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：1305040130

2015年12月10日

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目录

第1章 转速测量文献综述 1
1.1 转速测量的意义 1
1.2 转速测量现状 1
1.2.1 磁电式转速测量 1
1.2.2 光电式转速测量 1
1.2.3 电感式转速测量 1
1.2.4 等 2
第2章 总体方案设计 3
2.1 方案一 3
2.2 方案二 3
2.3 方案三 3
2.4 方案分析对比 3
2.5 小结 3
第3章 具体设计与特性分析 4
3.1 传感器设计 4
3.2 转换电路设计 4
3.3 传感器总体分析 4
3.4 使用条件和误差补偿 4
3.5 仿真实验 4
3.6 小结 5
总结 6
参考文献 7
附录 8
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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，Φ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
<=10%
固有频率
12hz
可测振幅范围
0.1-1000
外形尺寸
45×160mm
灵敏度
604mv*s/cm
工作线圈内阻
1.9
质量
0.7kg
2. 振动的测量
开磁路式转速传感器结构比较简单，但输出信号小，另外当被测轴比较大时，传感器输出波形失真较大。在振动强的场合往往采用闭磁路式转速传感器，如下图[2]1.4

图1.4闭磁路式转速传感器结构示意图
3扭矩的测量
当转轴不受扭矩时，两线圈输出信号相同，相位差为零。当被测轴感受扭矩时，轴的两端产生扭矩角，因此两个传感器输出的两个感应电动势将因扭矩而有附加相位差因此扭转角与感应电动势的相位差为其中：Z为传感器定子，转子的齿数
扭矩的测量如图1.5所示[2]

图1.5磁电式传感器扭矩测量结构原理图
磁电式传感器的工作特点
传感器的工作频率范围为5~1000HZ，在使用频率范围内能输出较强的电压信号，且不易受电磁场的和声场的干扰，测量电路较简单，传感器的输出与电缆长度没有特定要求。
磁电式传感器的不足与发展
磁电式转速传感器的工作方式决定了它有很强的抗干扰能力，能够在烟雾，油气，水汽中工作。磁电式转速传感器输出信号强。但是由于其原理是利用旋转体改变磁路，是磁通量发生变化，从而使线圈产生感应电压，如果转速很慢，旋转体改变磁路也很慢，感应电压就会很小，无法准确的测速。
1.2.2 光电式转速测量

光电式转速测量原理
光电式速度传感器将速度的变化转换成光通量的变化，再通过光电转换元件将光通量转换成电量的变化，即利用光电脉冲变成点脉冲，光电转换的工作原理是光电效应。
光电式传感器的分类
光电式速度传感器分为投射式和反射式两类。投射式光电转速传感器的读数盘和测量盘有间隔相同的缝隙。测量盘随被测物体转动，每转过一条缝隙，从光源投射到光敏元件（见光电式传感器）上的光线产生一次明暗变化,光敏元件即输出电流脉冲信号。反射式光电传感器在 被测转轴上设有反射记号，由光源发出的光线通过透镜和半透膜入射到被测转轴上。转轴转动时，反射记号对投射光点的反射率发生变化。反射率变大时，反射光线 经透镜投射到光敏元件上即发出一个脉冲信号；反射率变小时，光敏元件无信号。在一定时间内对信号计数便可测出转轴的转速值。 
直射式光电转速传感器的结构见图1.6。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 - 转速 f - 脉冲频率 N - 圆盘开孔数。

图1.6投射式光电转速传感器工作原理图[3]
反射式光电转速传感器的工作原理见图1.7，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。

