轉(zhuǎn)速測(cè)量原理

　　轉(zhuǎn)速的測(cè)量方法很多，根據(jù)脈沖計(jì)數(shù)來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速測(cè)量的方法主要有M法（測(cè)頻法）、T法（測(cè)周期法）和MPT法（頻率周期法），該系統(tǒng)采用了M法（測(cè)頻法）。由于轉(zhuǎn)速是以單位時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)數(shù)來衡量，在變換過程中多數(shù)是有規(guī)律的重復(fù)運(yùn)動(dòng)。根據(jù)霍爾效應(yīng)原理，將一塊永久磁鋼固定在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)盤邊沿，轉(zhuǎn)盤隨測(cè)軸旋轉(zhuǎn)，磁鋼也將跟著同步旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)盤下方安裝一個(gè)霍爾器件，轉(zhuǎn)盤隨軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，受磁鋼所產(chǎn)生的磁場(chǎng)的影響，霍爾器件輸出脈沖信號(hào)，其頻率和轉(zhuǎn)速成正比。脈沖信號(hào)的周期與電機(jī)的轉(zhuǎn)速有以下關(guān)系：

　　式中：n為電機(jī)轉(zhuǎn)速；P為電機(jī)轉(zhuǎn)一圈的脈沖數(shù)；T為輸出方波信號(hào)周期根據(jù)公式即可計(jì)算出直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

　　測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速的第一步就是要將電機(jī)的轉(zhuǎn)速表示為單片機(jī)可以識(shí)別的脈沖信號(hào)，從而進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)。霍爾器件作為一種轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)的傳感器，它有結(jié)構(gòu)牢固、體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，因此選用霍爾傳感器檢測(cè)脈沖信號(hào)，其基本的測(cè)量原理如圖所示，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)傳感器運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)頻率的脈沖信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)處理后輸出到計(jì)數(shù)器或其他的脈沖計(jì)數(shù)裝置，進(jìn)行轉(zhuǎn)速的測(cè)量。

　　霍爾傳感器測(cè)轉(zhuǎn)速方案

　　霍爾效應(yīng)，是指磁場(chǎng)作用于載流金屬導(dǎo)體、半導(dǎo)體中的載流子時(shí)，產(chǎn)生橫向電位差的物理現(xiàn)象。當(dāng)電流通過金屬箔片時(shí)，若在垂直于電流的方向施加磁場(chǎng)，則金屬箔片兩側(cè)面會(huì)出現(xiàn)橫向電位差。利用霍爾效應(yīng)可以設(shè)計(jì)制成多種傳感器。霍爾電位差UH的基本關(guān)系為：

　　式中KH――霍爾系數(shù)；n――單位體積內(nèi)載流子或自由電子的個(gè)數(shù)；q――電子電量；I――通過的電流；B――垂直于I的磁感應(yīng)強(qiáng)度

　　利用霍爾效應(yīng)表達(dá)式：UH=KHIB，當(dāng)被測(cè)物體上裝上Ｎ只磁性體時(shí)，物體每轉(zhuǎn)一周磁場(chǎng)就變化N次，霍爾電勢(shì)相應(yīng)變化N次，輸出電勢(shì)通過放大、整形和計(jì)數(shù)電路就可以測(cè)量被測(cè)旋轉(zhuǎn)物的轉(zhuǎn)速。

　　測(cè)量設(shè)備

　　本案例以實(shí)驗(yàn)室霍爾元件測(cè)量圓盤轉(zhuǎn)速為例。

　　實(shí)驗(yàn)設(shè)備：CSY2000系列傳感器與檢測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)臺(tái)。

　　1、主控臺(tái)部分，提供高穩(wěn)定的±15V、+5V、±2V～±10V可調(diào)、+2V～+24V可調(diào)四種直流穩(wěn)壓電源；主控臺(tái)面板上還裝有電壓、頻率、轉(zhuǎn)速的3位半數(shù)顯表。

　　2、旋轉(zhuǎn)源0-2400轉(zhuǎn)/分（可調(diào)）需用器件與單元：霍爾傳感器、5V直流源、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)裝置、轉(zhuǎn)動(dòng)源單元、數(shù)顯單元的轉(zhuǎn)速顯示部分。

　　實(shí)驗(yàn)方案

　　1.實(shí)驗(yàn)裝置如下圖

　　2.將5v直流源加于霍爾元件電源輸入端。

　　3.將霍爾轉(zhuǎn)速傳感器輸出端（黃）插入數(shù)顯單元Fin端。

　　4.將轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中的2V-24V轉(zhuǎn)速電源引入到臺(tái)面上轉(zhuǎn)動(dòng)單元中轉(zhuǎn)動(dòng)電源2-24VK插孔。

　　5.將數(shù)顯單元上的轉(zhuǎn)速／頻率表波段開關(guān)撥到轉(zhuǎn)速檔，此時(shí)數(shù)顯表指示轉(zhuǎn)速。

　　6.調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)電壓使轉(zhuǎn)動(dòng)速度變化。觀察數(shù)顯表轉(zhuǎn)速顯示的變化。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算

　　磁體經(jīng)過霍爾元件，霍爾元件就會(huì)發(fā)出就會(huì)發(fā)出一個(gè)信號(hào)，經(jīng)放大整形得到脈沖信號(hào)，兩個(gè)脈沖的間隔時(shí)間即為周期，通過周期就可算出轉(zhuǎn)速.

