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光电传感器在转速测量中的应用

时间:2024.3.27

光电传感器在转速测量中的应用

摘要:光电传感器是采用光电元件作为检测元件,首先把被测量的变化转变为信号的变化,然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件3部分组成。光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点,而且可测参数多,传感器的结构简单,形式灵活多样,体积小。

关键词:光电传感器  直射式反射式  电机转速 

1. 引言(问题背景概述)

在现带社会生活中,生活生产中很多放方面都要求对速度进行精确测量,尤其是在转速方面的测量,对于所有旋转机械而言,都需要监测旋转机械轴的转速,转速是衡量机器正常运转的一个重要指标。例如,人们日常生活所用的电大都是通过发电机进行发电,而这时就要知道发电机的转速,以便对其进行控制,输出稳定电压,否则将会给我们的生活和生产带来很多不方便。再比如一些机床设备,要求对电机有稳定的转速输出才能正工作,就要知道此刻电动机的转速以便实行控制。所以,面对生活生产中对转速要求高的设备就要知道其转速,然后根据测量转速对其进行精确控制。

2. 解决方案

采用直射式或反射式光电传感器进行转速的测量,然后由控制系统进行精确控制。

3. 系统结构/基本电路/原理阐述等

  光电传感器
    光电传感器是应用非常广泛的一种器件,有各种各样的形式,如直射式、反射式等,基本的原理就是当发射管光照射到接收管时,接收管导通,反之关断。以透射式为例,如图1所示,当不透光的物体挡住发射与接收之间的间隙时,开关管关断,否则打开。为此,可以制作一个遮光叶片如图2所示,安装在转轴上,当扇叶经过时,产生脉冲信号。当叶片数较多时,旋转一周可以获得多个脉冲信号。
 
图1光电传感器的原理图
 
图2

直射式光电转速传感器的结构见图1                         它由开孔圆盘、光源、光敏元件及缝隙板等组成。开孔圆盘的输入轴与被测轴相连接,光源发出的光,通过开孔圆盘和缝隙板照射到光敏元件上被光敏元件所接收,将光信号转为电信号输出。开孔圆盘上有许多小孔,开孔圆盘旋转一周,光敏元件输出的电脉冲个数等于圆盘的开孔数,因此,可通过测量光敏元件输出的脉冲频率,得知被测转速,即

n=f/N

    式中:n - 转速 f - 脉冲频率 N - 圆盘开孔数。



1直射式光电转速传感器的结构图

反射式光电传感器的工作原理见图2

它主要由被测旋转部件、反光片(或反光贴纸)、反射式光电传感器组成,在可以进行精确定位的情况下,在被测部件上对称安装多个反光片或反光贴纸会取得较好的测量效果。在本实验中,由于测试距离近且测试要求不高,仅在被测部件上只安装了一片反光贴纸,因此,当旋转部件上的反光贴纸通过光电传感器前时,光电传感器的输出就会跳变一次。通过测出这个跳变频率f,就可知道转速n

n=f

    如果在被测部件上对称安装多个反光片或反光贴纸,那么,n=f/NN-反光片或反光贴纸的数量。



2 反射式光电转速传感器的结构图

  由传感器感受被测量,把它转换成电信号,供显示仪表指示或用以控制执行机构,就可以直接将测量的频率信号转化为我们需要的转速信号,然后根据所测速度对电机转速进行控制

4. 结论

采用光电传感器进行转速测量,方案较容易实现。且光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点,可以预见用方法进行转速测量由很大的发展空间,随着现代科技的发展,


第二篇:光电传感器在转速测量中的应用


光纤传感器在转速测量中的应用

1引言

生活生产中很多放方面都要求对速度进行精确测量,尤其是在转速方面,对于所有旋转机械而言,都需要监测旋转机械轴的转速,转速是衡量机器正常运转的一个重要指标。例如,人们日常生活所用的电大都是通过发电机进行发电,而这时就要知道发电机的转速,以便对其进行控制,输出稳定电压,否则将会给我们的生活和生产带来很多不方便。因而准确测量转速对生成生活有重要意义。利用光纤传感器的高灵敏度在较少的对测量系统进行处理并能准确的测到转速值。

2测量原理

当反射面与光纤探头相对时,光纤探头的红外光被反射,收光器接收到反射光,放大器输出高电平。当电机表面其他部位与光纤探头相对时,光纤探头的红光被阻断,收光器接收不到反射光,放大器输出低电平。产生的一系列高低电平,将输出的波形使用DATAQ采集并保存。由于输出的信号为周期信号,因此对采集的信号进行频谱分析通过频谱分析电机的转速。

图1 测量框图

实验装置共分为如图2所示:

       图2 测量装置               图3 整形电路

3实验器材

光纤传感器、光纤位移传感器模块、DATAQ、整形电路、电压表及导线若干。

4实验步骤

1)按照图2所示,连接装置,传感器距离测量面约1mm;

2)调节滑动变阻器使在反射光最小时,输出为0V左右;

3)检测无误后,开启电源,调节输入电压使电机刚好转动时开始;

4)改变输入电压,分别记录波形,电压从小到大之后再依次减小;

5)波形FFT变换及分析。

5实验记录

实验测得的输出波形如下,对输出信号进行FFT变换分析,幅频曲线中存在有转速相关的两个特征频率幅值较高,通过验证时域波形发现为转速的6倍,据此可通过分析特征频率来计算转速值。

图4 低速输出波形及FFT变换

图5 高转速输出波形

图6 整形后波形

表1 电压—转速实验记录

图7 电压—转速拟合直线

6结果分析

1)      输出曲线具有如下特点:

周期性,输出的波形是周期信号,在一个周期中有两至三个波峰及一个波谷,主要是由于转盘上存在三种不同的反射介质。

稳定性,输入低电压与高电压时输出波形略有差异,但变化规律不变。

2)  转速与输入电压关系

     从图5可以看出,转速与输入电压具有很好的线性关系,灵敏度达到3.5转/V,可根据输入电压才计算转速。正行程与反行程曲线有差异,但差异不大。

3)  灵敏度

影响灵敏度的因素包括传感器距离反射面的距离,距离过大过小均不能提高灵敏度,依据光纤位移实验的结果距离在1mm灵敏度较大;另一方面反射面的反射率也会影响灵敏度,光滑面反射率越大灵敏度越大。

4)误差分析

误差来源:供电电压的稳定性,电压大小直接影响转速大小,电压波动会影响转速测量;采用时间及频率,采样频率应大于2倍信号最高频率才能保证计算到正确的转速,进行频率变换数据点数对FFT变换也有影响,会影响转速分析。

改进方法: 采用频率应大于2倍信号最高频,采集时间不能过短。

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