传感器与检测技术讲义转速测量系统的设计

第17 章转速测量系统的设计

17.1设计任务

在生产中，物体转速的准确测定常关系到产品质量和工效。例如，由织布机转盘的转速可

以计算布匹的产量，水电发电机叶轮的转速是计算发电机电功率必不行少的数据等。

本章将利用光电传感器设计转速测量仪，关于电路的仿真是基于Multisim 和LabVIEW

这两种软件根底之上的联合仿真：①在Multisim中的主要工作是模拟光电传感器的I/O特性、

对光电传感器的输出信号进展滤涉及波形转换处理，使其最终的输出信号为方波；②在LabVIEW 中的重要工作是设计转速器，在这一设计上用了两种方案：一是基于功率谱分析

的转速器，二是基于测量固定周期测时间的方法测量转速。由于本文在Multisim 中所选用

的电路输出信号的频率与转速的关系为1:1 的关系，所以在本文中测量转速实际也就是测量频率。最终在Multisim 原有的与LabVIEW 的接口模块中插入转速器，然后进展编译，使得在LabVIEW 中的虚拟仪器能被Multisim 调用。通过本设计，需要把握以下内容：➢能利用光电传感器测量转速的原理，在Multisim 中建立光电传感器的模型

➢把握在LabVIEW 中设计转速器的3 种方法

➢生疏光电传感器转速测量的原理

17.2电路原理与设计

1.光电测量原理

光电测量构造原理图如图17-1 所示。

图17-1 光电传感器工作模型

在遮光盘的同心圆上均匀分布假设干个通光孔，光电传感器固定在遮光盘工作的位置上，且工作时间线应当通过通光孔照在光电传感器上。所以，遮光盘转动一周，光电传感器感光次

数与盘的通光孔数目相等。因此，产生一样数目的脉冲信号。对脉冲信号进展滤波和整形后，

通过在固定时间内测量相应的脉冲个数，就可以计算出转速。

直流电动机转速的计算公式为

n = 60 ⨯m /(T

⨯N ) 〔17-1〕

式中，n为直流电动机转速；N为遮光盘上的通光孔的个数；m为固定时间内测得的脉冲数；

T0为固定的时间。

2.仿真模型的建立

在Multisim10 中所作的主要工作是对光电传感器的特性进展仿真，其电路图如图17-2

所示。

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图 17-2 光电传感器仿真电路

由图可以知道，可调电阻R W 和 VV 模拟了电机的可调电压源，功能掌握模块F 、压控方波P 和压控开关J 模拟了转盘的转速和通光孔的通光状况。光电耦合器 VD 模拟了光电传

感器的开关工作特性。

这个电路的工作原理是，当 R W 变化时，F 的输出

电压也跟着近似直线的变化，F 的方程式是经过测量

试验室的转速测量试验的输入电压和输出频率之间

的关系用最小而乘法拟合出来的。在此，P 的输入电

压和输出频率的关系为1:1，如图 17-3 所示的设置，所

以通过 P 模块电压大小的变化转化成了频率的变化，

输出的压控方波幅值为±2V ，频率依据掌握电压的变

化而变化。VD 模拟了光电传感器的开关工作特性，

既 J 闭合时〔通光孔通光时〕VD 就接通一次。由于

这里所设计转速与频率的关系是1:1 的关系，所以测

得的转速也就是频率。电路最终接 74LS132N 除

了将输出信号进展与非操作外，还可使波形进展整形使输出标准的矩形波信号。

3. 模型仿真分析

下面对图 17-2 所示的光电传感器仿真模型进展仿真分析。首先对电路进展瞬态分析观 察 7 点和 1 点的波形，如图 17-4 所示，7 点的波形为压控方波模块输出波形，转变滑动变阻器的中心抽头的位置可掌握功能掌握模块的输出电压值，从而掌握7 点输出方波的频率， 方波幅值的范围为 2～2V ；1 点波形为光电耦合器左端的波形。

再对电路进展瞬态分析，观看14 点和 3 点的波形，如图17-5 所示，其中3 点波形为三极管基极的波形，14 点为放大电路输出端波形，经晶体管放大电路后，输入、输出波形相位相反。

图 17-4 电路中 7 点和 1 点的仿真波形 图 17-5 电路中 14 点和 3 点的仿真波形

图 17-3 压控方波的设置

74LS132N 对14 点输出的波形进展整形并反相后，输出波形如图17-6 中未标志波形所示，其中已标志波形为14 点的输出波形。

图17-6 输出波形比较

17.3LabVIEW 频率计的设计

本次设计承受了3 种不同的方法测量频率，这3 种方法各有优劣。下面将对这3 种方法进展具体地说明。

1.功率谱法测量频率

功率谱法测频率的设计思路的流程图如图17-7 所示。

功率谱法测频率的后面板电路图可分为两大局部，即频率

的测量和波形的显示。

1〕频率的测量局部〔图17-8 左半局部〕把从Multisim

里取出的信号通过For Loop ，利用For Loop 对数组的自动索引

功能，对于输入波形，每次循环自动读出一个数组波形。接着

再取出这个波形的Y 值。利用求平均值模块，对Y 求平均值。

紧接着求取Y 与Y 的平均值的差，之所以要求取Y 与Y 的平

均值的差是为了防止假设波形的平均值不为零，则有可能在

0Hz 处消灭功率最大的可能性，这就给功率法测量频率带来了

很大误差的可能。而这一个步骤相当于把波形平移使其关于X

轴对称，所以能避开这一可能性误差的消灭。利用Build

Waveform 这一节点对原来的波形进展整形。这样到了这一步就

实现了对原波形的按比缩放及平移，使其关于X 轴对称。把整

形后的波形通过Get Waveform Component 取出波形的Y 值及

采样间隔时间。通过功率谱的分析模块和Build Waveform 节点

可以求得功率谱波形。由理论可知功率谱波大值所对应的X 轴图17-7 功率谱法流程图

上的值就是所要求的频率，所以利用Waveform Min Max.VI 来求取频率，这个模块的工作特点是取出波形的最大/最小值及它们所对应的X 的值。

在这个子VI 的设计中要特别留意的是区分率这个参数的设定，由于它是测量频率准确度的打算因数。这个参数的作用相当于A/D 转换中的转换位数的作用，数值越大，测量准确度越高。但是这个参数越大，计算机的运行速度越慢，在计算速度要求不高的状况下，该值越高越好。当考虑计算速度时要折中考虑。所以应依据具体的需要来调整这个参数。

2〕波形的显示局部该局部的电路图如图17-8 后半局部所示，这局部的主要工作是设计波形在示波器下的显示状态。它的设计步骤如下所述。