CN101907633B - 一种高分辨率转速测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高分辨率转速测量装置，在每个转速采集单元中，转盘的端面上沿圆周方向均匀分布有矩形透光孔，矩形透光孔沿其长度方向的中心线经过转盘的圆心，传感装置靠近转盘的矩形透光孔，传感装置的输出端与信号调理装置的输入端通过信号线连接，信号调理装置用于将传感装置输出的信号转化成方波信号，信号调理装置的输出端通过信号线与计算机连接；各转速采集单元中的转盘的端面相互平行，各转盘的圆心的连线为一直线且该连线与各转盘的端面垂直；在与所述连线相垂直的投影面上，各转盘的矩形透光孔沿其长度方向的中心线在该投影面上的正投影相互之间形成一夹角，相邻的所述中心线正投影的夹角相等且大于零。本发明可使测量分辨率成倍提高。

Description

一种高分辨率转速测量装置

技术领域

本发明涉及一种测量装置，尤其涉及一种转速测量装置。

背景技术

转速是一个重要的物理量，目前工程上采用的转速测量方法一般是采用磁电式、霍尔式或者光电式传感装置和转盘相结合的方式。而现有转速测量装置只有单一转盘。为了提高测量分辨率，现有技术是通过增加单一转盘上的金属凸起数量或者透光孔的数量，同时采用处理速度更高的传感装置和信号调理电路。但是单一转盘上的金属凸起数量或者透光孔的数量受体积限制不能无限增加，现有的传感装置和信号调理电路的处理速度也是有限的。上述转速测量装置存在以下缺点：1)测量分辨率依赖于转盘上的金属凸起数或者透光孔的数量，而该数量受机械尺寸的限制，不能设计得很多。因此，测量分辨率的增加受到限制。2)随着转速的增加，受传感装置和信号调理电路处理速度的限制，会丢失采样脉冲，形成系统误差，影响测量准确度。

发明内容

本发明的目的是提供一种高分辨率转速测量装置。

本发明的发明构思是：本发明利用转速测量装置的测量分辨率的大小和转盘上的金属凸起数量或者透光孔的数量成正比的关系，通过设置多个转盘、多套传感装置和信号调理装置来增加金属凸起数或者透光孔的数量，再利用计算机对多套传感装置和信号调理装置采样到的信号进行合成，从而实现在不提高现有传感装置和信号调理电路处理速度和不增加单个转盘上的金属凸起数量或者透光孔数量的基础上，使测量分辨率成倍提高。本发明装置所达到的测量分辨率相对于单个转盘的测量分辨率的倍数与转盘数量的数值相同。

为实现上述目的，本发明所采取的技术手段是：

本发明的其中一种高分辨率转速测量装置包括计算机和两个以上转速采集单元；所述转速采集单元包括信号调理装置、传感装置和由遮光材料制成的转盘，所述转盘的端面上沿圆周方向均匀分布有矩形透光孔，所述矩形透光孔沿其长度方向的中心线经过该转盘的圆心；在每个转速采集单元中，传感装置靠近转盘的矩形透光孔，传感装置的输出端与信号调理装置的输入端通过信号线连接，信号调理装置用于将传感装置输出的信号转化成方波信号，信号调理装置的输出端通过信号线与计算机连接；各转速采集单元中的转盘的端面相互平行，各转盘的中心孔的圆心的连线为一直线且该连线与各转盘的端面垂直；在与所述连线相垂直的投影面上，各转盘的矩形透光孔沿其长度方向的中心线在该投影面上的正投影相互之间形成一夹角，相邻的所述中心线正投影的夹角相等且大于零。

本发明的另一种高分辨率转速测量装置包括计算机和两个以上转速采集单元；所述转速采集单元包括信号调理装置、传感装置和转盘，所述转盘的外圆面上沿圆周方向均匀地固定有金属凸起，所述金属凸起的径向中心线经过该转盘的圆心；在每个转速采集单元中，传感装置靠近转盘的金属凸起，传感装置的输出端与信号调理装置的输入端通过信号线连接，信号调理装置用于将传感装置输出的信号转化成方波信号，信号调理装置的输出端通过信号线与计算机连接；各转速采集单元中的转盘的端面相互平行，各转盘的中心孔的圆心的连线为一直线且该连线与各转盘的端面垂直；在与所述连线相垂直的投影面上，各转盘的金属凸起的径向中心线在该投影面上的正投影相互之间形成一夹角，相邻的所述径向中心线正投影的夹角相等且大于零。

