劉 朔，谷玉海，王倪珂

（北京信息科技大學(xué)現(xiàn)代測(cè)控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100192）

0 引言

轉(zhuǎn)速是各種旋轉(zhuǎn)機(jī)械的一個(gè)重要的狀態(tài)參數(shù)[1]，精密離心機(jī)、高精度數(shù)控機(jī)床等精密旋轉(zhuǎn)設(shè)備對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速有著極高要求[2]，為了保證機(jī)械設(shè)備正常的運(yùn)轉(zhuǎn)，精確地測(cè)量出電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的速度成為了關(guān)鍵。所設(shè)計(jì)的雙通道轉(zhuǎn)速測(cè)量儀采用了電感式接近開關(guān)，能夠用非接觸的方式對(duì)機(jī)械軸的轉(zhuǎn)速進(jìn)行精確的測(cè)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(jì)算機(jī)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析，得到更多關(guān)于機(jī)械轉(zhuǎn)速的信息。

1 測(cè)量原理

由于接近開關(guān)具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、頻率響應(yīng)快、定位精度高、使用壽命長等特性[3]，在對(duì)金屬導(dǎo)體進(jìn)行轉(zhuǎn)速的非接觸試測(cè)量時(shí)，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(cè)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(shí)，由于電渦流效應(yīng)，無需機(jī)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(dòng)作。本文采用的電感式接近開關(guān)如圖1所示。

2 測(cè)量電路設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)速測(cè)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。

圖1 接近開關(guān)

2.2 主控電路的設(shè)計(jì)

主控單元的設(shè)計(jì)采用STM32F030F4芯片。主控單元對(duì)接收到的來自接近開關(guān)的脈沖信號(hào)進(jìn)行處理，計(jì)算出機(jī)械軸轉(zhuǎn)動(dòng)的頻率以及速度，然后由主控單元將計(jì)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(hào)發(fā)送至計(jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)上對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步分析，得出更多有關(guān)于被測(cè)物體轉(zhuǎn)動(dòng)的相關(guān)信息。

圖2 總體電路設(shè)計(jì)

2.3 接近開關(guān)電路的設(shè)計(jì)

當(dāng)金屬導(dǎo)體靠近或者遠(yuǎn)離接近開關(guān)時(shí)，接近開關(guān)的狀態(tài)會(huì)發(fā)生變化，輸出相應(yīng)的脈沖信號(hào)，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(hào)的電壓＜3.3 V，則三極管發(fā)射極正偏，與單片機(jī)相連的集電極電壓與脈沖信號(hào)電壓相等，若脈沖信號(hào)的電壓＞3.3 V，則三極管集電極反偏，與單片機(jī)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(hào)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(jì)

供電電路如圖5所示，采用了型號(hào)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(shí)現(xiàn)頻率補(bǔ)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(shí)，二極管D0給電容器一個(gè)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(jì)

測(cè)轉(zhuǎn)速的本質(zhì)是測(cè)量測(cè)速電路輸出的脈沖信號(hào)的頻率，常用測(cè)量頻率的方法有測(cè)周期法和測(cè)頻法[5]，本文采用測(cè)周期法來測(cè)量脈沖信號(hào)的頻率。測(cè)周期法是在接近開關(guān)輸出的一個(gè)脈沖周期內(nèi)對(duì)高頻的基準(zhǔn)時(shí)鐘進(jìn)行計(jì)數(shù)來獲得被測(cè)速度值[6]。兩個(gè)相鄰的脈沖信號(hào)的間隔時(shí)間的測(cè)量是借助單片機(jī)計(jì)數(shù)器對(duì)已知頻率的時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)的。設(shè)時(shí)鐘頻率為f，單片機(jī)計(jì)數(shù)器的值為m，2個(gè)位置脈沖間的時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)為M。其轉(zhuǎn)速n=f/m×60/M；其頻率fx=f/m/M。

圖5 供電電路

4 實(shí)驗(yàn)

將接近開關(guān)固定在支架上，在被測(cè)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(cè)物體開始轉(zhuǎn)動(dòng)，接通測(cè)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(shí)候，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。當(dāng)撥片開關(guān)撥至頻率一側(cè)時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。當(dāng)用信號(hào)發(fā)生器向測(cè)速儀發(fā)送如圖9所示的頻率為2.6 Hz的脈沖信號(hào)時(shí)，測(cè)速儀也能夠測(cè)量出脈沖的頻率，并計(jì)算出被測(cè)物體在相應(yīng)頻率下的轉(zhuǎn)速，如圖10和圖11所示。

圖6 接近開關(guān)擺放示意

圖7 轉(zhuǎn)速測(cè)量

圖8 頻率測(cè)量

圖9 信號(hào)發(fā)生器發(fā)送脈沖頻率

圖10 脈沖信號(hào)頻率測(cè)量

圖11 相應(yīng)轉(zhuǎn)速測(cè)量

5 結(jié)論

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

[1]孟得東.基于電渦流式金屬探測(cè)儀的特性研究[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2009.

[2]李恒，徐小力，谷玉海.精密直流電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量[J].北京信息科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014，29（1）：65-67.

[3]鄧偉.接近開關(guān)的應(yīng)用[J].可編程控制器與工廠自動(dòng)化，2012（2）：63-65.

[4]何茂軍.電感式接近開關(guān)用于測(cè)量造粒機(jī)轉(zhuǎn)速[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2011（10）：9.

[5]曹應(yīng)明.便攜式轉(zhuǎn)速測(cè)量儀[J].計(jì)量與測(cè)試技術(shù)，2017，44（9）：27-29.

[6]谷玉海，韓秋實(shí)，徐小力.高精度轉(zhuǎn)速測(cè)量方法研究[J].儀表技術(shù)與傳感器，2013（10）：88-90，93.