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1、工业系统测量工业系统测量转速测量及频压转换转速测量及频压转换引言引言u现实生活中，经常需要获取物体运动的速度：现实生活中，经常需要获取物体运动的速度：p比如：汽车是否超速？摩托车的速度表，控制系统中比如：汽车是否超速？摩托车的速度表，控制系统中电机的转速等等。电机的转速等等。u经常涉及对旋转机械转速进行精确的测量和控制；经常涉及对旋转机械转速进行精确的测量和控制；u思考：如何获得测量速度呢？思考：如何获得测量速度呢？8/2/20242西安交通大学工程训练中心转速的测量方法转速的测量方法u电脉冲式转速传感器（电脉冲式转速传感器（ nf ）p光电式转速传感器光电式转速传感器（绕轴旋转的光栅光电对管
2、绕轴旋转的光栅光电对管）p磁电式转速传感器磁电式转速传感器（转子和定子之间气隙构成的磁路周期性变化，转子和定子之间气隙构成的磁路周期性变化，引起工作磁通周期性的变化引起工作磁通周期性的变化）u直接通过直接通过 f 来测转速（脉冲计数）来测转速（脉冲计数）p单位时间的脉冲数单位时间的脉冲数kp经历固定脉冲数所花的时间经历固定脉冲数所花的时间tu将将 f 转换为电压转换为电压V测速（测速（F/V转换）转换）8/2/20243西安交通大学工程训练中心引言引言u速度测量中通常需要进行机械上的速度升降，以速度测量中通常需要进行机械上的速度升降，以适合于传感器的测量范围；适合于传感器的测量范围；u实现速度
3、升降的常见机构有：带轮、链轮、齿轮、实现速度升降的常见机构有：带轮、链轮、齿轮、摩擦轮等；摩擦轮等；u本实验中使用本实验中使用带轮机构带轮机构；使用；使用“码盘光电对管码盘光电对管”作为速度传感器，实现转速作为速度传感器，实现转速n频率频率f的转换，的转换，码盘一般与被测轮同轴安装；码盘一般与被测轮同轴安装；u为了把频率为了把频率f电压电压uo，需要频压转换（，需要频压转换（F-V）。）。此处，我们使用此处，我们使用2907实现频压转换。实现频压转换。8/2/20244西安交通大学工程训练中心带传动机构带传动机构变速比：变速比：u工作原理：由工作原理：由两个带轮两个带轮和一条和一条传动带传动带
4、组成，靠传动带与轮组成，靠传动带与轮之间的之间的摩擦力摩擦力传递运动和动力，一般用于两个平行轴之间传传递运动和动力，一般用于两个平行轴之间传递定轴转动和动力；递定轴转动和动力；u主动轮也称原动轮、输入轮，从动轮也称被动轮、输出轮，主动轮也称原动轮、输入轮，从动轮也称被动轮、输出轮，输入轮常由电动机、内燃机等原动机拖动。输入轮常由电动机、内燃机等原动机拖动。8/2/20245西安交通大学工程训练中心带传动机构带传动机构u带传动机构的主要带传动机构的主要优点优点：结构简单，可以缓冲、：结构简单，可以缓冲、吸收振动、具有过载安全性，可以在距离较远的吸收振动、具有过载安全性，可以在距离较远的两个轴之间
5、传递转动；两个轴之间传递转动；u缺点缺点：传动带与轮之间存在：传动带与轮之间存在相对滑动相对滑动，使传动精，使传动精度降低，不适于频繁改变转动方向的场合，为减度降低，不适于频繁改变转动方向的场合，为减少滑动，要增加传动带与带轮之间的摩擦，或将少滑动，要增加传动带与带轮之间的摩擦，或将传动带张紧，但这将增大轮轴的径向压力，从而传动带张紧，但这将增大轮轴的径向压力，从而加剧轴和轴承的磨损，降低机械效率。加剧轴和轴承的磨损，降低机械效率。 8/2/20246西安交通大学工程训练中心光电信号转换光电信号转换光电器件光电器件u光电器件的工作原理：光电器件的工作原理：p电流的作用能使半导体材料发出可见光或
6、红外线；电流的作用能使半导体材料发出可见光或红外线；p光的照射能改变半导体材料的光的照射能改变半导体材料的导电性能导电性能。u光电传感器：把光电传感器：把光信号光信号转换为转换为电信号电信号的光电耦合的光电耦合器件器件p作用：检测可见光和不可见光；作用：检测可见光和不可见光；p种类：光电二极管、光电三极管、集成光电传感器等。种类：光电二极管、光电三极管、集成光电传感器等。8/2/20247西安交通大学工程训练中心光电信号转换光电信号转换光电对管光电对管uo/VtE0.3导通导通截止截止限流限流电阻电阻u光电对管的组成：发光二极管和光电三极管；光电对管的组成：发光二极管和光电三极管；u发光二极管