进一步地，本发明所述金属凸起为由磁钢制成的凸起，所述传感装置为霍尔传感器。

与现有技术相比，本发明的优点有：

1)本发明利用转速测量装置的测量分辨率的大小和转盘上的金属凸起数量或者透光孔的数量成正比的关系，通过设置多个转盘、多套传感装置和信号调理装置来增加金属凸起数或者透光孔的数量，再利用计算机对多套传感装置和信号调理装置采样到的信号进行合成。本发明通过这种方法增加透光孔或金属凸起的总数量，从而实现在不提高现有传感装置和信号调理电路处理速度和不增加单个转盘上的金属凸起数量或者透光孔数量的基础上，使测量分辨率成倍提高。

2)在与各转盘圆心的连线垂直的投影面上，本发明的各转盘的矩形透光孔或者金属凸起的投影允许有部分重叠，且仍然可通过信号调理装置调理出能被计算识别的互不重叠的方波信号，因此转盘的设置数量可以增多，从而进一步提高了测量分辨率。

3)本发明的每个转盘上不需要设置密集的透光孔和金属凸起，因此其传感装置和信号调理电路不需要很高的处理速度，提高了信号采样和传输的可靠性。

4)本发明可利用现有转速测量装置装配而成，制造方便，成本低。

附图说明：

图1是本发明的转盘上设置有透光孔的转速测量装置的结构示意图(以三个转盘为例)。

图2是图1中各转盘在与各转盘的圆心的连线相垂直的投影面上的一种投影图。

图3是图1中各转盘在与各转盘的圆心的连线相垂直的投影面上的另一种投影图。

图4是本发明的设置有金属凸起的转盘在与各转盘的圆心的连线相垂直的投影面上的一种投影图(以三个转盘为例)。

图5是本发明的设置有金属凸起的转盘在与各转盘的圆心的连线相垂直的投影面上的另一种投影图(以三个转盘为例)。

图6是本发明的各转速采集单元输出的脉冲信号在计算机中的合成方法示意图，其中，(a)是第一个转速采集单元的信号调理装置输出的脉冲图；(b)是第二个转速采集单元的信号调理装置输出的脉冲图；(c)是第三个转速采集单元的信号调理装置输出的脉冲图；(d)表示由(a)、(b)、(c)中的脉冲图在计算机中的合成脉冲图。

图7是本发明的一种传感装置的电路原理图。

图8是本发明的一种信号调理装置的电路原理图。

图中，1.计算机，2.信号调理装置，3.传感装置，4.转盘，5.矩形透光孔，6.转盘的中心孔，7.信号线，8.金属凸起。

具体实施方式：

本发明由计算机1和两个以上转速采集单元构成。图1是一种由三个转速采集单元构成的实施例。其中，转速采集单元包括信号调理装置2、传感装置3和转盘4，各转盘4由遮光材料制成，例如，钢、铝等金属材料，不透光的塑料或其他不透光材料等。各转盘4的端面上沿圆周方向均匀分布有矩形透光孔5，矩形透光孔5沿长度方向的中心线经过该转盘4的圆心。传感装置3可为如图7所示的由槽形光耦构成的电路。

在每个转速采集单元中，传感装置3靠近转盘4的矩形透光孔5，传感装置3的输出端与信号调理装置2的输入端通过信号线7连接，信号调理装置2用于将传感装置3输出的信号转化成方波信号，信号调理装置2的输出端通过信号线7与计算机1连接。各转速采集单元中的转盘4的端面相互平行，各转盘4的圆心的连线为一直线且该连线与各转盘4的端面垂直，因此在转盘4的转动过程中，转盘4与传感装置3之间的距离可以保持不变，以保证传感装置3信号采集的稳定性。

如图2和图3所示，不同转盘4的矩形透光孔5的分布应满足以下条件：在与各转盘4的圆心的连线相垂直的投影面上，各转盘的矩形透光孔5沿各自长度方向的中心线在该投影面上的正投影相互之间形成一夹角，并且，在所述投影面上，对于投影面上任意相邻的两根矩形透光孔沿长度方向的中心线正投影而言，它们之间所形成的夹角相等且都大于零。以下举例说明：如图2所示，OC、OB、OA分别是投影面上相邻的三根矩形透光孔沿长度方向的中心线的正投影，它们之间的对应夹角α、β相等且都大于零。本发明中，如图3所示，各转盘4的矩形透光孔5在所述投影面上的正投影也可以有重叠，但应保证在所述投影面上，各矩形透光孔5沿自身长度方向的中心线的正投影相互之间形成一夹角，且任意相邻的两根矩形透光孔5沿长度方向的中心线的正投影之间的夹角(例如如图3中的OC、OB、OA的夹角α、β)相等且大于零。因此，如图6中的(a)、(b)、(c)图所示，各转速采集单元输出的方波信号的脉冲会相互错开。从而能够在计算机1中通过逻辑或运算将图6(a)、6(b)、6(c)所示方波合成如图6(d)所示的方波，而图6(d)所示的方波的频率值决定了待测转速值。

