傳感器課設(shè)基于LabVIEW的光電傳感器測轉(zhuǎn)速

1、-PAGE . z基于LabVIEW和光電式傳感器的轉(zhuǎn)速檢測與控制設(shè)計(jì)摘 要：轉(zhuǎn)速是發(fā)動機(jī)重要的工作參數(shù)之一,也是其它參數(shù)計(jì)算的重要依據(jù)。目前常用的轉(zhuǎn)速測量方法有離心式轉(zhuǎn)速表測速法、測速發(fā)電機(jī)測速法、光電碼盤測速法和霍爾元件測速法等。在對各種測速方法進(jìn)展分析后提出了基于光電傳感器的轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)。詳細(xì)分析了系統(tǒng)的組成及工作原理，給出了系統(tǒng)中各硬件模塊設(shè)計(jì)方法，給出了局部程序流程圖。該測速系統(tǒng)安裝維護(hù)方便，工作穩(wěn)定，運(yùn)行可靠，具有較大的推廣應(yīng)用價(jià)值。關(guān)鍵詞 ：光電轉(zhuǎn)速傳感器，轉(zhuǎn)速測量，數(shù)據(jù)處理 目 錄 TOC o 1-4 h z u HYPERLINK l _Toc1696792111 相關(guān)背景和

2、簡介3HYPERLINK l _Toc1696792122 系統(tǒng)組成及工作原理 PAGEREF _Toc169679212 h 4HYPERLINK l _Toc1696792132.1轉(zhuǎn)速測量原理 PAGEREF _Toc169679213 h 4HYPERLINK l _Toc1696792142.2轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)組成框圖 PAGEREF _Toc169679214 h 42.3 設(shè)計(jì)思路5HYPERLINK l _Toc1696792153 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc169679215 h 5HYPERLINK l _Toc1696792163.1 脈沖產(chǎn)生電路設(shè)計(jì) PA

3、GEREF _Toc169679216 h 53.2傳感器接口電路設(shè)計(jì)6HYPERLINK l _Toc1696792173.3 光電轉(zhuǎn)換及信號調(diào)理電路設(shè)計(jì)7HYPERLINK l _Toc1696792183.3.1 光電傳感器簡介7HYPERLINK l _Toc1696792193.3.2 光電轉(zhuǎn)換及信號調(diào)理電路設(shè)計(jì)9HYPERLINK l _Toc1696792304硬件構(gòu)造105 LabVIEW虛擬儀器轉(zhuǎn)速測量的實(shí)現(xiàn)115.1 前面板125.2 程序框圖136 結(jié)果136.1 硬件設(shè)備及連接136.2 設(shè)備運(yùn)行及測量顯示147 小結(jié)15參考文獻(xiàn)161相關(guān)背景和簡介目前國外測量電機(jī)轉(zhuǎn)速

4、的方法很多，按照不同的理論方法，先后產(chǎn)生過模擬測速法(如離心式轉(zhuǎn)速表、用電機(jī)轉(zhuǎn)矩或者電機(jī)電樞電動勢計(jì)算所得)、同步測速法(如機(jī)械式或閃光式頻閃測速儀)以及計(jì)數(shù)測速法。計(jì)數(shù)測速法又可分為機(jī)械式定時(shí)計(jì)數(shù)法和電子式定時(shí)計(jì)數(shù)法。傳統(tǒng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測多采用測速發(fā)電機(jī)或光電數(shù)字脈沖編碼器，也有采用電磁式(利用電磁感應(yīng)原理或可變磁阻的霍爾元件等)、電容式(對高頻振蕩進(jìn)展幅值調(diào)制或頻率調(diào)制)等，還有一些特殊的測速器是利用置于旋轉(zhuǎn)體的放射性材料來發(fā)生脈沖信號其中應(yīng)用最廣的是光電式，光電式測系統(tǒng)具有低慣性、低噪聲、高分辨率和高精度的優(yōu)點(diǎn)加之激光光源、光柵、光學(xué)碼盤、CCD 器件、光導(dǎo)纖維等的相繼出現(xiàn)和成功應(yīng)用，使得