7、发出红外光，光电三极管接收红外光；发光二极管发出红外光，光电三极管接收红外光；u串联在电路中的电阻起限流作用；串联在电路中的电阻起限流作用；u未遮挡时，光电三极管的未遮挡时，光电三极管的c极和极和e极在光照作用下导通，输极在光照作用下导通，输出为出为0.3V的低电平；遮挡时，光电三极管由于没有光照作的低电平；遮挡时，光电三极管由于没有光照作用，用，c极和极和e极不导通，输出为极不导通，输出为10V高电平，高电平，8/2/20248西安交通大学工程训练中心光电开关的应用实例光电开关的应用实例8/2/20249西安交通大学工程训练中心码盘式转速测量原理码盘式转速测量原理uo/VtE0.3脉冲信号脉
8、冲信号波形不适当波形不适当需要整形需要整形u“码盘码盘+光电对管光电对管”构成了码盘式转速测量传感器，将码构成了码盘式转速测量传感器，将码盘的转速盘的转速n转换为光电对管的脉冲输出，频率为转换为光电对管的脉冲输出，频率为f；u码盘上码盘上2m条黑白条纹相间，则一转输出条黑白条纹相间，则一转输出m个脉冲信号，周个脉冲信号，周期为期为T(单位为单位为s)，即频率为，即频率为f，则转速，则转速n为为60f/m转每分；转每分；u特殊：特殊：当当m=60时，时，n和和f 在数值上相等在数值上相等。T8/2/202410西安交通大学工程训练中心转速测量中的信号调理转速测量中的信号调理脉冲整形脉冲整形u问题
9、：光电对管的输出问题：光电对管的输出uo并非理想的矩形脉冲信号，可能并非理想的矩形脉冲信号，可能会引起误码；会引起误码；u解决：用解决：用比较器比较器对对uo进行进行整形整形，使上下沿变陡。，使上下沿变陡。Vi=Vr-uiuo=AViuiVrVi00ui010V8/2/202411西安交通大学工程训练中心比较器电路比较器电路8/2/202412西安交通大学工程训练中心比较器电路的应用比较器电路的应用u超限报警超限报警电路：利用比较器实现。电路：利用比较器实现。当输入电压小于当输入电压小于2V时，时，输出端电压为输出端电压为0，发光二，发光二极管不发光；极管不发光；当输入电压大于当输入电压大于2
10、V时，时，输出突跳到输出突跳到10V输出，发输出，发光二极管发光报警。光二极管发光报警。使用该电路可以实现超限报警，调节使用该电路可以实现超限报警，调节可变电阻可以改变报警阈值可变电阻可以改变报警阈值8/2/202413西安交通大学工程训练中心转速测量系统框图转速测量系统框图u码盘码盘+光电对管光电对管构成转速测量传感器，经过传感器，构成转速测量传感器，经过传感器，转速信号转换为高低电平渐变的脉冲信号；转速信号转换为高低电平渐变的脉冲信号；u调理电路中采用整形电路，将高低电平渐变的脉调理电路中采用整形电路，将高低电平渐变的脉冲信号转换为高低电平突跳的理想脉冲信号；冲信号转换为高低电平突跳的理想
11、脉冲信号；u经过经过F/V转换电路将脉冲信号转换为电压输出，送转换电路将脉冲信号转换为电压输出，送给显示装置。给显示装置。信号调理电路信号调理电路传感器传感器码盘码盘光电光电对管对管F/V转换电路转换电路显示装置显示装置转速转速 n整形整形电路电路脉冲脉冲信号信号电压电压信号信号8/2/202414西安交通大学工程训练中心取平均值取平均值（滤波）（滤波）转速测量中的信号调理转速测量中的信号调理F/V转换转换C2uotAR0uoF/V转换原理：转换原理：F/V转换实现：转换实现：8/2/202415西安交通大学工程训练中心2907F/V转换电路转换电路取均值取均值比较器比较器功功率率放放大大限幅
12、电路限幅电路-0.7V, 12V8/2/202416西安交通大学工程训练中心转速测量电路转速测量电路信号调理电路信号调理电路码盘码盘光电光电对管对管F/V转换电路转换电路显示装置显示装置传感器传感器转速转速 n整形整形电路电路脉冲脉冲信号信号电压电压信号信号8/2/202417西安交通大学工程训练中心训练内容训练内容1：光电对管输出电平观察光电对管输出电平观察u在面包板上连接电路，完成光电信号转换。在面包板上连接电路，完成光电信号转换。u间断地遮挡光电对管的光路，观测光电三极间断地遮挡光电对管的光路，观测光电三极管管c极（集电极）电平的变化，记录结果。极（集电极）电平的变化，记录结果。u透光：
