項目7 機車速度信號采集系統(tǒng)搭建

電子(diànzǐ)與信息技術專業(yè)傳感器技術(jìshù)項目七機車速度信號采集系統(tǒng)搭建大連電子學校DALIANELECTRONICSCHOOL共二十六頁任務(rènwu)1項目任務書隨著(suízhe)當今交通運輸行業(yè)的發(fā)展，軌道交通以其運量大、速度快、安全環(huán)保等優(yōu)點已成為人們出行的首選，我國也已成為世界最大的軌道交通建設市場。機車速度信號是機車運行中的重要狀態(tài)參數，是構成機車閉環(huán)調速控制系統(tǒng)必不可少的反饋參量。在機車的防滑/防空轉系統(tǒng)、機車運行狀態(tài)監(jiān)控等裝置中，都需要實時地得到機車的運行速度信號，而且機車速度信號采集的精確度與機車操作的安全性直接相關聯，因此電力機車運行速度信號的正確采集和處理對于機車的控制與操作至關重要。本項目介紹了采用速度傳感器采集并輸出的脈沖信號，經過信號處理電路，再利用單片機的采集能力和運算處理能力，對機車速度信號進行測量。7.1.1項目描述共二十六頁任務(rènwu)1項目任務書完成DF16速度傳感器的測試(cèshì)；根據給定的元器件和電路圖，按照電子產品制作工藝，焊接、組裝信號處理電路；結合速度校驗臺和單片機開發(fā)板搭建一個機車速度信號采集系統(tǒng)。7.1.2項目任務共二十六頁任務2信息(xìnxī)收集數字式傳感器是一種(yīzhǒnɡ)能把被測模擬量直接轉換為數字量輸出的裝置，可直接與計算機系統(tǒng)連接。與模擬式傳感器相比，數字式傳感器具有以下優(yōu)點：(1)測量精度和分辨率高；(2)抗干擾能力強，穩(wěn)定性好；(3)易于和計算機接口，便于信號處理和實現自動化測量；(4)適宜遠距離傳輸。共二十六頁任務2信息(xìnxī)收集7.2.1旋轉(xuánzhuǎn)編碼器1.絕對式編碼器(1)接觸式編碼器一個4位2進制接觸式碼盤，在圓形不導電的碼盤基本體上共有4個碼道，每個碼道用印制電路板工藝加工出導電區(qū)和絕緣區(qū)。導電區(qū)用“1”表示，絕緣區(qū)用“0”表示。每個碼道上都有一個電刷，電刷經取樣電阻接地。若電刷接觸到導電區(qū)，則該回路中的取樣電阻上有電流流過，輸出為“1”，若電刷接觸的是絕緣區(qū)，輸出則為“0”。旋轉編碼器是一種碼盤式角度-數字檢測元件，通常用于轉速的測量。它的轉軸通常隨被測軸一起轉動，能將被測軸的角位移轉換成二進制編碼或者一串脈沖。共二十六頁任務2信息(xìnxī)收集7.2.1旋轉(xuánzhuǎn)編碼器1.絕對式編碼器(2)光電式編碼器光電式編碼器是目前應用較多的一種編碼器，它的碼盤是在不透光材料的圓盤上精確地印制二進制編碼。工作時，每個碼道都對應一組光電元件，碼盤轉到不同位置，光電元件接收光信號，產生相應的二進制編碼。(3)磁電式編碼器共二十六頁任務(rènwu)2信息收集7.2.1旋轉(xuánzhuǎn)編碼器2.增量式編碼器增量式編碼器是指隨轉軸旋轉的碼盤給出一系列脈沖，然后根據旋轉方向用計數器對這些脈沖進行加減計數，從而表示轉過的角位移量。共二十六頁任務(rènwu)2信息收集7.2.2光柵(guāngshān)傳感器1.光柵的構成與分類光柵就是在透明的玻璃板上，均勻地刻出許多明暗相間的條紋，或在金屬鏡面上均勻地劃出許多間隔相等的條紋，通常線條的間隙和寬度是相等的。以透光的玻璃為載體的稱為透射光柵，不透光的金屬為載體的稱為反射光柵。共二十六頁任務2信息(xìnxī)收集7.2.2光柵(guāngshān)傳感器1.光柵的構成與分類