5、光電傳感器在檢測和控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。而采用光電傳感器的電機(jī)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)測量準(zhǔn)確度高、采樣速度快、測量圍寬和測量精度與被測轉(zhuǎn)速無關(guān)等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。2 系統(tǒng)組成及工作原理2.1 轉(zhuǎn)速測量原理在此采用頻率測量法，其測量原理為，在固定的測量時(shí)間，計(jì)取轉(zhuǎn)速傳感器產(chǎn)生的脈沖個(gè)數(shù)，從而算出實(shí)際轉(zhuǎn)速。設(shè)固定的測量時(shí)間為Tcmin，計(jì)數(shù)器計(jì)取的脈沖個(gè)數(shù)m，假定脈沖發(fā)生器每轉(zhuǎn)輸出p個(gè)脈沖，對應(yīng)被測轉(zhuǎn)速為Nr/min，則f=pN/60Hz；另在測量時(shí)間Tc，計(jì)取轉(zhuǎn)速傳感器輸出的脈沖個(gè)數(shù)m應(yīng)為m=Tcf ，所以，當(dāng)測得m值時(shí)，就可算出實(shí)際轉(zhuǎn)速值1： N=60m/pTc (r/min) 2-12.2

6、 轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)組成框圖系統(tǒng)由信號預(yù)處理電路,示波器組成。其號預(yù)處理電路包含信號放大、波形變換和波形整形。對待測信號進(jìn)展放大的目的是降低對待測信號的幅度要求；波形變換和波形整形電路則用來將放大的信號轉(zhuǎn)換成可與單片機(jī)匹配的TTL信號；通過示波器來顯示轉(zhuǎn)速的快慢變化。系統(tǒng)的原理框圖如圖2.2所示。示波器波形整形波形變換放大器信 號圖2.2 系統(tǒng)的原理框圖2.3 設(shè)計(jì)思路利用光電傳感器做電機(jī)轉(zhuǎn)速的信號拾取元件，在電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上安裝一個(gè)圓盤，在圓盤上挖6小洞，小洞上下分別對應(yīng)著光發(fā)射和光承受開關(guān)，圓盤轉(zhuǎn)動一圈即光電管導(dǎo)通6次，利用此信號做為脈沖計(jì)數(shù)所需。對光電開關(guān)信號整流放大利用示波器檢測光電傳感器輸出，

7、由矩形脈沖波形可直觀的顯示出轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速快慢3 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)3.1 脈沖產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)采用了紅外光電傳感器，進(jìn)展非接觸式檢測。當(dāng)有物體擋在紅外光電發(fā)光二極管和高靈敏度的光電晶體管之間時(shí)，傳感器將會輸出一個(gè)低電平，而當(dāng)沒有物體擋在中間時(shí)則輸出為高電平，從而形成一個(gè)脈沖。系統(tǒng)在光電傳感器收發(fā)端間參加電動機(jī)，并在電動機(jī)的轉(zhuǎn)軸上安裝一轉(zhuǎn)盤。在這個(gè)轉(zhuǎn)盤的邊沿處挖出假設(shè)干個(gè)圓形過孔，把傳感器的檢測局部放在圓孔的圓心位置。每當(dāng)轉(zhuǎn)盤隨著后輪旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，傳感器將向外輸出假設(shè)干個(gè)脈沖。轉(zhuǎn)盤的圓孔的個(gè)數(shù)決定了測量的精度，個(gè)數(shù)越多，精度越高。這樣就可以在單位時(shí)間盡可能多地得到脈沖數(shù)，從而防止了因?yàn)閮蓚€(gè)過孔之間的距

