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弱磁探测的转速测量方法研究

编辑:金沙官网        发布日期:2018-06-23        点击量:853

本文先容了一种以弱磁非接触探测为基础,以单片机为控制核心的高精度转速测量方法;论述了测量系统工作原理、各硬件部分功能,给出了相应App框图。该测转速方法具有测量准确度高、安装调试方便等优点,因而具有良好的应用前景。

弱磁探测的转速测量方法研究

在工程实际中,经常遇到各种需要测量转速的场合,如机床主轴、发动机、电动机、卷扬机等旋转设备的测试、运转和控制中,有时还需要将转速显示出来,测速环境和精度要求不同相应的测量方法也不同。转速测量方法分为模拟式和数字式两种,模拟式应用测速发电机为检测元件,获取的信号为电压量;数字式常采用光电编码盘、霍尔元件等为检测元件得到的是脉冲信号。但是利用光电编码盘测转速对环境要求很高,如果粉尘、油污比较严重,将大大降低测量的可靠性。用霍尔元件测速可以避免上述不足,但是霍尔元件的温度稳定性较差,一般还需要把高磁场强度的磁钢安装在被测轴或齿轮上,对它们的运转会产生一定的影响。其输出信号对测量间距非常敏感,因此对安装的要求比较高(测量间距小于几个毫)。

本文先容一种新的数字式转速测量法,它能够克服上述各项缺点。该方法是基于铁质齿轮的轮齿、齿谷转过测试点时,使该处的地磁场强度发生变化的原理,利用高灵敏度磁阻传感器探测该变化进行的。齿轮的每个轮齿经过磁阻传感器时,都使其产生一个输出信号,处理后转变为输出脉冲,由单片机系统读入该脉冲并计数处理为转速数据,经四位LED显示。本设计方法对被测系统无任何影响,适用多种工作环境,特别是在轴或齿轮运转的同心度较差、灰尘及油污较严重的场合测转速更具优势。

 

非接触转速信号的采集

(1)非接触测速原理

地球周围存在磁场,一般情况下认为是稳恒的静磁场,总的磁感应强度约为0.4~0.5高斯。一方面铁质物质在地磁场中会被磁化,尽管磁化强度很小;另一方面铁质物质,即使本身不带磁性,仍会对周围的地磁场产生扰动,虽然该扰动非常微弱。探测该微弱的地磁感应强度的变化就可以获取铁质物质的运动情况。

(2)HMC磁阻传感器概况

当沿着长而薄的坡莫合金带的长度方向施加一定强度的电流,在垂直于电流的方向施加一磁场时,坡莫合金带的电阻值发生变化。本设计所用的HMC1001磁阻传感器就是据此原理制成的,该磁阻传感器中由四个磁阻组成了惠斯通电桥,如图1所示,其中Ucc为供电电压;在传感器线性工作区域内,传感器输出电压与被测磁场强度成正比;测量系统标定后,根据输出电压即可知被测点处的磁场强度。

本设计采用Honeywell生产的HMC1001磁阻传感器,主要参数有:

电桥电压:典型值5V,最大值10V;

测量范围:±2.2Gauss;

磁场分辨率:4×10-5Gauss;

灵敏度典型值:3.1mV/V/Gauss,

测试条件:Ioffset=50mA,Ucc=8V;

工作带宽:0~5MHz。

(3)传感器的安装要求

由于HMC1001磁阻传感器是非常灵敏的磁传感器,所以本测速方法对被测轴或齿轮的运转情况要求不高。只要能找出位置适当的铁质齿轮就可以测转速;如果没有合适的测转速齿轮,在被测轴圆周上均匀布置若干块磁场强度不大的小磁钢也可以正常测转速。并且传感器与测速齿轮或轴的间距可以在较大范围调整。

 

数字式转速测量方法概况及选用

(1)测频率法(M法)

M法是指在检测时间t内测量传感器(或经比较器整型)输出脉冲的个数P1,再经换算得到转速。采用该方法测转速时,虽然检测时间一定,但检测的起止时间具有随机性,所以最大会产生±1个脉冲的偏差。当P1较大时测量精度较高。对于每转输出N个脉冲的转速,转速n为:

式中:t—检测时间,s;n—转速,r/min。

(2)测周期法(T法)

T法指检测出输出脉冲的周期T,在T内对固定的高频时钟脉冲f0进行计数,经转换得到转速。该测量方法中时间的最大测量偏差为±1个高频时钟脉冲周期。因此T法在对较低转速测量时精度比较高。对于每转有N个脉冲的转速,在T时间内计数值为P2,则转速n为:

式中:n—转速,r/min。

(3)测频率/周期法(M/T法)

M/T法是同时测量检测时间和该时间内所产生的转速脉冲信号的个数来确定转速。由于同时对两种脉冲信号计数,所以该法在高速和低速时都具有比较高的测速精度。设转速脉冲信号的计数值为m1,高频脉冲信号的频率为f0,计数值为m2,测速齿轮或轴每转一周输出的转速脉冲信号个数为N,则转速n为:

式中n———转速,r/min。

本文先容的即是基于弱磁探测原理、以单片机89C51为核心、采用测周期法(T法)进行的高精度转速(转速低于1500r/min)测量方法。

 

测转速系统的硬件基本组成

(1)系统硬件框图(见图3)

(2)系统硬件各部分概况

传感器:HMC1001滤波及放大电路:因为铁磁物质对周围磁场产生的扰动非常微弱,传感器的输出信号很小,必须对其进行高增益放大。所选放大器AD620增益可方便地调整,具有低输入失调电压、低噪声特性。另外,周围空间电磁干扰也十分严重,为获得高信噪比,还必须进行低通滤波。

波形整形电路:采用滞后比较器,把放大后的模拟转速信号转变为可用于计数的方波信号。。当传感器与测速齿轮间距变化时,需相应适当调整电阻R4。

对一测速齿轮(z=60、m=4、间距L=80mm)进行测量所得的原始电压信号如图5(a)所示。

将原始电压信号送入比较器,可得到电平适当的方波。该方波经D触发器送入单片机中用于计数。

单片机:采用89C51单片机,T0、T1用作计数器方式。T0工作在方式2,初值设为FFH,由其引脚输入轮齿产生的脉冲信号,转过一个轮齿(一个周期T)就中断一次,进行转速计算及显示。T1工作在方式1,计一个周期T内的时钟数。为实现T0、T1计数起始同步,初始化时应使工作方式寄存器TMOD中的D7、D3为1,使T0、T1的启动和停止只受一个Q信号的控制,如图3所示。初始化时使P1.0为0,开始检测时,当出现被测信号(即P3.4电平)由1→0时,使P1.0置1。一般计量管理说的计量器具包含检测设备,但是严格说起来,检测设备不一定是计量器具,真正意义的计量器具是可以溯源的,纳入计量管理的才叫计量器具。到被测信号的下一个脉冲到来时,Q从0→1,T0、T1同时开始工作。

 

测转速系统的App设计

(1)主程序框图。数字仪器检测指示秤、模拟指示秤、非自行指示秤等衡器。

(2)T0中断服务子程序框图。

 

结论

本设计以高灵敏度磁传感器为检测元件、以89C51单片机为核心进行转速测量,具有结构简单合理、对被测齿轮无影响、安装要求宽松和实时性好、检测精度高(约为0.5%)等特点。尤其在轴或被测齿轮运转情况不良、测量环境较差的条件下,本测量系统更具有明显的优势。


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