资源简介

(共27张PPT)
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项目三 磁电传感器在转速测量中的应用
一、项目目标
通过本项目的学习，使学生了解磁电传感器的基本原理，熟悉磁电传感器的基本特性，掌握磁电传感器的应用电路。
利用磁电传感器设计一个转速测量仪，以数字显示转速，测速范围：≤9999转/分（rpm）。
二、项目分析
若被测转轴上安装了由钢、铁、镍等金属或者合金材料的齿轮，则可以采用磁电传感器测量转速，如汽车发动机的转速测量。
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若齿轮的齿数z为60，则频率数等于转速，可见，只要测量频率f，即可得到被测转速。磁电传感器具有体积小、结实可靠、寿命长、不需电源和润滑油等优点，可在烟雾、油气、水气等恶劣环境中使用，磁电转速传感器已经成熟，这类传感器较多，如SM-16、LZZS-60、OD9001等。SM-16的外形图如图5.22所示。
图5.22 SM-16外形图
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常用磁电转速传感器技术参数表如表5.5所示。
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要实现转速测量，只要对传感器输出的脉冲信号进行计数即可，由表中参数可知，当转速达到50转/分钟时，其幅值≥300mV（有的磁电传感器输出幅值更高），为了能够准确计数，应对传感器输出的脉冲信号进行放大、整形（若被测转速较高，则可以不进行放大），得到标准的脉冲信号，然后进行计数。
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考虑到目前绝大部分院校均以intel公司的51系列单片机为学习机型，本项目也以51单片机为核心来完成。利用51单片机内部的定时器/计数器对传感器输出的信号进行计数，若采用12MHz晶振，其计数的最高频率可达50000Hz，即测量的转速可达50000转/分（设测速齿轮有60个齿），完全满足系统要求。
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三、项目实施
1．电路原理
以SM-16磁电传感器为测速传感器的磁电转速测量仪原理图如图5.23所示。
图5.23 磁电转速测量仪原理图
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系统由传感器、信号处理处理电路、单片机最小系统、显示电路及电源电路组成。磁电传感器、选用SM.16。信号处理电路低通滤波、限幅、放大、整形等电路组成，其中R1、R2、C1构成低通滤波器，滤除高次谐波、杂波信号等；D1、D2对输入的信号进行双向限幅，以保护LF351的输入级电路；由LF351及相关元件组成的高输入阻抗放大器，将输入信号放大到足够的幅度；LF351输出的信号经R4、R5、D3进行单向限幅，并经74LS04反向（起到整形作用），得到标准的TTL电平脉冲信号，送到以AT89C2051为核心的单片机电路。
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单片机系统由AT89C2051、晶振及复位电路组成，以完成系统信号计数、数据处理及控制工作。
LED1～LED4、V1～V4及R6～R17组成动态扫描显示电路，将测量结果在LED1～LED4显示出来。
电源电路由变压器、整流、滤波及经三端稳压集成电路78L05和79L05组成，输出+5V和.5V电源，以提供系统电源。
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2．程序设计
磁电转速测量仪的程序由主程序和T1中断服务子程序组成（T0工作于计数方式，其计数结果不可能溢出），主程序完成系统的初始化工作，T1中断服务子程序产生1s时基信号、T0初始化、T0计数结果的读取及处理，以使显示形式为转/分。程序设计时，使T1工作于方式1定时，使P3.3脚输出周期为2s 的方波，送到
引脚，作为定时器0计数的门控信号。定时器/计数器T0工作于方式1计数，需要门控；
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在
为低电平期间，使TH0、TL0清零，
运行控制位TR0置位，使系统工作于准备计数状态，当
变为高电平时，定时器/
开始对T0引脚的脉冲信号（转速信号）进行计数，当
计数；取出TH0、TL0中的数据进行处理后，送LED数码管显示出具体的转速，磁电转速测量仪程序流程图如图5.24所示。具体程序请自己完成。
再次变为低电平时，停止
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3．所需材料及设备
磁电传感器SM-16、单片机AT89C2051、12M晶振、集成运放LF351、PNP型硅三极管9012、六非门反相器74LS04、电阻、电容、二极管IN4148、±5V稳压电源、四位数码显示器。
4．电路制作
根据电路原理图，列出元器件清单，并选购相应的元器件进行安装。
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5．电路调试
电路制作完成后，即可进行电路调试工作。
⑴电源电路调试，其调试方法见前面项目。
⑵传感器及检测电路的调试。启动机器，用示波器观察传感器的输出信号，若没有信号或信号比实际的小，则可调节传感器安装位置，使之与齿轮靠近一些，并固定。再检测IC1的输入信号，观察其波形，若信号幅度低，可以调节RP1，以增加放大电路增益，提高输出信号幅度。
