簡(jiǎn)易轉(zhuǎn)速計(jì)的設(shè)計(jì)(張春強(qiáng))檢測(cè)一班要點(diǎn)

1、傳感器原理與設(shè)計(jì)-簡(jiǎn)易傳速計(jì)的設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師：金梅設(shè)計(jì)人：張春強(qiáng)日期:2014年1月9日燕山大學(xué)傳感器原理與設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)院（系）：電氣工程學(xué)院基層教學(xué)單位：儀器科學(xué)與工程系學(xué)號(hào)121203021041學(xué)生姓名張春強(qiáng)專(zhuān)業(yè)（班級(jí)）檢測(cè)一班設(shè)計(jì)題目簡(jiǎn)易轉(zhuǎn)速計(jì)的設(shè)計(jì)設(shè) 計(jì) 技 術(shù) 參 數(shù)選用電渦流式傳感器或其他合適的傳感器把物體的轉(zhuǎn)動(dòng)或運(yùn)動(dòng)速度轉(zhuǎn)換為脈 沖信號(hào)，通過(guò)檢測(cè)單位時(shí)間內(nèi)脈沖的個(gè)數(shù)，顯示物體運(yùn)動(dòng)速度或轉(zhuǎn)動(dòng)的速度。設(shè) 計(jì) 要 求要求所設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)速計(jì)頻率響應(yīng)寬、響應(yīng)快、靈敏度高、非接觸測(cè)量。電路可 包括時(shí)基電路、計(jì)數(shù)電路、信號(hào)放大整形電路、數(shù)碼顯示電路等幾部分。要求選用合適的傳感器類(lèi)型，進(jìn)行傳感

2、元件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)，利用 multisim等后關(guān)工具軟件繪制電路原理圖，或?qū)﹄娐愤M(jìn)行仿真，寫(xiě)出完整的報(bào) 告（主要包括測(cè)量原理，傳感器參數(shù)選擇及設(shè)計(jì)、電路結(jié)構(gòu)的確定等）工 作 計(jì) 劃周1:收集消化資料及擬定設(shè)計(jì)方案周2周3:敏感元件、傳感元件設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)周4:設(shè)計(jì)結(jié)果實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證或演示，撰寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)周5：答辯。參 考 資 料1 .呂泉.現(xiàn)代傳感器原理及應(yīng)用清華大學(xué)出版社 20062 .何利j民.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng) 設(shè)計(jì).北京：北京航空航天大學(xué)出版社3 .呂俊芳傳感器接口與檢測(cè)儀器電路國(guó)防工業(yè)出版社 2009指導(dǎo)教師簽字基層教學(xué)單位主任簽字說(shuō)明：此表一式四份，學(xué)生、指導(dǎo)教師、基層教學(xué)單位、

3、系部各一份。2015年1月5日目錄1 .簡(jiǎn)易轉(zhuǎn)速計(jì)設(shè)計(jì)的意義 2 .設(shè)計(jì)構(gòu)思3 .敏感器件的特性及規(guī)格現(xiàn)狀 4 .匹配電路的設(shè)計(jì)5 .仿真電路的建立6 .仿真結(jié)果分析7 .總結(jié)1.簡(jiǎn)易霍爾轉(zhuǎn)速計(jì)設(shè)計(jì)的意思(1)什么是霍爾傳感器？霍爾傳感器是基于霍爾效應(yīng)的一種傳感器。1879年美國(guó)物理學(xué)家霍爾首先在金屬材料中發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng)，但是由于金屬材料的霍爾效應(yīng)太弱二沒(méi)有得到應(yīng)用。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的應(yīng)用， 開(kāi)始用半導(dǎo)體材料制作霍爾元件， 由于他的霍爾效應(yīng)顯著二得到應(yīng)用和發(fā)展?；魻杺鞲衅魇且环N當(dāng)交變磁場(chǎng)經(jīng)過(guò)時(shí)產(chǎn)生輸出電壓脈沖的傳感器。脈沖的幅度是由激勵(lì)磁場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)決定的。因此，霍爾傳感器不需要外界的電源供電。(2

