雙通道轉(zhuǎn)速測量儀器設(shè)計

2018-06-24 03:01谷玉海王倪珂

設(shè)備管理與維修 2018年13期

劉朔，谷玉海，王倪珂

（北京信息科技大學(xué)現(xiàn)代測控教育部重點實驗室，北京 100192）

0 引言

轉(zhuǎn)速是各種旋轉(zhuǎn)機械的一個重要的狀態(tài)參數(shù)[1]，精密離心機、高精度數(shù)控機床等精密旋轉(zhuǎn)設(shè)備對電機轉(zhuǎn)速有著極高要求[2]，為了保證機械設(shè)備正常的運轉(zhuǎn)，精確地測量出電機運轉(zhuǎn)的速度成為了關(guān)鍵。所設(shè)計的雙通道轉(zhuǎn)速測量儀采用了電感式接近開關(guān)，能夠用非接觸的方式對機械軸的轉(zhuǎn)速進(jìn)行精確的測量，在LCD（Liquid Crystal Display，液晶顯示器）顯示屏上顯示轉(zhuǎn)速以及頻率，并且能夠?qū)⒉杉降臄?shù)據(jù)發(fā)送至計算機，對數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析，得到更多關(guān)于機械轉(zhuǎn)速的信息。

1 測量原理

由于接近開關(guān)具有可靠性高、抗干擾能力強、頻率響應(yīng)快、定位精度高、使用壽命長等特性[3]，在對金屬導(dǎo)體進(jìn)行轉(zhuǎn)速的非接觸試測量時，通常用接近開關(guān)作為感應(yīng)模塊。電感式接近開關(guān)的測量原理主要是電渦流效應(yīng)[4]，當(dāng)有金屬導(dǎo)體靠近接近開關(guān)時，由于電渦流效應(yīng)，無需機械接觸及施加任何壓力，接近開關(guān)就能迅速發(fā)出電氣指令，控制電路使開關(guān)產(chǎn)生動作。本文采用的電感式接近開關(guān)如圖1所示。

圖1 接近開關(guān)

2 測量電路設(shè)計

2.1 總體設(shè)計

本文設(shè)計的轉(zhuǎn)速測量儀由主控電路、接近開關(guān)接口電路、LCD顯示電路、頻率/轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換開關(guān)電路、RS232接口電路、供電電路組成，如圖2所示。

2.2 主控電路的設(shè)計

主控單元的設(shè)計采用STM32F030F4芯片。主控單元對接收到的來自接近開關(guān)的脈沖信號進(jìn)行處理，計算出機械軸轉(zhuǎn)動的頻率以及速度，然后由主控單元將計算所得的結(jié)果發(fā)送至LCD屏幕并在其上顯示，主控單元也可以通過RS232接口電路將接收到的脈沖信號發(fā)送至計算機，在計算機上對脈沖信號進(jìn)行進(jìn)一步分析，得出更多有關(guān)于被測物體轉(zhuǎn)動的相關(guān)信息。

圖2 總體電路設(shè)計

2.3 接近開關(guān)電路的設(shè)計

當(dāng)金屬導(dǎo)體靠近或者遠(yuǎn)離接近開關(guān)時，接近開關(guān)的狀態(tài)會發(fā)生變化，輸出相應(yīng)的脈沖信號，在接近開關(guān)的脈沖輸出端口加上接近開關(guān)接口電路（圖3）。若脈沖信號的電壓＜3.3 V，則三極管發(fā)射極正偏，與單片機相連的集電極電壓與脈沖信號電壓相等，若脈沖信號的電壓＞3.3 V，則三極管集電極反偏，與單片機相連的集電極電壓為3.3 V，這樣就能夠?qū)咏_關(guān)直接輸出脈沖信號進(jìn)行整形，最終輸出方波如圖4所示。

圖3 接近開關(guān)電路

圖4 接近開關(guān)電路輸出波形

2.4 供電電路的設(shè)計

供電電路如圖5所示，采用了型號分別為HT7150和HT7133的穩(wěn)壓器，將輸入的12 V電壓分別轉(zhuǎn)換為6 V和3.3 V的電壓，電容C1，C2，C3用來實現(xiàn)頻率補償，防止穩(wěn)壓器產(chǎn)生高頻自激震蕩和抑制電路引入的高頻干擾。當(dāng)輸入或輸出端短路時，二極管D0給電容器一個放電通路，防止穩(wěn)壓器損壞，達(dá)到防接反的效果。

3 軟件設(shè)計

圖5 供電電路

測轉(zhuǎn)速的本質(zhì)是測量測速電路輸出的脈沖信號的頻率，常用測量頻率的方法有測周期法和測頻法[5]，本文采用測周期法來測量脈沖信號的頻率。測周期法是在接近開關(guān)輸出的一個脈沖周期內(nèi)對高頻的基準(zhǔn)時鐘進(jìn)行計數(shù)來獲得被測速度值[6]。兩個相鄰的脈沖信號的間隔時間的測量是借助單片機計數(shù)器對已知頻率的時鐘脈沖計數(shù)實現(xiàn)的。設(shè)時鐘頻率為f，單片機計數(shù)器的值為m，2個位置脈沖間的時鐘脈沖個數(shù)為M。其轉(zhuǎn)速n=f/m×60/M；其頻率fx=f/m/M。

4 實驗

將接近開關(guān)固定在支架上，在被測的旋轉(zhuǎn)物體上粘貼磁鐵，將接近開關(guān)擺放在距離磁鐵約2 mm處，如圖6所示，使被測物體開始轉(zhuǎn)動，接通測速儀電源，打開電源開關(guān)。當(dāng)撥片開關(guān)撥至轉(zhuǎn)速一側(cè)時候，實驗結(jié)果如圖7所示。當(dāng)撥片開關(guān)撥至頻率一側(cè)時，實驗結(jié)果如圖8所示。當(dāng)用信號發(fā)生器向測速儀發(fā)送如圖9所示的頻率為2.6 Hz的脈沖信號時，測速儀也能夠測量出脈沖的頻率，并計算出被測物體在相應(yīng)頻率下的轉(zhuǎn)速，如圖10和圖11所示。

5 結(jié)論

經(jīng)過實驗論證后可以得出，所設(shè)計的轉(zhuǎn)速測量儀能夠通過接近開關(guān)以及測量電路精確地測量出旋轉(zhuǎn)物體的速度，可以將其運用到各種機械軸的轉(zhuǎn)速測量以及各種需要對速度控制和檢測的地方，是通用的智能儀表，且成本低、運行穩(wěn)定可靠、精度較高，具有一定推廣價值。