本发明的转盘4可以有另一种结构，其外圆面上沿圆周方向均匀地设有金属凸起8，金属凸起8和转盘4固定联接在一起或者和转盘4制成一体。金属凸起8的沿转盘4的径向中心线经过转盘4的圆心。

如图4和图5所示，不同转盘4的金属凸起8的分布应满足以下条件：在与各转盘4的圆心的连线相垂直的投影面上，各转盘的金属凸起8的径向中心线在该投影面上的正投影相互之间形成一夹角，且在所述投影面上，任意相邻的两根金属凸起径向中心线的正投影之间的夹角应相等且均大于零。例如如图4和图5所示，在与各转盘4的圆心的连线垂直的投影面上，其中相邻的三根金属凸起径向中心线的正投影分别为OF、OE、OD，OF、OE、OD之间的对应夹角分别为α、β，而α和β相等且都大于零。如图5所示，各转盘的金属凸起8在所述投影面上的正投影也可以有重叠，但应保证在所述投影面上，各转盘的金属凸起8的径向中心线的正投影相互之间形成一夹角，且在所述投影面上，任意相邻的两根金属凸起径向中心线的正投影之间的夹角(例如图4所示的OF、OE、OD之间的对应夹角α、β)应相等且大于零。上述金属凸起8可以是由磁钢制成的凸起，那么相应的传感装置3应使用霍尔传感器。

本发明的传感装置3的一种电路原理图如图7所示，包括槽形光耦S1，限流电阻R1、R2，信号输出接口J1。信号调理装置2的一种电路如图8所示，包括电压比较器U1，其型号为LM339；分压电阻R4、R5，用来向电压比较器U1的正向输入端输入阀值电压信号；上拉电阻R3，用以当信号输出接口J3输出+5V电压时，增大输出接口J3的输出电流。电压比较器U1能够将信号输入接口J1输入的电压值与经过分压电阻R4、R5分压后的电压阀值进行比较，若大于该电压阀值，则在信号输出接口J3输出+5V电压，若小于上述电压阀值，则在信号输出接口J3输出OV电压。因此，信号调理电路通过电压比较器把信号采集装置输出的电压信号转换成如图6(a)至图6(c)所示的方波信号；并且，该方波信号的脉冲宽度可以通过选择不同阻值的电阻R4、R5来控制。当转盘4在与各转盘的圆心的连线相垂直的投影面上的正投影如图3或图5所示有部分重叠时，可通过选择电阻R4、R5的阻值来提高阀值电压，以减小各个转速采集单元输出的信号波形中的脉冲宽度，从而保证这些信号波形能够在计算机1中通过逻辑或运算合成一个如图6(d)所示的新的信号波形，并且这一新的信号波形中单位时间的脉冲数量是各个转速采集单元输出的信号波形中单位时间的脉冲数量之和。