4、)霍爾傳感器的基本原理是利用半導(dǎo)體材料的霍爾效應(yīng)進(jìn)行測(cè)量的一種磁敏式傳感器。它可以直接測(cè)量磁場(chǎng)和微位移量，應(yīng)用于電池測(cè)量、壓力、加速度、振動(dòng)等方面的 測(cè)量領(lǐng)域。目前霍爾傳感器已從分立元件發(fā)展到集成電路的階段，正越來(lái)越受人們的重視，應(yīng)用日益廣泛。(3)霍爾傳速計(jì)的工作原理霍爾轉(zhuǎn)速傳感器再測(cè)量機(jī)械設(shè)備的轉(zhuǎn)速時(shí)，被測(cè)量機(jī)械的金屬齒輪、齒條等運(yùn)動(dòng)部件會(huì)經(jīng)過(guò)傳感器的前端，引起磁場(chǎng)的相應(yīng)變化， 當(dāng)運(yùn)動(dòng)部件穿過(guò)霍爾元件產(chǎn)生磁力較為分散的區(qū)域時(shí)，磁場(chǎng)相對(duì)較弱，而穿過(guò)產(chǎn)生磁力線較為集中的區(qū)域，磁場(chǎng)就相對(duì)較強(qiáng)?；魻栟D(zhuǎn)速傳感器就是通過(guò)磁力線密度的變化，再磁力線穿過(guò)傳感器上的感應(yīng)元件時(shí)，產(chǎn)生霍爾電勢(shì)?；魻栟D(zhuǎn)速計(jì)的霍爾

5、元件在產(chǎn)生霍爾電勢(shì)后， 會(huì)將其轉(zhuǎn)化為交變電信號(hào)，最后傳感器的內(nèi)置電路會(huì)將信號(hào)調(diào)整和放大， 輸出矩形脈沖信號(hào)。(4)轉(zhuǎn)速計(jì)在日常生活中的應(yīng)用轉(zhuǎn)速計(jì)是日常生活中比較重要的計(jì)量?jī)x表之一，在汽車(chē)、電子、紡織、造紙等方面有廣泛的應(yīng)用。但是由于過(guò)去的技術(shù)比較落后，轉(zhuǎn)速計(jì)一般都使用機(jī)械式或機(jī)電式的機(jī)構(gòu)。其主要結(jié)構(gòu)由測(cè)速電機(jī)、模/數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字量/顯示碼轉(zhuǎn)換、顯示轉(zhuǎn)速量和顯示儀表構(gòu)成的。這樣的機(jī)構(gòu)雖然原理非 常簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)也比較方便，但其缺點(diǎn)也是顯而易見(jiàn)的。如：1 .機(jī)械接觸式設(shè)計(jì)會(huì)影響被測(cè)件的正常工作，低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大影響2 .轉(zhuǎn)動(dòng)式結(jié)構(gòu)使測(cè)量器件壽命變短，間接提高了產(chǎn)品價(jià)格，影響其市場(chǎng)占 有率3 .采用測(cè)

6、速電機(jī)，增加了整個(gè)系統(tǒng)的成本降低了測(cè)量精度4 .功率消耗大，無(wú)便攜性可言可見(jiàn)，這樣的設(shè)計(jì)給市場(chǎng)推廣帶來(lái)了很大的阻礙，而且降低了測(cè)量精度。從而很難占領(lǐng)市場(chǎng)。5 .霍爾轉(zhuǎn)速計(jì)的設(shè)計(jì)意義5.霍爾轉(zhuǎn)速計(jì)設(shè)計(jì)意義1 .在測(cè)量和控制一些運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的時(shí)候，人們往往要檢測(cè)出電機(jī)的轉(zhuǎn) 速，從而來(lái)改進(jìn)該系統(tǒng)的性能，確保系統(tǒng)的高精度，只有測(cè)量出精確的轉(zhuǎn) 速，才能實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的高精度。1 .,檢測(cè)和控制機(jī)器的轉(zhuǎn)速在實(shí)時(shí)控制工業(yè)領(lǐng)域方面也是非常重要 的，因?yàn)檗D(zhuǎn)速對(duì)系統(tǒng)的誤差分析和動(dòng)態(tài)響應(yīng)都起到了重要的作用。檢測(cè)機(jī)器的轉(zhuǎn)速，尤其是在智能化儀表和無(wú)人操作平臺(tái)（如無(wú)人機(jī)）等領(lǐng)域具有 重要的意義。3 .轉(zhuǎn)速的測(cè)量在感應(yīng)電機(jī)的應(yīng)用