8、離過大，而正好在過孔之間或者是在下個(gè)過孔之前停頓了，造成較大的誤差。設(shè)計(jì)中轉(zhuǎn)盤的圓孔的實(shí)際個(gè)數(shù)受到技術(shù)的限制。為了到達(dá)預(yù)定的效果設(shè)計(jì)在轉(zhuǎn)盤過孔的設(shè)計(jì)上采用6個(gè)過孔，從而留下了5個(gè)同等的間距。如圖3.1所示。圖3.1脈沖發(fā)生源硬件構(gòu)造圖左為正視圖，右為側(cè)視圖3.2傳感器接口電路設(shè)計(jì)傳感器接口電路如圖3.2.1： 圖3.2.1傳感器接口電路圖電路核心由一個(gè)光電開關(guān)管組成，平時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)輪靜止，發(fā)光二極管所發(fā)出的光被輪子擋住，所以接收管處于截止?fàn)顟B(tài)，1端為高電平。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動一圈，會使接收管導(dǎo)通一次，1端輸出一個(gè)低電平，1端波形為圖3.2.2所示： 圖3.2.2波形圖在實(shí)際電機(jī)工作狀態(tài)中，會受到各方面的干

9、擾，波形會存在許多雜波成分，需要對波形進(jìn)展處理，處理成符合記計(jì)數(shù)器所需要的矩型波。波形處理電路有一個(gè)施密特觸發(fā)器組成。當(dāng)輸入電壓逐步升高時(shí)，致使VI施密特上VT+，部觸發(fā)器發(fā)生翻轉(zhuǎn)。當(dāng)VI逐步下降時(shí)，致使VIVT-。所以只要VIVT+電路就穩(wěn)定在高電平，這樣就有效的防止了雜波的干擾，并使輸出得到矩形脈沖，符合了下級計(jì)數(shù)的需求。典型的施密特其工作波形如圖3.2.3所示：圖3.2.3典型的施密特其工作波形3.3 光電轉(zhuǎn)換及信號調(diào)理電路設(shè)計(jì)由于系統(tǒng)需要將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，因而需要使用光電傳感器并設(shè)計(jì)相應(yīng)的信號調(diào)理電路，以得到符合要求的脈沖信號，由示波器進(jìn)展檢測。3.3.1 光電傳感器簡介光電傳感器

10、是采用光電元件作為檢測元件的傳感器。它首先把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化，然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。光電傳感器一般由光源、光學(xué)通路和光電元件三局部組成。光電檢測方法具有精度高、反響快、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，而且可測參數(shù)多，傳感器的構(gòu)造簡單，形式靈活多樣，因此，光電式傳感器在檢測和控制中應(yīng)用非常廣泛。由光通量對光電元件的作用原理不同所制成的光學(xué)測控系統(tǒng)是多種多樣的，按光電元件(光學(xué)測控系統(tǒng))輸出量性質(zhì)可分二類，即模擬式光電傳感器和脈沖(開關(guān))式光電傳感器。模擬式光電傳感器是將被測量轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的光電流，它與被測量間呈單值關(guān)系。模擬式光電傳感器按被測量(檢測目標(biāo)物體)方法可分為透射(

11、吸收)式、漫反射式、遮光式(光束阻檔)三大類。所謂透射式是指被測物體放在光路中，恒光源發(fā)出的光能量穿過被測物，部份被吸收后，透射光投射到光電元件上；所謂漫反射式是指恒光源發(fā)出的光投射到被測物上，再從被測物體外表反射后投射到光電元件上；所謂遮光式是指當(dāng)光源發(fā)出的光通量經(jīng)被測物光遮其中一部份，使投射剄光電元件上的光通量改變，改變的程度與被測物體在光路位置有關(guān)。光源是許多光電傳感器的重要組成局部，要使光電傳感器很好地工作，除了合理選用光電元件外，還必須配備適宜的光源。發(fā)光二極管是一種把電能轉(zhuǎn)變成光能的半導(dǎo)體器件。它具有體積小、功耗低、壽命長、響應(yīng)快、機(jī)械強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，并能和集成電路相匹配。因此，廣泛