13、透光：uo = V；遮光：；遮光：uo = Vu思考：思考：pMOC70T3光电对管的工作电压为光电对管的工作电压为10V。pMOC70T3发射端的工作电流一般为发射端的工作电流一般为510mA，超过超过10mA时，容易烧坏器件时，容易烧坏器件8/2/202418西安交通大学工程训练中心实验元件使用注意实验元件使用注意严重警告！严重警告！千万别接千万别接错，否则错，否则元件烧毁元件烧毁8/2/202419西安交通大学工程训练中心直流电源直流电源光电对管输出电平观察光电对管输出电平观察接线示意图接线示意图示波器示波器51k1.5k接线要求：接线要求：横平竖直横平竖直避免交叉避免交叉少用导线少用导
14、线8/2/202420西安交通大学工程训练中心训练内容训练内容2：光电码盘与整形电路测试光电码盘与整形电路测试u器材：自制转速测量装置器材：自制转速测量装置u电路连接：电路连接：装置装置示波器示波器电源电源IN （整形前）（整形前） CH1OUT（整形后）（整形后） CH2GND地线地线 GND+15V 电源电源u操作：操作：p摇动手柄，改变转速，观察整形前、后的波形。摇动手柄，改变转速，观察整形前、后的波形。8/2/202421西安交通大学工程训练中心训练内容训练内容2：转速装置及速度测量转速装置及速度测量操作：操作：摇动手柄，改变转速，摇动手柄，改变转速，观察整形前、后的波观察整形前、后的
15、波形。形。8/2/202422西安交通大学工程训练中心训练内容训练内容3：整形电路测试整形电路测试u在面包板上连接整形电路。在面包板上连接整形电路。p输入输入ui：三角波，：三角波，f = 1 000Hz， uip-p = 2V，直流电平，直流电平 +1V+3V 连续调节连续调节p数据记录：用示波器观测输入、输出信号波形，记录数据记录：用示波器观测输入、输出信号波形，记录 +1V和和 +3V时的输入输出波形。时的输入输出波形。u将将51kW W电阻换成电阻换成100kW W电位器电位器p输入输入ui：三角波，：三角波， f = 1000Hz，直流电平为，直流电平为+2V， uip-p = 2V
16、 。p调节电位器使比较电平调节电位器使比较电平Vr 从从0V5V ，观察输入、输出，观察输入、输出波形。波形。8/2/202423西安交通大学工程训练中心信号发生器信号发生器直流电源直流电源整形电路面包板测试整形电路面包板测试接线示意图接线示意图示波器示波器LM32451k100k接线要求：接线要求：横平竖直横平竖直避免交叉避免交叉少用导线少用导线8/2/202424西安交通大学工程训练中心整形电路测试整形电路测试u训练内容训练内容1-信号整形信号整形：pui：三角波，：三角波，f = 1KHz， uip-p = 2V， 直流电平直流电平 0V+3V 连续调节（连续调节（OFFSET）用示波器
17、观测直流电平为）用示波器观测直流电平为0V和和+3V时，时， ui 、 uo波形。波形。u将将10kW W电阻短路电阻短路p输入输入ui：三角波，：三角波， f = 1 000Hz，直流电平为，直流电平为0V， uip-p = 1V 。p观察输入、输出波形。观察输入、输出波形。8/2/202425西安交通大学工程训练中心训练内容训练内容4：F/V转换特性的测试转换特性的测试u电路连接：电路连接：p电源电源 10V；p fin 信号发生器提供一个输入信号，接信号发生器提供一个输入信号，接信号输出端；信号输出端；pGND 地线地线 所有地线共到一起；所有地线共到一起；pCV（ uo放大前）放大前）
18、万用表万用表红表笔红表笔或者示波器或者示波器信号信号输入端；输入端；pVo （ uo放大后）放大后）万用表万用表红表笔红表笔或者示波器或者示波器信号信号输入端。输入端。8/2/202426西安交通大学工程训练中心实验电路板简介实验电路板简介F/V转换转换C2finW1W3CV（ uo放大前放大前）VO（ uo放大后放大后）8/2/202427西安交通大学工程训练中心F/V转换特性的测试转换特性的测试思考思考u如校准目标是如校准目标是5V，CV最大只有最大只有2V，如何解决？，如何解决？p加入两级反相放大器加入两级反相放大器puo = KVccRC1fin：调整：调整Vcc、R、C1的参数的参数
