课程设计应用光电传感器测量转速.pdf

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……光电传感器测量转速
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装…一、概述
……在工程实践中，经常会遇到各种需要测量转速的场合，例如在发动机、电
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……动机、卷扬机、机床主轴等旋转设备的试验、运转和控制中，常需要分时或连
……续测量和显示其转速及瞬时转速。目前国内外测量电机转速的方法有很多，按
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…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、用电机转矩或
订…者电机电枢电动势计算所得)、同步测速法(如机械式或闪光式频闪测速仪)以及
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……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。其
……中应用最广的是光电式，光电式测系统具有低惯性、低噪声、高分辨率和高精
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……度的优点。加之激光光源、光栅、光学码盘、CCD器件、光导纤维等的相继
…出现和成功应用，使得光电传感器在检测和控制领域得到了广泛的应用。而采
线…
……用光电传感器的电机转速测量系统测量准确度高、采样速度快、测量范围宽和
……测量精度与被测转速无关等优点，具有广阔的应用前景。这次设计的内容包含
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……了多个方面，从脉冲信号的产生模块、脉冲信号的处理模块和转速的显示模块
……三个模块入手，全面锻炼了我们信号采集，处理和分析的工作能力。
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……二、选用器材
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……AT89C51单片机，4位数码管，9013三极管4个，9014三极管一个，按钮
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…一个，12M晶振1个，30pF电容3个，180、3.3K、4.7K、20K、10K欧电阻各
1个，马达1个，光电门一个。

三、转速测量系统的原理

1、转速测量方法
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。本文介绍的采用单片机
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，电子式定时计数测量频率的方法一般有三种：
（1）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
fx=Nt
（2）测周期法

在被测信号的一个周期内，计数时钟脉冲数m0，则被测信号频率fx=fc/
m0其中，fc为时钟脉冲信号频率。
（3）多周期测频法

在被测信号m1个周期内，计数时钟脉冲数m2，从而得到被测信号频率
fx，则fx可以表示为fx=m1fcm2，m1由测量准确度确定。
电子式定时计数法测量频率时，其测量准确度主要由两项误差来决定：
一项是时基误差；另一项是量化±1误差。当时基误差小于量化±1误差一
个或两个数量级时，这时测量准确度主要由量化±1误差来确定。对于测频
率法，测量相对误差为：

Er1=测量误差值实际测量值×100%=1N×100%
由此可见，被测信号频率越高，N越大，Er1就越小，所以测频率法适
用于高频信号(高转速信号)的测量。对于测周期法，测量相对误差为：

Er2=测量误差值实际测量值×100%=1m0×100%
对于给定的时钟脉冲fc，当被测信号频率越低时，m0越大，Er2就越小，
所以测周期法适用于低频信号(低转速信号)的测量。对于多周期测频法，测
量相对误差为：

Er3=测量误差值实际测量值100%=1m2×100%
从上式可知，被测脉冲信号周期数m1越大，m2就越大，则测量精度就
越高。它适用于高、低频信号(高、低转速信号)的测量。但随着精度和频率

的提高，采样周期将大大延长，并且判断m1也要延长采样周期，不适合实
时测量。
根据以上的讨论，考虑到实际应用中需要测量的转速范围很宽，上述的
转速测量方法难以满足要求，因此，研究高精度的转速测量方法，以同时适
用于高、低转速信号的测量，不仅具有重要的理论意义，也是实际生产中的
需要。
2、转速测量原理
一般的转速长期测量系统是预先在轴上安装一个有60齿的测速齿盘，用
变磁阻式或电涡流式传感器获得一转60倍转速脉冲，再用测频的办法实现转
速测量。而临时性转速测量系统，多采用光电传感器，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()
其中n为转速、单位：转/分钟；N