(1)長光柵：又稱光柵尺，主要用于長度或直線位移的測量，如圖7-5和圖7-6所示。長光柵由長短兩塊光柵組成。長的一塊成為主光柵，短的一塊成為指示光柵，兩者刻線密度相同?？叹€密度由測量精度決定。柵線密度一般為每毫米25、50、100、250條等，多的可達每毫米2400條。共二十六頁任務2信息(xìnxī)收集7.2.2光柵(guāngshān)傳感器1.光柵的構成與分類

(2)圓光柵：又稱光柵盤，用來測量角度或者角位移，如圖7-7所示。根據刻線的方向可分為徑向光柵和切向光柵。徑向光柵柵線延長線全部通過光柵盤的圓心，切向光柵柵線延長線全部與光柵盤中心的一個小圓（直徑為零點幾到幾毫米）相切。圓光柵也由大小兩塊光柵組成，大的稱為主光柵，小的稱為指示光柵，兩者的刻線密度相同。圓光柵只有透射光柵一種。共二十六頁任務2信息(xìnxī)收集7.2.2光柵(guāngshān)傳感器2.光柵傳感器的工作原理如果把兩塊柵距W相等的光柵面平行安裝，中間留有很小的間隙，并使兩者的柵線保持很小的夾角θ，這時光柵上會出現若干條明暗相間的條紋，稱為莫爾條紋。在兩光柵的刻線重合處，光從縫隙透過，形成亮帶；在兩光柵刻線的錯開處，由于相互擋光作用而形成暗帶。莫爾條紋是光柵非重合部分光線透過而形成的亮帶，由一系列四棱形圖案組成。共二十六頁任務(rènwu)2信息收集7.2.2光柵(guāngshān)傳感器2.光柵傳感器的工作原理莫爾條紋具有以下特點：(1)莫爾條紋的位移與光柵的移動成比例。(2)莫爾條紋具有位移放大作用。(3)莫爾條紋具有平均光柵誤差作用。3.光柵使用技術(1)光柵的辯向技術(2)光柵的細分技術共二十六頁任務3項目(xiàngmù)實施7.3.1框圖機車速度采集由速度傳感單元(dānyuán)、濾波整形單元(dānyuán)、降壓隔離單元(dānyuán)分以及中央處理單元(dānyuán)四部分組成。共二十六頁任務(rènwu)3項目實施7.3.2速度(sùdù)傳感器DF161.

DF16速度傳感器結構外形DF16速度傳感器由光電模塊、光柵、傳動軸、軟連接器、14芯防水插頭等部分組成?？梢苑奖愕匕惭b于軸箱蓋上,傳動部分采用軟性連接，能克服安裝不同心及驅動間隙，具有堅固、密封、抗震、抗沖擊、測速范圍寬、溫度適應范圍寬、可靠性好、使用壽命長等特點。適用于國內外各種類型機車的速度、方向、空轉及打滑等各項檢測。共二十六頁任務(rènwu)3項目實施7.3.2速度(sùdù)傳感器DF162.工作原理DF16速度傳感器是緊湊型、低維護的測速、測距傳感器，通過掃描和輪軸同步的光柵盤的內、外軌道，可輸出兩種不同脈沖數的方波信號，內軌道每轉80個脈沖，外軌道每轉200個脈沖，輸出可以是不同脈沖數的各種組合。各通道間彼此隔離，且?guī)в袠O性保護、輸出短路保護。DF16速度傳感器可輸出和速度成線性比例的方波信號。輸出的頻率和輪軸轉速的關系為：f=n×P/60其中n為每分鐘轉速，f為傳感器輸出脈沖頻率，一般取500、1000或者2000Hz，P為光柵槽數，即每轉脈沖數。例如，光柵盤外軌道為光柵槽數為200，頻率取1000Hz，則轉速n為300轉/分。共二十六頁任務(rènwu)3項目實施7.3.2速度(sùdù)傳感器DF163.主要參數(1)測速范圍：0～2000轉/分；(2)每轉脈沖數：外軌道200P/R、內軌道80P/R；(3)輸出通道數：單、雙、三、四；(4)輸出波形：方波；(5)輸出幅度：高電平≥9V,（負載電阻3KΩ），低電平≤2V；(6)脈沖占空比：50％±20％；(7)脈沖相位差：90°±45°（雙通道、四通道）順時針旋轉，CH1超前CH2，CH2超前CH3，CH3超前CH4；120°±60°（三通道）順時針旋轉,CH1超前CH2，CH2超前CH3；(8)工作電源：DC12～30V；(9)功耗電流：≤40mA（每通道）；(10)短路保護：具有輸出短路保護功能；(11)耐壓：1500V50Hz，1min（通道對外殼）；