19、u写出写出F/V输出电压输出电压uo与转速与转速n的关系的关系8/2/202428西安交通大学工程训练中心F/V 转换特性的测试转换特性的测试u电路校准：电路校准： fin = 02000Hz uo = 02Vp校准信号（函数信号发生器）：方波，校准信号（函数信号发生器）：方波，fin = 2 000Hz，直流电平为零，直流电平为零， uip-p = 12VpC2=1m mFp校准：校准： W1 CV( uo )=2V； W3 Vo=5Vu频率电压转换关系测试：频率电压转换关系测试：pfin ： 02000Hz，每隔，每隔200Hz测一个点，记录测一个点，记录 uo (CV)值。值。p在坐标纸
20、上画出在坐标纸上画出F/V转换电路的转换电路的fin-uo曲线。曲线。8/2/202429西安交通大学工程训练中心训练内容训练内容5：F/V转换纹波与响应速度转换纹波与响应速度u不接电容，观察电荷泵输出恒定脉宽的信号。不接电容，观察电荷泵输出恒定脉宽的信号。uF/V转换纹波的观察转换纹波的观察pfin = 1 000Hz，分别取，分别取 C2 =1m mF 、0.01m mF、 20m mF p观测观测CV（uo）的纹波，记录纹波的峰）的纹波，记录纹波的峰-峰值。峰值。uF/V转换响应速度的观察转换响应速度的观察p分别取分别取 C2 = 1m mF 、0.01m mF、 20m mF ，在，在
21、02 000Hz范围范围内快速改变内快速改变fin，用示波器观察输出电压，用示波器观察输出电压CV（uo）随频）随频率率fin变化的快慢。变化的快慢。u思考：思考：p随着滤波电容随着滤波电容C2的增大，纹波的增大，纹波 ，响应速度，响应速度 。p选取选取F/V转换的滤波电容转换的滤波电容C2 有什么原则？有什么原则？8/2/202430西安交通大学工程训练中心训练内容训练内容5：F/V转换纹波与响应速度转换纹波与响应速度u当输入信号的频率过高时，输出电压不再随频率当输入信号的频率过高时，输出电压不再随频率线性增加；（原因是此时脉宽比输入信号半个周线性增加；（原因是此时脉宽比输入信号半个周期还要
22、宽）期还要宽）u而当输入信号频率过低时，输出电压会有波动，而当输入信号频率过低时，输出电压会有波动，不稳定；不稳定；u所以输入信号过高或过低系统都不能很好的工作，所以输入信号过高或过低系统都不能很好的工作，所以系统只能工作在这个频率范围之内，这个频所以系统只能工作在这个频率范围之内，这个频率区间称为系统的带宽。率区间称为系统的带宽。u而元件只能工作在最高频率之下，这个最高频率而元件只能工作在最高频率之下，这个最高频率以下的区间也称为元件的带宽。以下的区间也称为元件的带宽。u设计时，设计时，应该让系统工作在带宽范围之内应该让系统工作在带宽范围之内。8/2/202431西安交通大学工程训练中心思考
23、思考u会根据信号的波形参数和整形要求选择比较电平、会根据信号的波形参数和整形要求选择比较电平、计算分压电阻值；计算分压电阻值；u写出写出F/V输出电压输出电压uo与转速与转速n的关系。的关系。uC2取值有什么原则？取值有什么原则？u有的工业系统中不允许传动机构发生相对滑动，有的工业系统中不允许传动机构发生相对滑动，应采取什么传动机构？应采取什么传动机构？u列举转速测量在工业中的应用列举转速测量在工业中的应用8/2/202432西安交通大学工程训练中心思考：思考：找出与找出与F/V转换装置的对应物转换装置的对应物8/2/202433西安交通大学工程训练中心小结小结信号调理电路信号调理电路码盘码盘光电光电对管对管F/V转换电路转换电路显示装置显示装置传感器传感器转速转速 n整形整形电路电路脉冲脉冲信号信号电压电压信号信号取平均值取平均值（滤波）（滤波）C2uotAR0uo8/2/202434西安交通大学工程训练中心光电信号转换光电信号转换光电对管光电对管uo/VtE0.3导通导通截止截止思考思考：如何把输出逻辑：如何把输出逻辑变反变反？透光？透光1；遮光；遮光0限流限流电阻电阻8/2/202435西安交通大学工程训练中心