　　霍爾轉(zhuǎn)速傳感器原理

　　1、霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器

　　由霍爾開關(guān)集成傳感器和磁性轉(zhuǎn)盤組成，霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器的各種不同結(jié)構(gòu)如圖1-48所示。將磁性轉(zhuǎn)盤的輸入軸與被測(cè)轉(zhuǎn)軸相連，當(dāng)被測(cè)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，磁性轉(zhuǎn)盤便隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，固定在磁性轉(zhuǎn)盤附近的霍爾開關(guān)集成傳感器便可在每一個(gè)小磁鐵通過時(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)，便可知道被測(cè)對(duì)象的轉(zhuǎn)速。磁性轉(zhuǎn)盤上的小磁鐵數(shù)目的多少，將決定傳感器的分辨率。如圖1-48所示。

　　2、磁電式轉(zhuǎn)速傳感器

　　磁電式轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)如圖1-49所示。它是由永久磁鐵、線圈、磁盤等組成。在磁盤上加工有齒形凸起，磁盤裝在被測(cè)轉(zhuǎn)軸上，與轉(zhuǎn)軸一起旋轉(zhuǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁盤的凹凸齒形將引起磁盤與永久磁鐵間氣隙大小的變化，從而使永久磁鐵組成的磁路中磁通量隨之發(fā)生變化。有磁路通過的感應(yīng)線圈，當(dāng)磁通量發(fā)生突變時(shí)，會(huì)感應(yīng)出一定幅度的脈沖電勢(shì)，其頻率為：

　　3、光電式轉(zhuǎn)速傳感器

　　常見的光電式轉(zhuǎn)速傳感器有直射式和反射式兩種。直射式輸入軸與待測(cè)軸相接，光通過開孔圓盤和縫隙板照射在光敏元件上。開孔盤旋轉(zhuǎn)一周，光敏元件接受光的次數(shù)等于盤上的開孔數(shù)。若開孔數(shù)為m，記錄過程時(shí)間為t秒，總脈沖數(shù)為N，則轉(zhuǎn)速為：

　　反射型的光電傳感器如圖1-50所示。其前端部分采用光纖封裝，適應(yīng)微小物體，特別是微小旋轉(zhuǎn)體的測(cè)量。由于傳感器內(nèi)裝有光源（LED）、感光元件（光電晶體管）以及放大器等，所以體積設(shè)計(jì)得很小，使用方便。光源是經(jīng)過頻率調(diào)制的，所以抗干擾性強(qiáng)，還有狀態(tài)顯示，可供用戶測(cè)量時(shí)確認(rèn)工作狀態(tài)。振蕩回路用來產(chǎn)生一個(gè)調(diào)制頻率來點(diǎn)亮光源發(fā)光二極管，采用不穩(wěn)定多諧振蕩方式，振蕩頻率約為7kHz，脈寬約25μs。

　　從光源發(fā)射出來的脈沖光，經(jīng)過被檢測(cè)物體的反射，被傳感器的光電晶體管所

　　接受，然后經(jīng)過交流放大器，被放大到適當(dāng)?shù)碾娖胶螅�進(jìn)行檢波和積分，再轉(zhuǎn)換成直流電壓信號(hào)。然后是波形整形，與一定的直流電壓相比較，高于此值，輸出為Hi，低于此值，輸出為L(zhǎng)o。狀態(tài)指示燈也是，輸出高電平Hi時(shí)，LED點(diǎn)亮，輸出低電平Lo時(shí)，LED不亮，以作為狀態(tài)確認(rèn)用。

　　光電轉(zhuǎn)速傳感器跟計(jì)數(shù)器配套使用，檢測(cè)范圍可達(dá)10000r/min，誤差為1r/min。

　　4、測(cè)量應(yīng)用舉例

　　（1）霍爾傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)速

　　圖1-51所示是兩種不同結(jié)構(gòu)的霍爾轉(zhuǎn)速傳感器。用圖示的方法設(shè)置磁體，使磁性轉(zhuǎn)盤的輸入軸與被測(cè)轉(zhuǎn)軸相連，霍爾傳感器固定在磁性轉(zhuǎn)盤附近。當(dāng)被測(cè)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，磁性盤隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，磁體每經(jīng)過霍爾傳感器一次，霍爾傳感器便輸出一個(gè)相應(yīng)的電壓脈沖。檢出單位時(shí)間的脈沖數(shù)，便可求出被測(cè)轉(zhuǎn)速。例如，在車輪轉(zhuǎn)軸上裝上磁體，在靠近磁體位置上裝上霍爾傳感器，即可制成車速表和里程表等。

　　（2）光電式傳感器測(cè)轉(zhuǎn)速

　　圖1-53為光電轉(zhuǎn)速表的工作原理圖。圖1-53（a）在待測(cè)轉(zhuǎn)軸上固定一個(gè)帶孔的調(diào)制圓盤，在調(diào)制圓盤的一邊由發(fā)光元件產(chǎn)生恒定光，光透過盤上的小孔到達(dá)由光敏二極管組成的光敏轉(zhuǎn)換器上，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖信號(hào)。若圓盤上開10個(gè)小孔，則旋轉(zhuǎn)一周，光線透過小孔10次，輸出10個(gè)脈沖信號(hào)，孔越多，測(cè)量的分辨率孔，則旋轉(zhuǎn)一周，光線透過小孔10次，輸出10個(gè)脈沖信號(hào)，孔越多，測(cè)量的分辨率越高。測(cè)速也可以采用反射式，只要用白紙畫上黑道的圓紙貼在旋轉(zhuǎn)體上即可，如圖1-53（b）所示，圖中的1是待測(cè)轉(zhuǎn)盤，2是發(fā)光元件，3是光敏轉(zhuǎn)換器。