12、地用于計(jì)算機(jī)、儀器儀表和自動控制設(shè)備中。鎢絲燈泡是一種最常用的光源，它具有豐富的紅外線。如果選用的光電元件對紅外光敏感，構(gòu)成傳感器時(shí)可加濾色片將鎢絲燈泡的可見光濾除，而僅用它的紅外線做光源，這樣，可有效防止其他光線的干擾。激光與普通光線相比具有能量高度集中，方向性好，頻率單純、相干性好等優(yōu)點(diǎn)，是很理想的光源。綜上所述，各種光源各具優(yōu)點(diǎn)，但從經(jīng)濟(jì)與使用便利方面考慮，并考慮到抗干擾性能，我們決定選用紅外光二極管做系統(tǒng)測量的光源。由光源、光學(xué)通路和光電器件組成的光電傳感器在用于光電檢測時(shí)，還必須配備適當(dāng)?shù)男盘栒{(diào)理電路。這些信號調(diào)理電路負(fù)責(zé)將光電傳感器輸出的微弱的光電信號進(jìn)展放大、整形，轉(zhuǎn)換成所單片機(jī)

13、定時(shí)計(jì)數(shù)所需要的脈沖信號。不同的光電元件，所要求的測量電路也不一樣，為此設(shè)計(jì)時(shí)必須詳加考慮。3.3.2 光電轉(zhuǎn)換及信號調(diào)理電路設(shè)計(jì)傳感器將電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)變成了電脈沖信號，該信號經(jīng)過LM324集成運(yùn)放整形驅(qū)動，送到單片機(jī)進(jìn)展脈沖計(jì)數(shù)，從而測出電動機(jī)轉(zhuǎn)速。LM324是四運(yùn)放集成電路，它采用14腳雙列直插塑料封裝，外形如下圖。它的部包含四組形式完全一樣的運(yùn)算放大器，除電源共用外，四組運(yùn)放相互獨(dú)立。每一組運(yùn)算放大器可用圖3.3.2.1所示的符號來表示，它有5個(gè)引出腳，其中“+、“-為兩個(gè)信號輸入端，“V+、“V-為正、負(fù)電源端，“圖3.3.2.1放大器圖 圖3.3.2.2 引腳圖由于LM324四運(yùn)放

14、電路具有電源電壓圍寬，靜態(tài)功耗小，可單電源使用，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用在各種電路中。本設(shè)計(jì)方案采用高性能集成四運(yùn)放LM324來進(jìn)展光電信號調(diào)理電路設(shè)計(jì)。電路采用兩級放大電路對脈沖信號進(jìn)展放大，防止信號脈沖太小以至對實(shí)驗(yàn)結(jié)果不產(chǎn)生影響。此外，還設(shè)計(jì)了有源帶通濾波器。為了到達(dá)預(yù)定效果，對系統(tǒng)運(yùn)用MULTISIM 8進(jìn)展模擬仿真，并利用模擬仿真結(jié)果對有關(guān)元器件進(jìn)展參數(shù)設(shè)定，以使電路滿足要求。4硬件構(gòu)造光電式轉(zhuǎn)速傳感器安裝于電機(jī)轉(zhuǎn)盤的左方，光電式轉(zhuǎn)速傳感器有反射型和透射型兩種，本實(shí)驗(yàn)裝置是透射型的，傳感器端部有發(fā)光管和光電管，發(fā)光管發(fā)出的光源通過轉(zhuǎn)盤上開的孔透射后由光電二極管承受轉(zhuǎn)換成電信號，

15、由于轉(zhuǎn)盤上有相間的6個(gè)孔，轉(zhuǎn)動時(shí)將獲得與轉(zhuǎn)速及孔數(shù)有關(guān)的脈沖，將電脈沖計(jì)數(shù)處理即可得到轉(zhuǎn)速值。如圖4.1圖4.1 轉(zhuǎn)速測速示意圖被測物理量經(jīng)過傳感器變換后，由光電傳感器輸出接口輸出脈沖電信號，由示波器進(jìn)展檢測，直觀的顯示出電機(jī)轉(zhuǎn)動快慢情況。5 LabVIEW虛擬儀器轉(zhuǎn)速測量的實(shí)現(xiàn)虛擬儀器的起源可以追溯到20世紀(jì)70年代，那時(shí)計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)在國防、航天等領(lǐng)域已經(jīng)有了相當(dāng)?shù)拈_展。PC機(jī)出現(xiàn)以后，儀器級的計(jì)算機(jī)化成為可能，甚至在 Microsoft公司的 Windows 誕生之前，NI公司已經(jīng)在Macintosh計(jì)算機(jī)上推出了LabVIEW2.0 以前的版本。對虛擬儀器和 LabVIEW 長期、系統(tǒng)