使用时，将待测转轴依次穿过各转盘4的中心孔6，使每个转盘4间隔分布，并保证每个转盘4的端面与各转盘4的圆心的连线相垂直；同时，在与各转盘4的圆心的连线相垂直的投影面上，保证每个转盘4的矩形透光孔5沿长度方向的中心线在上述投影面上的正投影或者金属凸起8的径向中心线在上述投影面上的正投影相互之间形成一夹角，并使任意相邻的两根所述中心线正投影的夹角相等且大于零。每个转盘4和待测转轴固定在一起。在每个转速信号采集单元中，传感装置3安装在靠近转盘4的位置。以具有如图7所示电路的传感装置为例，安装时需要将转盘4的外边缘伸进槽形光耦S1的槽，并保证转盘4在转动过程中，槽形光耦发出的光能够穿过矩形透光孔5，使槽形光耦触发；同时要保证转盘4在转动过程中与槽形光耦无接触。若转盘4是具有金属凸起8的转盘，则将传感装置3安装在靠近转盘4的外圆面的位置，并使传感装置3的敏感部位靠近金属凸起8。信号输出接口J1和信号调理装置2的信号输入接口J2通过信号线7相连，将每个信号调理装置2的信号输出接口J3与计算机1通过信号线7相连。工作时，待测转轴开始转动后，转盘4随之一起转动。当转盘4的矩形透光孔5靠近传感装置3时，由于传感装置3(以槽形光耦为例)的感光特性，在输出接口J1会产生一个OV的低电平；同时，信号调理装置2的输出接口J3也输出一个如图6所示的OV低电平。当转盘4的不透光部位靠近传感装置3(以槽形光耦为例)时，在输出接口J1会产生一个最大值为+5V的不规则脉冲，信号调理装置2的输出接口J3随之输出一个如图6所示的+5V高电平。与此类似，当转盘4的金属凸起8靠近传感装置3的敏感部位时，信号调理装置2的输出端输出一个OV的低电平；当金属凸起8离开传感装置3的敏感部位时，信号调理装置2的输出端输出一个+5V高电平。图6所示为3个转速信号采集单元同时采样得到的波形图，每个信号调理装置2输出信号的方波如图6中的(a)、(b)、(c)图所示，图6(d)是由图6(a)、6(b)、6(c)所示方波在计算机1中合成的方波。若转速测量装置只由一套转速采集单元构成，一个转盘4上设有N个矩形透光孔5。则待测转轴转动一周，与之对应的信号调理装置2输出的信号将产生N个脉冲，因此，该转速测量装置的测量分辨率为1/N。与此对比，若有3个转速采集单元按上述方法进行安装，每个转盘上同样设有N个透光孔，且使任意相邻的矩形透光孔5沿各自长度方向的中心线的正投影之间的夹角都等于θ度(θ大于0)，则各个转速采集单元会按θ÷(360×n)秒的时间差依次输出如图6(a)、6(b)、6(c)所示的方波，其中n为转盘的当前转速，单位为转/秒。由于这种时间差的存在，信号调理装置能够调理出互不重叠的方波信号，因而计算机就可以通过逻辑或运算将图6(a)、6(b)、6(c)所示的方波合成图6(d)所示的方波。待测转轴每转动一周，图6(d)所示的方波将产生3N个脉冲，因此，测量分辨率提高到1/3N。计算机通过频率分析，计算出图6(d)所示的方波的实时频率f，则可得到待测转轴的转速，其值为f÷(3×N)。

在本发明的测量装置中，转速采集单元的数量可以为两个或两个以上。假设转速采集单元的数量为M，且每个转盘上的透光孔或金属凸起的数量为N，则测量分辨率可表示为1÷(M×N)，相比转盘上的透光孔或金属凸起的数量为N的单个转速采集单元，测量分辨率为单个转盘时的M倍。

Claims (3)

1.一种高分辨率转速测量装置,其特征在于：包括计算机（1）和两个以上转速采集单元；所述转速采集单元包括信号调理装置(2)、传感装置(3)和由遮光材料制成的转盘（4），所述转盘（4）的端面上沿圆周方向均匀分布有矩形透光孔（5），所述矩形透光孔（5）沿其长度方向的中心线经过该转盘（4）的圆心；在每个转速采集单元中，传感装置(3)靠近转盘（4）的矩形透光孔（5），传感装置(3)的输出端与信号调理装置(2)的输入端通过信号线连接，信号调理装置(2) 用于将传感装置(3)输出的信号转化成方波信号，信号调理装置(2)的输出端通过信号线与计算机（1）连接；各转速采集单元中的转盘（4）的端面相互平行，各转盘（4）的圆心的连线为一直线且该连线与各转盘（4）的端面垂直；在与所述连线相垂直的投影面上，各矩形透光孔（5）沿其长度方向的中心线在该投影面上的正投影相互之间形成一夹角，相邻的所述中心线正投影的夹角相等且大于零。

2.一种高分辨率转速测量装置,其特征在于：包括计算机（1）和两个以上转速采集单元；所述转速采集单元包括信号调理装置(2)、传感装置(3)和转盘（4），所述转盘（4）的外圆面上沿圆周方向均匀地固定有金属凸起(8)，所述金属凸起(8)的径向中心线经过该转盘（4）的圆心；在每个转速采集单元中，传感装置(3)靠近转盘（4）的金属凸起(8)，传感装置(3)的输出端与信号调理装置(2)的输入端通过信号线（7）连接，信号调理装置(2) 用于将传感装置(3)输出的信号转化成方波信号，信号调理装置(2)的输出端通过信号线（7）与计算机（1）连接；各转速采集单元中的转盘（4）的端面相互平行，各转盘（4）的圆心的连线为一直线且该连线与各转盘（4）的端面垂直；在与所述连线相垂直的投影面上，各金属凸起(8)的径向中心线在该投影面上的正投影相互之间形成一夹角，相邻的所述径向中心线正投影的夹角相等且大于零。

3. 根据权利要求2所示的高分辨率转速测量装置，其特征在于：所述金属凸起(8)为由磁钢制成的凸起，所述传感装置(3)为霍尔传感器。

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