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⑶显示值较准。由于闸门时间是由定时器T1通过软件计数的方式来实现的，其总时间不一定正好是1秒，较准的方法是用示波器或计数器测量IC2的输出信号的频率，计算出显示值（单位为转/分），并和实际显示值进行比较，若显示值与理论值不符，则通过调整定时时间来调节系统显示精度。
经过以上调试，系统则可以进行实际的转速测量。
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6．知识链接
磁电感应式传感器又称磁电式传感器，是利用电磁感应原理将被测量（如振动、位移、转速等）转换成电信号的一种传感器。它不需要辅助电源就能把被测对象的机械量转换成易于测量的电信号，是有源传感器。由于它输出功率大且性能稳定，具有一定的工作带宽（10～1000 Hz），所以得到普遍应用。
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⑴磁电感应式传感器的工作原理
根据电磁感应定律，当导体在稳恒均匀磁场中，如图5.25所示。
图5.25 电磁感应定律原理图
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沿垂直磁场方向运动时，导体内产生的感应电势为：
（5.9）
式中，B——稳恒均匀磁场的磁感应强度；
l——导体有效长度；
v——导体相对磁场的运动速度。
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当一个N匝线圈相对静止地处于随时间变化的磁场中时，设穿过线圈的磁通为φ，则线圈内的感应电势e与磁通变化率dφ/dt有如下关系：
根据以上原理，人们设计出两种磁电式传感器结构：恒磁通式和变磁通式。变磁通式又称为磁阻式。
（5.10）
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⑵恒磁通式磁电传感器
若以线圈相对磁场运动的速度v或角速度ω表示，则所产生的感应电动势e：
（5.11）
式中，l——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。
（5.12）
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当结构参数确定后，B、l、N、S均为定值，感应电动势e与线圈相对磁场的运动速度(v或ω)成正比，所以这类传感器的基本形式是速度传感器，能直接测量线速度或角速度。磁电感应式传感器只适用于动态测量。
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变磁通式磁电传感器
开磁路变磁通式传感器工作原理示意图如图5.26所示。
（a）工作原理示意图 （b）频响特性
1-永久磁铁 2-软磁铁 3-感应线圈 4-旋转齿轮
图5.26 开磁路变磁通式传感器工作原理示意图
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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。当齿轮齿顶对准线圈时，有较多的磁力线穿过线圈，线圈上的感应电动势比较大；而当齿谷对准线圈时，则穿过线圈的磁力线较少，线圈上的感应电动势比较小，这样齿轮每转动一个齿，齿的凹凸引起磁路磁阻变化一次，磁通也就变化一次，线圈中产生感应电势的大小也随其改变，其频率与被测转速成正比。
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若齿轮齿数为z，转速为n，则线圈中感应电动势的频率f为
(5.13)
若齿轮的齿数z为60，则f=z，可见，只要测量频率f，即可得到被测转速。
磁电传感器结构简单，但输出信号较小，且因高速轴上加装齿轮较危险而不宜测量高转速。
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闭磁路变磁通式传感器工作原理示意图如图5.27所示。
1—永久磁铁 3—感应线圈5—内齿轮 6—外齿轮 7—转轴
图5.27 闭磁路变磁通式传感器工作原理示意图
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它由装在转轴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。当转轴连接到被测转轴上时，外齿轮不动，内齿轮随被测轴而转动，内、外齿轮的相对转动使气隙磁阻产生周期性变化，从而引起磁路中磁通的变化，使线圈内产生周期性变化的感应电动势。显然，感应电势的频率与被测转速成正比。
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线圈3和磁铁1静止不动，测量齿轮（导磁材料制成）每转过一个齿，传感器磁路磁阻变化一次，线圈3产生的感应电动势的变化频率等于测量齿轮上齿轮的齿数和转速的乘积。
变磁通式传感器对环境条件要求不高，能在.150～＋90℃的温度下工作，不影响测量精度，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，上限可达100Hz。
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四、项目总结
通过本项目的学习，应掌握如下知识重点：
1．磁电传感器的基本原理；
2．磁电传感器的基本参数；
3．常见的磁电传感器的特性。
通过本项目的学习，应掌握如下实践技能：
1．针对所测速度范围选择合适的测量
2．会调试磁电转速测量电路。
方法；
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