图1.7反射式光电转速传感器工作原理图[3]
当带缝隙的旋转盘随被测轴转动时，由于圆盘上的缝隙间距与指示缝隙相同，因此带缝隙旋转盘每转一周，光敏元件输出与之相等的电脉冲，根据测量时间的脉冲数N就可以测速为：
n=60N/Zt
其中，Z 为带缝隙旋转盘上的缝隙数，n为转速。电脉冲送入测量电路进行放大整形后，再送入频率计显示。
光电式转速传感器的产品应用
该传感器适用于道路现场进行高精度测量汽车的速度，行驶距离和对汽车进行加速，制动和滑行等的测试。采用大面积的硅光电器件作探测器。使用时安装在汽车外侧，镜头对准用灯光照明的地面。汽车行驶时，地面的杂乱花纹经光学系统成像，并扫描过硅光电器件，经过光电转换和空间滤波后，传感器输出一随机窄带正弦波新号，信号的频率与车型的速度成正比。将传感器输出的信号经型带通跟踪滤波器滤波整形后，转化为彼岸准的TTL脉冲输出，每一脉冲严格对应汽车相对地面走过的一段距离。
主要的技术指标 [2]
输入电源：AC220V+10%
输出功率：5KVA
输出电流：0-20mA
测试精度：1%
应用距离：1-2000mm
保护形式：有限式和短路保护
主要测试指标：从0到额定转速时的脉冲数、脉冲最低高电平，脉冲最高低电平，占空比
测试报表：自动判断结果是否合格。
光电式传感器的优缺点
光电式测速传感器特点是分辨率高，距离远，实用范围广，频响宽，可靠性高。内装放大整形电路，输出为幅度稳定的方波信号，能实现远距离传输。外型传感器外壳用 不锈钢材料 制成。防水结构简单，耐压能力强、密封可靠，未使用任何防水胶剂。产品应用由于传感器外壳采用不锈钢材料制做，传感器坚固耐用，主要应用于测试环境较差 、振动剧烈（如：发动机等）。
光电转速传感器为非接触式转速表，的量距离一般可达到2000mm左右，无需与被测量接触，测量误差小，精度高。但是持续时间不够长，比较容易破坏。
1.2.3 电感式转速测量

感式传感器是将被测量转化电感变化的一种传感器，分类如下表
表1.2电感式传感器分类框图

电感式传感器
自感式
互感式
变磁阻式
涡流式
变面积型
变介电常数型
变间隙型

电感式测速传感器工作原理
电感式转速传感器是种以磁场为媒介的电参数型数字式转速传感器。它同其它数字式转速传感器一样,也主要由预变换元件和变换元件两部分组成。预变换元件是可随被测轴旋转的齿盘(齿轮)变换元件是固定安装的作为变换电路之电感元件的线圈，工作时,线圈在来自振荡器的高频电流激励下产生一高频磁场齿盘之齿顶和齿槽随着被测轴的转动交替经过线圈,使线圈磁场的涡流损耗或磁路磁阻发生周期性变化.从而使线圈的电感发生周期性变化。
即是说，传感器利用电感变换原理将被测轴的机械转速量变换成电路元件的电感参数量。因为齿盘每转过一个齿,线圈的电感就要变化一个周期,所以传感器输出的电感参数信号之频率与被测轴转速成正比。这种电感参数信号经由调制器(即变换电路),调解器（即转换电路)和脉冲放大整形电路(即输出电路)组成的信号处理电路(即传感电路)后就成为表征被测转速的可供转速数字显示仪测量的脉冲电量信号。工作流程图如下图1.8
振荡器
高频放大器
检波器
整形电路
传感器
d
△d

图1.8电感式转速传感器工作原理图[4]
电感式测速传感器的分类
1.变磁阻式
传感器的预变换元件是采用铁磁性金属材料制成的导磁齿盘，变换元件是套在固定铁心上的线圈。导磁盘的转动周期性改变线圈磁路的几何尺寸一引起磁路磁的周期性变化，从而使线圈电感发生周期性变化。
因线圈的电感分自感和互感两种基本形式，故变磁阻式传感器又有自感型和互感型之分。
2.电涡流式
电涡流式传感器是根据电涡流效应制成的。它的预变换元件是采用磁导率和电阻率都很低的金属材料(如铜、铝等)制成的齿盘。变换元件是有铁心或无铁心的线圈。
根据法拉第电磁感应定律，当传感器探头线圈通以正弦交变电流为i时，线圈周围空间必然产生正弦交变磁场H1，它使置于此磁场中的被测金属导体表面产生感应电流，即电涡流，如图2-2中所示。与此同时，电涡流i2又产生新的交变磁场H2；H2与H1方向相反，并力图削弱H1，从而导致探头线圈的等效电阻相应地发生变化。其变化程度取决于被测金属导体的电阻率ρ，磁导率μ，线圈与金属导体的距离x，以及线圈激励电流的频率f等参数。如果只改变上述参数中的一个，而其余参数保持不变，则阻抗Z就成为这个变化参数的单值函数，从而确定该参数的大小。
电涡流传感器的工作原理，如图2-2所示：

