轉速測量原理

　　轉速的測量方法很多，根據脈沖計數來實現轉速測量的方法主要有M法（測頻法）、T法（測周期法）和MPT法（頻率周期法），該系統采用了M法（測頻法）。由于轉速是以單位時間內轉數來衡量，在變換過程中多數是有規律的重復運動。根據霍爾效應原理，將一塊永久磁鋼固定在電機轉軸上的轉盤邊沿，轉盤隨測軸旋轉，磁鋼也將跟著同步旋轉，在轉盤下方安裝一個霍爾器件，轉盤隨軸旋轉時，受磁鋼所產生的磁場的影響，霍爾器件輸出脈沖信號，其頻率和轉速成正比。脈沖信號的周期與電機的轉速有以下關系：

　　式中：n為電機轉速；P為電機轉一圈的脈沖數；T為輸出方波信號周期根據公式即可計算出直流電機的轉速。

　　測量電機轉速的第一步就是要將電機的轉速表示為單片機可以識別的脈沖信號，從而進行脈沖計數。霍爾器件作為一種轉速測量系統的傳感器，它有結構牢固、體積小、重量輕、壽命長、安裝方便等優點，因此選用霍爾傳感器檢測脈沖信號，其基本的測量原理如圖所示，當電機轉動時，帶動傳感器運動，產生對應頻率的脈沖信號，經過信號處理后輸出到計數器或其他的脈沖計數裝置，進行轉速的測量。

　　霍爾傳感器測轉速方案

　　霍爾效應，是指磁場作用于載流金屬導體、半導體中的載流子時，產生橫向電位差的物理現象。當電流通過金屬箔片時，若在垂直于電流的方向施加磁場，則金屬箔片兩側面會出現橫向電位差。利用霍爾效應可以設計制成多種傳感器。霍爾電位差UH的基本關系為：

　　式中KH――霍爾系數；n――單位體積內載流子或自由電子的個數；q――電子電量；I――通過的電流；B――垂直于I的磁感應強度

　　利用霍爾效應表達式：UH=KHIB，當被測物體上裝上Ｎ只磁性體時，物體每轉一周磁場就變化N次，霍爾電勢相應變化N次，輸出電勢通過放大、整形和計數電路就可以測量被測旋轉物的轉速。

　　測量設備

　　本案例以實驗室霍爾元件測量圓盤轉速為例。

　　實驗設備：CSY2000系列傳感器與檢測技術實驗臺。

　　1、主控臺部分，提供高穩定的±15V、+5V、±2V～±10V可調、+2V～+24V可調四種直流穩壓電源；主控臺面板上還裝有電壓、頻率、轉速的3位半數顯表。

　　2、旋轉源0-2400轉/分（可調）需用器件與單元：霍爾傳感器、5V直流源、轉速調節裝置、轉動源單元、數顯單元的轉速顯示部分。

　　實驗方案

　　1.實驗裝置如下圖

　　2.將5v直流源加于霍爾元件電源輸入端。

　　3.將霍爾轉速傳感器輸出端（黃）插入數顯單元Fin端。

　　4.將轉速調節中的2V-24V轉速電源引入到臺面上轉動單元中轉動電源2-24VK插孔。

　　5.將數顯單元上的轉速／頻率表波段開關撥到轉速檔，此時數顯表指示轉速。

　　6.調節轉速調節電壓使轉動速度變化。觀察數顯表轉速顯示的變化。

　　實驗結果計算

　　磁體經過霍爾元件，霍爾元件就會發出就會發出一個信號，經放大整形得到脈沖信號，兩個脈沖的間隔時間即為周期，通過周期就可算出轉速.

　　霍爾轉速傳感器原理

　　1、霍爾式轉速傳感器

　　由霍爾開關集成傳感器和磁性轉盤組成，霍爾式轉速傳感器的各種不同結構如圖1-48所示。將磁性轉盤的輸入軸與被測轉軸相連，當被測轉軸轉動時，磁性轉盤便隨之轉動，固定在磁性轉盤附近的霍爾開關集成傳感器便可在每一個小磁鐵通過時產生一個相應的脈沖，檢測出單位時間的脈沖數，便可知道被測對象的轉速。磁性轉盤上的小磁鐵數目的多少，將決定傳感器的分辨率。如圖1-48所示。

　　2、磁電式轉速傳感器

　　磁電式轉速傳感器的結構如圖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，磁盤裝在被測轉軸上，與轉軸一起旋轉。當轉軸旋轉時，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生變化。有磁路通過的感應線圈，當磁通量發生突變時，會感應出一定幅度的脈沖電勢，其頻率為：

　　3、光電式轉速傳感器

　　常見的光電式轉速傳感器有直射式和反射式兩種。直射式輸入軸與待測軸相接，光通過開孔圓盤和縫隙板照射在光敏元件上。開孔盤旋轉一周，光敏元件接受光的次數等于盤上的開孔數。若開孔數為m，記錄過程時間為t秒，總脈沖數為N，則轉速為：

　　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，適應微小物體，特別是微小旋轉體的測量。由于傳感器內裝有光源（LED）、感光元件（光電晶體管）以及放大器等，所以體積設計得很小，使用方便。光源是經過頻率調制的，所以抗干擾性強，還有狀態顯示，可供用戶測量時確認工作狀態。振蕩回路用來產生一個調制頻率來點亮光源發光二極管，采用不穩定多諧振蕩方式，振蕩頻率約為7kHz，脈寬約25μs。

　　從光源發射出來的脈沖光，經過被檢測物體的反射，被傳感器的光電晶體管所

　　接受，然后經過交流放大器，被放大到適當的電平后，進行檢波和積分，再轉換成直流電壓信號。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Lo。狀態指示燈也是，輸出高電平Hi時，LED點亮，輸出低電平Lo時，LED不亮，以作為狀態確認用。

　　光電轉速傳感器跟計數器配套使用，檢測范圍可達10000r/min，誤差為1r/min。

　　4、測量應用舉例

　　（1）霍爾傳感器測量轉速

　　圖1-51所示是兩種不同結構的霍爾轉速傳感器。用圖示的方法設置磁體，使磁性轉盤的輸入軸與被測轉軸相連，霍爾傳感器固定在磁性轉盤附近。當被測轉軸轉動時，磁性盤隨之轉動，磁體每經過霍爾傳感器一次，霍爾傳感器便輸出一個相應的電壓脈沖。檢出單位時間的脈沖數，便可求出被測轉速。例如，在車輪轉軸上裝上磁體，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）光電式傳感器測轉速

　　圖1-53為光電轉速表的工作原理圖。圖1-53（a）在待測轉軸上固定一個帶孔的調制圓盤，在調制圓盤的一邊由發光元件產生恒定光，光透過盤上的小孔到達由光敏二極管組成的光敏轉換器上，轉換成相應的電脈沖信號。若圓盤上開10個小孔，則旋轉一周，光線透過小孔10次，輸出10個脈沖信號，孔越多，測量的分辨率孔，則旋轉一周，光線透過小孔10次，輸出10個脈沖信號，孔越多，測量的分辨率越高。測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體上即可，如圖1-53（b）所示，圖中的1是待測轉盤，2是發光元件，3是光敏轉換器。