7、領(lǐng)域也是就廣泛的應(yīng)用，因?yàn)殡姍C(jī)在 啟動(dòng)的瞬間要進(jìn)行轉(zhuǎn)速的測(cè)量，才能精確地計(jì)算出力矩和瞬時(shí)加速度。此外，如果是帶著離心開(kāi)關(guān)的感應(yīng)電機(jī)，就要在開(kāi)啟電機(jī)之后，測(cè)量打開(kāi)該 開(kāi)關(guān)是時(shí)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速， 通過(guò)測(cè)量這些電機(jī)的瞬時(shí)的轉(zhuǎn)速，才能來(lái)衡量電機(jī)的性能，判斷其優(yōu)劣。因此，轉(zhuǎn)速也是電機(jī)的重要指標(biāo)。目前隨著分布式 的發(fā)電系統(tǒng)越來(lái)越受到人們的廣泛使用，人們要對(duì)其開(kāi)展精度的轉(zhuǎn)速控 制，才能有效地提高系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化效率。4 .人們想要良好的掌握開(kāi)啟電機(jī)時(shí)的瞬時(shí)工作狀態(tài)，精確地測(cè)量出該 電機(jī)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速瞬時(shí)非常有必要的，因?yàn)檗D(zhuǎn)速不僅可以分析電機(jī)的良好性能，還能掌握負(fù)載的施加情況，從而為以后機(jī)器在發(fā)生故障時(shí)候進(jìn)行診斷提供了物理的

8、依據(jù)。此外，瞬時(shí)轉(zhuǎn)速還提供了判斷電機(jī)的很多信息，尤其 是對(duì)柴油發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)，測(cè)試發(fā)電機(jī)的性能顯得尤為重要。5 .轉(zhuǎn)速的測(cè)量在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域也得到了應(yīng)用，隨著農(nóng)業(yè)的機(jī)械化水平不斷 地提高，在排種器的性能測(cè)量、檢測(cè)排種的時(shí)間的等領(lǐng)域上都要進(jìn)行轉(zhuǎn)速 的精確檢測(cè)，從而保證農(nóng)業(yè)的豐收。2.設(shè)計(jì)構(gòu)思（1）傳感器的總體設(shè)計(jì)信號(hào)處理led顯示霍 爾 傳 感 器（2）測(cè)控電路的設(shè)計(jì)磁性轉(zhuǎn)盤(pán)的輸入軸與被測(cè)軸相連，當(dāng)被測(cè)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)， 磁性轉(zhuǎn)盤(pán)隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，固定在磁性轉(zhuǎn)盤(pán)附近的霍爾傳感器便可在每一個(gè)小磁鐵通過(guò)時(shí)產(chǎn)生一 個(gè)相應(yīng)的脈沖，檢測(cè)出單位時(shí)間的脈沖數(shù)（或者測(cè)出一個(gè)脈沖的時(shí)間）， 便可知被測(cè)轉(zhuǎn)速。磁性轉(zhuǎn)盤(pán)上的小磁鐵數(shù)目的多少?zèng)Q

9、定了傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)速的分辨率。被測(cè)轉(zhuǎn)速部分即為星號(hào)的部分，測(cè)量時(shí)，在轉(zhuǎn)動(dòng)物體的轉(zhuǎn)軸上安裝一非磁性的圓盤(pán)，圓盤(pán)邊緣上粘一磁鋼（永久磁鐵磁力較強(qiáng)），距離霍爾元件1 10mm處。在測(cè)量時(shí)，當(dāng)磁鋼與霍爾元件相對(duì)位置發(fā)生變化時(shí)，通過(guò) 霍爾元件磁感面的磁場(chǎng)強(qiáng)度就會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)穿過(guò)霍爾元件的磁場(chǎng)較強(qiáng)， 霍爾元件輸出低電平，當(dāng)磁場(chǎng)較弱時(shí)，輸出高電平，從而使得在圓盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng) 過(guò)程中，霍爾元件輸出連續(xù)脈沖星號(hào)。3.敏感器件的特性及規(guī)格分類(lèi)1 .霍爾元件霍爾轉(zhuǎn)速傳感器主要組成部分是傳感頭和齒圈，傳感頭由霍爾元件、 永磁體和電子電路組成。在設(shè)計(jì)中使用 hal-12霍爾傳感器，它是一種采用霍爾原理的轉(zhuǎn)速傳感 器。它的感應(yīng)對(duì)象

