转速测量原理

　　转速的测量方法很多，根据脉冲计数来实现转速测量的方法主要有M法（测频法）、T法（测周期法）和MPT法（频率周期法），该系统采用了M法（测频法）。由于转速是以单位时间内转数来衡量，在变换过程中多数是有规律的重复运动。根据霍尔效应原理，将一块永久磁钢固定在电机转轴上的转盘边沿，转盘随测轴旋转，磁钢也将跟着同步旋转，在转盘下方安装一个霍尔器件，转盘随轴旋转时，受磁钢所产生的磁场的影响，霍尔器件输出脉冲信号，其频率和转速成正比。脉冲信号的周期与电机的转速有以下关系：

　　式中：n为电机转速；P为电机转一圈的脉冲数；T为输出方波信号周期根据公式即可计算出直流电机的转速。

　　测量电机转速的第一步就是要将电机的转速表示为单片机可以识别的脉冲信号，从而进行脉冲计数。霍尔器件作为一种转速测量系统的传感器，它有结构牢固、体积小、重量轻、寿命长、安装方便等优点，因此选用霍尔传感器检测脉冲信号，其基本的测量原理如图所示，当电机转动时，带动传感器运动，产生对应频率的脉冲信号，经过信号处理后输出到计数器或其他的脉冲计数装置，进行转速的测量。

　　霍尔传感器测转速方案

　　霍尔效应，是指磁场作用于载流金属导体、半导体中的载流子时，产生横向电位差的物理现象。当电流通过金属箔片时，若在垂直于电流的方向施加磁场，则金属箔片两侧面会出现横向电位差。利用霍尔效应可以设计制成多种传感器。霍尔电位差UH的基本关系为：

　　式中KH――霍尔系数；n――单位体积内载流子或自由电子的个数；q――电子电量；I――通过的电流；B――垂直于I的磁感应强度

　　利用霍尔效应表达式：UH=KHIB，当被测物体上装上Ｎ只磁性体时，物体每转一周磁场就变化N次，霍尔电势相应变化N次，输出电势通过放大、整形和计数电路就可以测量被测旋转物的转速。

　　测量设备

　　本案例以实验室霍尔元件测量圆盘转速为例。

　　实验设备：CSY2000系列传感器与检测技术实验台。

　　1、主控台部分，提供高稳定的±15V、+5V、±2V～±10V可调、+2V～+24V可调四种直流稳压电源；主控台面板上还装有电压、频率、转速的3位半数显表。

　　2、旋转源0-2400转/分（可调）需用器件与单元：霍尔传感器、5V直流源、转速调节装置、转动源单元、数显单元的转速显示部分。

　　实验方案

　　1.实验装置如下图

　　2.将5v直流源加于霍尔元件电源输入端。

　　3.将霍尔转速传感器输出端（黄）插入数显单元Fin端。

　　4.将转速调节中的2V-24V转速电源引入到台面上转动单元中转动电源2-24VK插孔。

　　5.将数显单元上的转速／频率表波段开关拨到转速档，此时数显表指示转速。

　　6.调节转速调节电压使转动速度变化。观察数显表转速显示的变化。

　　实验结果计算

　　磁体经过霍尔元件，霍尔元件就会发出就会发出一个信号，经放大整形得到脉冲信号，两个脉冲的间隔时间即为周期，通过周期就可算出转速.

　　霍尔转速传感器原理

　　1、霍尔式转速传感器

　　由霍尔开关集成传感器和磁性转盘组成，霍尔式转速传感器的各种不同结构如图1-48所示。将磁性转盘的输入轴与被测转轴相连，当被测转轴转动时，磁性转盘便随之转动，固定在磁性转盘附近的霍尔开关集成传感器便可在每一个小磁铁通过时产生一个相应的脉冲，检测出单位时间的脉冲数，便可知道被测对象的转速。磁性转盘上的小磁铁数目的多少，将决定传感器的分辨率。如图1-48所示。

　　2、磁电式转速传感器

　　磁电式转速传感器的结构如图1-49所示。它是由永久磁铁、线圈、磁盘等组成。在磁盘上加工有齿形凸起，磁盘装在被测转轴上，与转轴一起旋转。当转轴旋转时，磁盘的凹凸齿形将引起磁盘与永久磁铁间气隙大小的变化，从而使永久磁铁组成的磁路中磁通量随之发生变化。有磁路通过的感应线圈，当磁通量发生突变时，会感应出一定幅度的脉冲电势，其频率为：

　　3、光电式转速传感器

　　常见的光电式转速传感器有直射式和反射式两种。直射式输入轴与待测轴相接，光通过开孔圆盘和缝隙板照射在光敏元件上。开孔盘旋转一周，光敏元件接受光的次数等于盘上的开孔数。若开孔数为m，记录过程时间为t秒，总脉冲数为N，则转速为：

　　反射型的光电传感器如图1-50所示。其前端部分采用光纤封装，适应微小物体，特别是微小旋转体的测量。由于传感器内装有光源（LED）、感光元件（光电晶体管）以及放大器等，所以体积设计得很小，使用方便。光源是经过频率调制的，所以抗干扰性强，还有状态显示，可供用户测量时确认工作状态。振荡回路用来产生一个调制频率来点亮光源发光二极管，采用不稳定多谐振荡方式，振荡频率约为7kHz，脉宽约25μs。

　　从光源发射出来的脉冲光，经过被检测物体的反射，被传感器的光电晶体管所

　　接受，然后经过交流放大器，被放大到适当的电平后，进行检波和积分，再转换成直流电压信号。然后是波形整形，与一定的直流电压相比较，高于此值，输出为Hi，低于此值，输出为Lo。状态指示灯也是，输出高电平Hi时，LED点亮，输出低电平Lo时，LED不亮，以作为状态确认用。

　　光电转速传感器跟计数器配套使用，检测范围可达10000r/min，误差为1r/min。

　　4、测量应用举例

　　（1）霍尔传感器测量转速

　　图1-51所示是两种不同结构的霍尔转速传感器。用图示的方法设置磁体，使磁性转盘的输入轴与被测转轴相连，霍尔传感器固定在磁性转盘附近。当被测转轴转动时，磁性盘随之转动，磁体每经过霍尔传感器一次，霍尔传感器便输出一个相应的电压脉冲。检出单位时间的脉冲数，便可求出被测转速。例如，在车轮转轴上装上磁体，在靠近磁体位置上装上霍尔传感器，即可制成车速表和里程表等。

　　（2）光电式传感器测转速

　　图1-53为光电转速表的工作原理图。图1-53（a）在待测转轴上固定一个带孔的调制圆盘，在调制圆盘的一边由发光元件产生恒定光，光透过盘上的小孔到达由光敏二极管组成的光敏转换器上，转换成相应的电脉冲信号。若圆盘上开10个小孔，则旋转一周，光线透过小孔10次，输出10个脉冲信号，孔越多，测量的分辨率孔，则旋转一周，光线透过小孔10次，输出10个脉冲信号，孔越多，测量的分辨率越高。测速也可以采用反射式，只要用白纸画上黑道的圆纸贴在旋转体上即可，如图1-53（b）所示，图中的1是待测转盘，2是发光元件，3是光敏转换器。