16、、有效的研究開發(fā)使得該公司成為業(yè)界公認(rèn)的權(quán)威。目前LabVIEW 的最新版本為 LabVIEW2021，LabVIEW 2021 為多線程功能添加了更多特性，這種特性在 1998 年的版本 5 中被初次引入。使用 LabVIEW 軟件，用戶可以借助于它提供的軟件環(huán)境，該環(huán)境由于其數(shù)據(jù)流編程特性、LabVIEW Real-Time 工具對嵌入式平臺開發(fā)的多核支持，以及自上而下的為多核而設(shè)計(jì)的軟件層次，是進(jìn)展并行編程的首選。LABVIEW最初就是為測試測量而設(shè)計(jì)的，因而測試測量也就是現(xiàn)在LABVIEW最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。經(jīng)過多年的開展，LABVIEW在測試測量領(lǐng)域獲得了廣泛的成認(rèn)。至今，大多數(shù)主流的

17、測試儀器、數(shù)據(jù)采集設(shè)備都擁有專門的LabVIEW驅(qū)動程序，使用LabVIEW可以非常便捷的控制這些硬件設(shè)備。同時(shí)，用戶也可以十分方便地找到各種適用于測試測量領(lǐng)域的LabVIEW工具包。這些工具包幾乎覆蓋了用戶所需的所有功能，用戶在這些工具包的根底上再開發(fā)程序就容易多了。有時(shí)甚至于只需簡單地調(diào)用幾個(gè)工具包中的函數(shù)，就可以組成一個(gè)完整的測試測量應(yīng)用程序。5.1 前面板前面板實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)速測量的直觀顯示5.2 程序框圖通過程序框圖實(shí)現(xiàn)程序功能6結(jié)果6.1 硬件設(shè)備及連接硬件由光電傳感器、試驗(yàn)箱、試驗(yàn)臺、示波器構(gòu)成，如圖6.1、6.2 圖6.1 硬件連接圖圖6.2 硬件連接圖示波器6.2 設(shè)備運(yùn)行及測量顯

18、示 如圖6.3光電傳感器工作，輸出測量電信號 圖6.3光電傳感器工作，輸出測量電信號示波器檢測測量系統(tǒng)輸出的信號，并以一定頻率的矩形波顯示，如圖6.4、6.5 6.4檢測到的波形 6.5檢測到的波形7小結(jié)通過此次課程設(shè)計(jì)，使我更加扎實(shí)的掌握了有關(guān)傳感器設(shè)計(jì)方面的知識，在設(shè)計(jì)過程中雖然遇到了一些問題，但這是多專業(yè)知識以及專業(yè)技能上的提升，同時(shí)又是一門講道課，一門辯思課，給了我許多道，給了我很多思，給了我莫大的空間。同時(shí)，設(shè)計(jì)讓我感觸很深。使我對抽象的理論有了具體的認(rèn)識。通過這次課程設(shè)計(jì)，我掌握了光電傳感器傳感器的原理。當(dāng)你用心的去做一件事的時(shí)候，這件事就不會輕易的用不知對錯(cuò)的結(jié)果去應(yīng)付你，就像你不會去拿這樣的態(tài)度去對待他，做一件事和想一件事也不會是一樣，如果當(dāng)時(shí)我只是停留在第一天的空想，我就不會在編程和仿真的過程中發(fā)現(xiàn)和改正則多的錯(cuò)誤。實(shí)踐之所以高于理論，或許正是因?yàn)樗鼮槲覀兲峁┝烁喾稿e(cuò)誤和改正錯(cuò)誤的時(shí)機(jī)吧。本次設(shè)計(jì)把理論應(yīng)用到了實(shí)踐中，同時(shí)通過設(shè)計(jì)，也加深了自己對理論知識的理解和掌握，在解決困難的過程中，獲得了許多專業(yè)方面的知識,