500V50Hz，1min（各通道間）；(12)絕緣電阻：正常情況下≥500MΩ，極端濕熱情況≥20MΩ；(13)工作溫度：－40℃～70℃；共二十六頁任務3項目(xiàngmù)實施7.3.2速度(sùdù)傳感器DF164.接線方法共二十六頁任務3項目(xiàngmù)實施7.3.3信號處理與采集(cǎijí)1.信號處理電路共二十六頁任務3項目(xiàngmù)實施7.3.3信號處理與采集信號處理電路濾波整形處理電路濾波整形處理單元由RC濾波電路和運算(yùnsuàn)放大器LM224構成的整形電路組成。共二十六頁任務3項目(xiàngmù)實施7.3.3信號處理與采集信號處理電路(2)降壓隔離電路降壓隔離單元由電阻及隔離光耦HCPL-0630構成。2.信號采集速度信號經信號處理電路處理后送入中央處理單元進行采集和處理。本項目中的中央處理單元選擇單片機控制實現。單片機通過對方波脈沖的計數和運算得出當前機車運動速度，并可驅動數碼管顯示，或者通過RS232、總線通信等方式(fāngshì)由上位計算機給出速度顯示。共二十六頁任務(rènwu)3項目實施7.3.4系統(tǒng)搭建(dājiàn)與調試1．設備及元器件設備及元器件要求如表7-3、7-4所示。2.元器件識別與檢測（1）根據信號處理電路元器件清單，清點組件；（2）檢測各元器件的性能及參數；（3）識別速度傳感器DF16。共二十六頁任務(rènwu)3項目實施7.3.4系統(tǒng)(xìtǒng)搭建與調試3．DF16速度傳感器的測試共二十六頁任務(rènwu)3項目實施7.3.4系統(tǒng)搭建(dājiàn)與調試4.焊接組裝信號處理電路5.程序錄入6.系統(tǒng)搭建與調試（1）系統(tǒng)搭建①將DF16速度傳感器安裝于轉速校驗臺上，通過轉速校驗臺設置轉速的方法，模擬機車運行。②將DF16速度傳感器CH1和CH2輸出端連接到速度信號處理電路的兩路輸入端上。③將信號處理電路的兩路速度信號輸出連接到單片機開發(fā)板上單片機的信號輸入端子上。共二十六頁任務3項目(xiàngmù)實施7.3.4系統(tǒng)搭建(dājiàn)與調試6.系統(tǒng)搭建與調試（2）調試準備①檢查信號處理電路各元件焊接位置是否正確、有無虛焊和連焊等。②將集成運算放大器LM224和光耦合器HCPL-0630按標志方向插入集成電路插座。③將穩(wěn)壓電源第一路輸出調整為15V，第二路輸出調整為5V（3）系統(tǒng)調試①在轉速校驗臺上設定轉速。②開啟穩(wěn)壓電源，在速度信號處理電路的輸出端連接雙蹤示波器，觀察輸出波形是否正確。③給單片機開發(fā)板上電，觀察單片機開發(fā)板上的轉速顯示與校驗臺上設定的轉速是否一致。7.DF16傳感器檢修與故障排除共二十六頁任務