电涡流传感器因其变换电路输出信号的脉冲辐度不随转速变化而测量范围宽，能因导电齿盘不受线圈磁场所产生的电磁吸力的影响而用于小负荷装置的测量，能在高频条件下获得高灵敏度，所以它虽比变磁阻式传感器出现得晚，但却发展很快。
1.2.4 霍尔传感器
）霍尔转速传感器
霍尔转速传感器的主要工作原理是霍尔效应，也就是当转动的金属部件通过霍尔传感器的磁场时会引起电势的变化，通过对电势的测量就可以得到被测量对象的转速值。霍尔转速传感器的主要组成部分是传感头和齿圈，而传感头又是由霍尔元件、永磁体和电子电路组成的。 
霍尔转速传感器就是通过磁力线密度的变化，在磁力线穿过传感器上的感应元件时，产生霍尔电势。霍尔转速传感器的霍尔元件在产生霍尔电势后，会将其转换为交变电信号，最后传感器的内置电路会将信号调整和放大，输出矩形脉冲信号。 
霍尔转速传感器主要应用于齿轮、齿条、凸轮和特质凹凸面等设备的运动转速测量。高转速磁敏电阻转速传感器除了可以测量转速以外，还可以测量物体的位移、周期、频率、扭矩、机械传动状态和测量运行状态等。 
霍尔转速传感器目前在工业生产中的应用很是广泛，例如电力、汽车、航空、纺织和石化等领域，都采用霍尔转速传感器来测量和监控机械设备的转速状态，并以此来实施自动化管理与控制。

本章给出的各项内容要求有参考文献支持，要求将参考文献标注在相应位置。参考文献包括著作、教材、论文、技术报告、说明书、网页等。
第2章 总体方案设计
2.1 方案一
磁电式传感器测转速
磁电式传感器是利用电磁感应原理将测量转换电势信号的传感器。法拉第电磁感应定律根据电磁感应定律,高转速磁电式转速传感器是将非电量转速信号转换为对称的脉冲信号，然后由转换电路转换成方波信号，提供给后面的处理电路使用。脉冲的额率值与转速的关系为;
f.=:z·n /60
其中:n为发动机转速、f.为脉冲的频率值、:为音轮的齿数
从公式中可以看出，音轮的齿数:是个常数，转速n与脉冲的频率值f,成正比关系。脉冲的频率值f,是数字量，其抗干扰能力强，精度高。
铁磁材料的磁感应强度为
B=µH
其中:H为磁场强度、拜为铁磁材料的磁导率
线圈的磁通量为
Φ=N ∫ B·ds
由于线圈的截面积是不变的，所以上式可写为:
Φ=NBS
其中:N为线圈匝数、S为线圈的截面积、B为铁磁材料的磁感应强度
线圈的感生电动势为：
E=-dΦ/dt=一d (NBS)/dt=-NSH·dµ/dt
其中:N为线圈匝数、S为线圈的截面积、B为铁磁材料的磁感应强度,µ为铁磁材料的磁导率
在上式中，线圈匝数N、铁磁材料的磁感应强度B和线圈的截面积s三个参数是常量，当这三个参数确定时，感生电动势E的变化只与铁磁材料的磁导率µ有关，并且感生电动势E的大小与铁磁材料的磁导率µ成正比关系，但方向相反。

磁电式转速传感器是通过对磁场强弱的变化的感应来测量机械轴转速的，它的内部安装有专门的磁阻元件。磁电式转速表使用的磁阻元件，其阻抗值会随着磁场的变化而变化，这样当检测齿轮运动改变磁阻元件周围磁场时，就可以反应为阻抗值的变化。
磁电式转速传感器磁阻元件阻抗值变化，会在线圈内形成一个脉冲信号，磁电式转速传感器在接收到脉冲信号后，通过公式计算就能得到被测量轴的转速值，并将其形成电压脉冲信号，最后连接到显示部位上，就可以显示结果。
磁电式转速传感器的磁阻元件在温度的影响下，会产生阻抗值的变化，也就是发生温度漂移。磁电式转速传感器的制造为了减少温漂，会采用双磁阻元件的设计方式，这样既可以补偿温度的影响，也能增加磁电式转速表的测量灵敏度。
2.2 方案二
光电式传感器测转速
反射型光电传感器的检测原理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，就有

n=f/N
式中 n - 转速；f - 脉冲频率； N-反光片或反光贴纸的量

图六 反射型光电转速传感器

敏感元件（转换元件）选用光敏电阻Gl7516（Φ7mm系列）GL7516 参数见下表
表四 GL7516 参数
最大电压（VDC）
150
暗电阻（MΩ）
0.5
最大功耗（mW)
100

