法(測周期法)它是測量光電脈沖發(fā)生器所產(chǎn)生的相鄰兩個轉(zhuǎn)速脈沖信號的時間來確定轉(zhuǎn)速。相鄰兩個轉(zhuǎn)速脈沖信號時間的測量是采用對已知高頻脈沖信號進(jìn)行計數(shù)來實(shí)現(xiàn)的。在極端情況下,時間的測量會產(chǎn)生士1個高頻脈沖周期,因此T法在被測轉(zhuǎn)速較低(相鄰兩個轉(zhuǎn)速脈沖信號時間較大)時,才有較高的測量精度,所以T法適合于低速測量。3）M/T法(頻率/周期法)它是同時測量檢測時間和在此檢測時間內(nèi)光電脈沖發(fā)生器所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速脈沖信號的個數(shù)來確定轉(zhuǎn)速。由于同時對兩種脈沖信號進(jìn)行計數(shù),因此只要“同時性”處理得當(dāng),M/T法在高速和低速時都具有較高的測速精度。23計算原理設(shè)單片機(jī)的晶振為fMHz,沖片齒數(shù)為D。由于單片機(jī)每個機(jī)器周期有12個振蕩周期,則每個機(jī)器周期為12/fMS。若測速脈沖周期為t(通過一個齒時所用的機(jī)器周期數(shù)),則電機(jī)每分鐘轉(zhuǎn)速為n=60/(t*D*12*10-6)/f式中t僅為未知量,因此,只要從定時器中測出值,便可精確計算出電機(jī)的轉(zhuǎn)速。另外,為了防止有雜信號干擾,在軟件處理上還采用了數(shù)字濾波。將輸出轉(zhuǎn)換為BCD碼，經(jīng)譯碼選通顯示位便可輸出電機(jī)的轉(zhuǎn)速。3光電轉(zhuǎn)速表硬件設(shè)計在硬件設(shè)計中提出了出了兩個方案：方案一：利用光敏元件檢測光脈沖，由光源、光敏二極管、檢波放大電路，經(jīng)整形后利用單片機(jī)定時計數(shù)。轉(zhuǎn)軸上有幾組黑白相間的條紋，白的一部分反射的光強(qiáng)，黑的一部分不反射光，這樣一強(qiáng)一弱產(chǎn)生光信號，利用光敏二極管將反射的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，然后通過計數(shù)脈沖的頻率，即可在數(shù)顯裝置上讀出旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速。方案二：利用光電傳感器將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，該電信號是具有強(qiáng)弱的連續(xù)信號。通過濾波后送入單片機(jī)，然后計算頻率，即可得到轉(zhuǎn)速。本課題選擇方案二，硬件總框圖如圖1所示：圖1轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)框圖本系統(tǒng)硬件主要由4個部分組成：1）電源部分2）單片機(jī)部分3）數(shù)碼管顯示部分4