10、為磁鋼。當(dāng)被測(cè)體上嵌入磁鋼，隨著被測(cè)物體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)， 傳感器輸出與旋轉(zhuǎn)頻率相關(guān)的脈沖信號(hào)，達(dá)到測(cè)速的目的。技術(shù)參數(shù)：1 .發(fā)訊頻率：070khz2 .供電電源：1225v（dc）3 .檢測(cè)距離：14mm （磁鋼）4 .輸出信號(hào)：矩形波幅值，近電源電壓5.溫度:-20度80度dhal-12霍爾傳感器m12x1圖2.2 hm-12霍爾傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)傳感器傳感頭當(dāng)圓形磁盤(pán)旋轉(zhuǎn)式， 磁盤(pán)上不同磁性的小磁鋼交替變化，引起磁力的交替變化，磁力穿過(guò)傳感器上感應(yīng)元件時(shí)產(chǎn)生霍爾電勢(shì)經(jīng)過(guò)霍爾芯片的放大 整形輸出，再輸入到轉(zhuǎn)換電路。磁盤(pán)每轉(zhuǎn)一圈，與感應(yīng)元件就接觸一次，感應(yīng)元件感應(yīng)磁場(chǎng)的變化通過(guò)上拉電阻在輸出口會(huì)產(chǎn)生一個(gè)

11、有效電平。傳感器內(nèi)置電路對(duì)該信號(hào)進(jìn)行放大、整形，輸出良好的矩形脈沖信號(hào)。auwt2霍爾轉(zhuǎn)速傳感器內(nèi)置電路圖圓盤(pán)貼兩個(gè)磁鋼時(shí)，設(shè)每秒計(jì)數(shù)n個(gè)值，則轉(zhuǎn)速 w=n/2即只要將計(jì)數(shù)值乘以30即可得到每分鐘電機(jī)的轉(zhuǎn)速圖2.6霍爾式好速瀏量?jī)?yōu)系統(tǒng)硬件電鴇圖脈沖經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理，最終由led燈顯示出轉(zhuǎn)速。本次設(shè)計(jì)采用測(cè)量轉(zhuǎn)速（測(cè)頻法）。在一定的測(cè)量時(shí)間內(nèi)，測(cè)量輸入脈沖產(chǎn)生的脈沖數(shù) ml來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)速，如圖示國(guó)工】施用就沖國(guó)1zv示波器-xsc1圖3-1模擬輸出的矩形脈沖圖vss=1mhifri aaa- . gxrcilm3ma0t2-t1所闌 b/a期ac- 0 | d|期j屏"_標(biāo)淮|且力i走|觸發(fā)

12、邊沿二e k 3 i外部i保存 i ext. trigger時(shí)詡單比例pms/sv時(shí)間 0.000 s20.ckj0 ms20.000 ms通道了0-000 v 431,236 uv 布 l236 uv通道4比例2 w通道于 6.505 v 10,210 v 3.705v通道比例20 wi? vfefi io-ac | 0 dc6; o o o o n a o c o o v-圖 3-2 傳感器內(nèi)置電路仿國(guó)t4比物彷直圖3.2誤差分析轉(zhuǎn)速公式n=60ml/tp,給出因ml的量化誤差是一個(gè)脈沖，故轉(zhuǎn)速變化:n=60 (ml 力口減 1) /tp (3-1)相對(duì)誤差為轉(zhuǎn)速：1/m1 (3-2)m1=npt/60(3-3 )式3-3帶入3-2得相對(duì)誤差為 60/ptn由式可知相對(duì)誤差隨著轉(zhuǎn)速n,增大而減小，因此，此方法適合高度測(cè)量,轉(zhuǎn)速越小，誤差越大。設(shè)t=1p=12, 假定相對(duì)誤差為 0.1%,經(jīng)計(jì)算：n=5000r/min當(dāng)n小于5000r/min時(shí)，誤差將會(huì)超出允許范圍外。經(jīng)計(jì)算測(cè)量精度全程誤差為0.005%總結(jié)課程設(shè)計(jì)結(jié)束了， 在這次課程設(shè)計(jì)中不僅檢驗(yàn)了我所學(xué)習(xí)的知識(shí)，也培養(yǎng)了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。 在設(shè)計(jì)過(guò)程中，與