100V10
0.6

环境温度（℃）
-30～+70

响应时间（ms）

上升
30
光谱峰值（nm)
540

下降
30
亮电阻（KΩ）
5-10
照度电阻特性
2

图七 反射型光电传感器流程图
转换电路

图八 反射型光电传感器转换电路

2.3 方案三
霍尔式传感器测转速
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。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2.2, 霍尔转速传感器的接线图如图3.2 。 
 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 ,转子为永久磁钢,霍尔元件HA 和HB 的激励电机分别与绕组A 和B 相连,它们的霍尔电极串联后作为传感器的输出
使用霍尔传感器获得脉冲信号，其机械结构也可以做得较为简单，只要在转轴的圆周上粘上一粒磁钢，让霍尔开关靠近磁钢，就有信号输出，转轴旋转时，就会不断地产生脉冲信号输出。如果在圆周上粘上多粒磁钢，可以实现旋转一周，获得多个脉冲输出。在粘磁钢时要注意，霍尔传感器对磁场方向敏感，粘之前可以先手动接近一下传感器，如果没有信号输出，可以换一个方向再试。

图2.2霍尔传感器检测图

2.4方案四
2．4.1光纤式传感器测转速原理
本传感器属于数字式转速计一类, 它测量的是一定时间内的平转速, 系统框图如图所示，光源发出的光束通过发射光纤, 由输出端射向被测轴, 从被测轴反射面上反射回来的光线,通过接收光纤接收并传送到光电探测器, 将光脉冲转换为电脉冲信号故它在本质上仍是一反射式光电传感器, 不同之处是其发射和接收光束的光纤被安装在同一个测量头中, 因此, 它不需要象反射式那样精细地对光调节, 使用时也无需特殊的安装措施, 可以夹在或临时安装在任何可以安装的位置上, 而且光纤可以弯曲成任何形状而不影响它的工作。
2.4.2 光学元件的选择
为避开背景光干扰及得到尽可能高的光功率祸合效率, 必须合理选择光源、光电探测器、光纤等元器件，在使用现场, 背景光如日光、灯光可能较强, 而且变化不定, 因此要适当选择光源, 使其发光光谱避开背光光谱区。当考虑背景光主要为可见光时, 由于可见光光谱位380–760nm 范围内, 因此, 我们选择峰值波长为 1300nm 的长波长红外发光二极管作为光源与此相应, 光电探测器选择峰值波长亦为1300nm 的光电二极管。为提高发光二极管与发射光纤间的光祸合效率, 发光二极管选用有玻璃透镜的管帽封装型。 该种封装的管子头部形成的半球形透镜起聚光作用, 管子的发射角小, 辐合效率高, 同时选择光纤数值孔径、芯径与光源匹配
2.4.3 计数及显示电路
本系统计数显示部分采用数字转速仪,信号处理电路。式中n为转数，N 为在时间t 内,测轴上反射面个数。计数器所计之数N为标准时间间隔t为被由上式可知, 当调节, 则计数器记录之数。 即为所测轴的转数， 这种仪表有所谓“ 正负一个字的误差” , 其读数误差可用下式求得

因此, 测得转速的相对误差不仅与乘积Zt有关, 还与被测转速大小有关。
2.4.4 结论
（1）本系统的转速测量范围宽,优于传统机械及电式。
（2）抗干扰能力强，本系统不受电磁辐射、温度等外界干扰影响􀀁 普通光电式测速仪由于振动会使光源寿命降低, 因此, 不适于在强振动况下使用。
（3）本传感器由于采用光纤做传感器, 光电元件远离测试现场, 因此不存在这方面的问题。

2.5方案分析对比
转速测量的方案的选择，一般需要考虑传感器的结构，安装测速范
围与环境方面的适用性。
光电式传感器方案：光电传感器精密度高，反应快，非接触测量，而且可测参数多，结构简单，形式多样灵活。
磁电式传感器方案：磁电式传感器有很强的抗干扰能力，不易受电磁场的和声场的干扰，而且测量电路较简单，但是不适合测量转速较大的物体。
霍尔传感器方案：结构简单，测量装置体积小，量程大，霍尔元件输出信号无需放大，从而得到电机转速。
综合以上对传感器的分析，决定采用光电式传感器进行转速的测量。。

2.6小结
本章通过磁电式，光电式，霍尔传感器以及光纤式传感器测速工作原理的研究与对比分析得到：
光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，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三部分组成。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，因此，光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。

第3章 具体设计与特性分析
3.1 传感器设计
转速是指作圆周运动的物体在单位时间内所转过的圈数,其大小及变化往往意味着机器设备运转的正常与否,因此,转速测量一直是工业领域的一个重要问题。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) 、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。在这里我们采用单片机和光电传感器组成的高精度转速测量系统,其转速测量方法采用的就是电子式定时计数法。
对转速的测量实际上是对转子旋转引起的周期脉冲信号的频率进行测量。在频率的工程测量中,采用的是测频率法。在一定时间间隔t 内,计数被测信号的重复变化次数N ,则被测信号的频率fx 可表示为
f x =Nt(1)

其测量误差可以表示为：Er =测量误差值/实际测量值×100 % =1N×100 %
设计的结构参数与指标分析
采用光电传感器测转速，就是将传感器放在如图所示的位置,从转轴上预先粘贴的一个标志上获得一转一个转速脉冲,随后利用电子倍频器和测频方法实现转速测量。不论长期或临时转速测量,都可以在微处理器的参与下,通过测量转轴上预留的一转一齿的鉴相信号或光电信号的周期,换算出转轴的频率或转速。即通过速度传感器,将转速信号变为电脉冲,利用微机在单位时间内对脉冲进行计数,再经过软件计算获得转速数据。即:
n=N/ (mT) (1)
n：转速、单位:转/ 分钟;
N：采样时间内所计脉冲个数;
T：采样时间、单位:分钟;
M： 每旋转一周所产生的脉冲个数(通常指测速码盘的齿数) 。
如果m=60, 那么1 秒钟内脉冲个数N就是转速n, 即:
n=N/ (mT) =N/60 ×1/60=N (2)
◆通常m为60。
从光源发出的光通过测速齿盘上的齿槽照射到光电元件上，使光电元件感光。测速齿盘上有30个齿槽，当测速齿槽旋转一周，光敏元件就能感受与开孔数相等次数的光次数。对于被测电机的转速在0—3600r/min的来说,每转一周产生30个电脉冲信号,因此,传感器输出波形的频率的大小为：
0Hz≤f≤1800Hz (1)
测速齿盘装在发射光源(红外线发光二极管)与接收光源的装置(红外线接收二极管)之间,红外线发光二极管(规格IR3401)负责发出光信号,红外线接收三极管(规格3DU12)负责接收发出的光信号,产生电信号,每转过一个齿,光的明暗变化经历了一个正弦周期,即产生了正弦脉冲电信号。
图5.1所示为转速传感器电路，由于红外光不可见，无法用肉眼识别发光信号是否在工作，故将红外线的输出回路串接了一个普通光电二极管作为判别光源发生回路是否为通路。
所选用的红外二极管IR3401，在正向工作电流为20mA时,其导通电压为1.2—1.5V,所选用的发光二极管的正向压降一般为1.5—2.0V,电流为10—20mA。R的计算公式为：
R1=(12V-Ud1-Ud2)/I1
计算得：Rmin=425Ω；Rmin=465Ω。设定中所选阻值为430Ω（Rmin≤R≤Rmax）。

3.2 转换电路设计

信号调理电路负责将光电传感器输出的微弱的光电信号进行放大、整形，转换成所单片机定时计数所需要的脉冲信号。不同的光电元件，所要求的测量电路也不相同，为此设计时必须详加考虑。我们采用光电开关管管，它是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，基本的原理就是当发射管光照射到接收管时，接收管导通，反之关断。以透射式为例，当不透光的物体挡住发射与接收之间的间隙时，开关管关断，否则打开。为此，可以制作一个带有均匀小孔的铝盘，安装在转轴上，当小孔经过时，产生脉冲信号。当小孔数较多时，旋转一周可以获得多个脉冲信号。转换电路如图3.1所示：

图3.1转换电路原理图
电路核心由一个光电开关管组成，平时电机转轮静止，发光二极管所发出的光被轮子挡住，所以接收管处于截止状态，1端为高电平。当电机转动一圈，会使接收管导通一次，1端输出一个低电平。
在实际电机工作状态中，会受到各方面的干扰，波形会存在许多杂波成分，需要对波形进行处理，处理成符合记计数器所需要的矩型波。由光源、光学通路和光电器件组成的光电传感器在用于光电检测时，还必须配备适当的信号调理电路。这些信号调理电路负责将光电传感器输出的微弱的光电信号进行放大、整形，转换成所单片机定时计数所需要的脉冲信号。不同的光电元件，所要求的测量电路也不相同，为此设计时必须详加考虑。
波形处理电路有一个施密特触发器组成，当输入电压逐步升高时，致使VI>施密特上VT+，内部触发器发生翻转。当VI逐步下降时，致使VI<VT-，电路再次发生翻转，通常VT+>VT-。所以只要VI<VT-电路就能稳定在低电平，VI>VT+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： 
①传感器：用来对信号的采样。 
②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。 
③单片机：对处理过的信号进行转换成转速的实际值，送入LED ④LED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[6]
1k
1 k
4.7k
4.7k
U

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2～10mA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