CN103630702A - 用于交流测速电机的电隔离准数字式测量接口电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于交流测速电机的电隔离准数字式测量接口电路，包括与交流测速电机（TD）输出的交流电信号三相中两相连接的全波整流集成电路（U1）、直流稳压集成电路（U2）、光耦合集成电路（U3）、施密特触发整形集成电路（U4）和分频集成电路（U5）。当被测机械转速高于3000转/分，为配合机械减速器测量，还设计有由与分频集成电路（U5）输出端连接的锁相环集成电路（U6）、第一计数集成电路（U7）和第二计数集成电路（U8）构成的倍频电路。本发明提供的接口电路具有转速检测精度和工作可靠性高、结构简单、制作成本低等优点。
Description
技术领域
本发明属于工程检测技术中的转速测量领域，特别涉及使用交流测速电机对旋转机械进行转速测量的一种电隔离准数字化接口电路。
背景技术
在工程检测技术中，对旋转机械的转速进行测量是一项十分重要的工作，除对维持机械工作转速提供控制和检测依据外，还用于配合旋转机械的振动检测，分析旋转机械发生振动的原因。测量转速的方法大致可分为离心式、感应式、光电式及闪光频率式等几大类。交流测速电机是较早应用的转速测量传感器，它是基于电磁感应原理设计的，与交流同步发电机类似，把转动的机械能转化成交流正弦电信号输出。交流测速电机输出的交流正弦电信号，其频率反应被检测机械的转速，其输出电压同转速成线性关系。一般的检测仪表或信号采集系统，是通过测量交流测速电机输出的电信号电压的幅值，经换算得到旋转机械的实际转速。由于交流测速电机输出的电信号电压的幅值随被测机械转速不同而变化，由于被测机械转速变化大，其输出的电信号电压的幅值量程变化较大，从几伏特到四、五十伏特，因此测量接口电路需要对信号进行分压限幅处理。同时，由于信号是模拟量信号，当需要同计算机设备接口连接时，需要增加A/D转换电路，电路复杂，成本高。另外，模拟量电信号在传输过程中，容易受到干扰，同时由于现场电信号没有同检测电路进行电的隔离，干扰信号容易进入计算机系统，降低了测量的精确度和测量系统工作的可靠性。
现有技术采用频率测量方法测量转速，是通过将交流测速电机输出的交流正弦电的频率信号转换为脉冲信号，再通过计数脉冲数测量待测旋转机械的转速。频率信号容易转换成脉冲信号，脉冲信号也很容易通过光耦合集成电路实现电的隔离，再送到采集系统，转速的测量精度和测量可靠性都比较高。但光耦合集成电路对输入信号的幅值有一定的要求，如果输入信号幅值太高，超出了电路的设计要求，光耦合集成电路输入电流太大，将烧毁光耦合集成电路；反之，当输入信号幅值太低，光耦合集成电路输入端产生不了足够大的电流，光耦合集成电路的输出端没有信号输出。如前述，交流测速电机输出的信号电压的幅值随转速不同，输出的信号电压的幅值变化较大，将这种信号同光耦合集成电路输入匹配，需要设计一套复杂的电路，增加了设计成本，降低了电路工作的可靠性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种结构简单的用于交流测速电机的电隔离准数字式测量接口电路，以降低接口电路的制作成本，同时提高对旋转机械转速检测的精度和工作可靠性。
本发明提供的用于交流测速电机的电隔离准数字式测量接口电路，包括与交流测速电机输出的交流电信号三相中两相连接的全波整流集成电路、直流稳压集成电路、光耦合集成电路、施密特触发整形集成电路和分频集成电路，所述全波整流集成电路，将交流测速电机输出的交流电信号整流为正弦波绝对值波形的直流电信号，其输出端经电阻R1、R2分压后与直流稳压集成电路连接；所述直流稳压集成电路，用于将全波整流集成电路输出的随交流测速电机转速变化而幅值变化的正弦波绝对值波形直流电信号，处理为幅值稳定、频率随电路实际输入信号成正比变化的不规整的方波信号，其输出端经限流电阻R3与光耦合集成电路输入端连接；所述光耦合集成电路输出端通过分压电阻R4与施密特触发整形集成电路连接，将现场信号与信号采集系统电量隔离；所述施密特触发整形集成电路，将由光耦合集成电路输出端输出的不规整方波信号整形为规整的方波信号，其输出端与分频集成电路连接；所述分频集成电路，将施密特触发整形集成电路输出端输出的规整方波信号分频，使信号的频率与被测量信号频率相等，其输出端与测量系统信号采集端连接，输出规整的频率随被测机械转速成正比的方波信号，由测量系统测出被测机械的转速。
本发明的进一步技术方案，当被测机械的转速大于3000转/分时，为配合减速机输出转速的测量，上述测量接口电路最好设计有倍频电路，所述倍频电路的输入端与分频集成电路的输出端连接，其输出端与测量系统信号采集端连接，输出频率倍增的随测试转速成正比的方波信号。所述倍频电路可设计成由与分频集成电路输出端连接的锁相环集成电路、第一计数集成电路和第二计数集成电路构成，所述锁相环集成电路将分频集成电路输出的方波信号频率成倍增加，与锁相环集成电路连接的第一计数集成电路和第二计数集成电路连接成倍频系数电路，向锁相环集成电路输出倍频系数。
本发明的上述技术方案，可进一步采取以下技术措施：
在本发明的上述技术方案中，所述光耦合集成电路可由二极管和光敏三极管构成。
在本发明的上述技术方案中，所述直流稳压集成电路的输入电压幅值至少高于标准输出电压2V。所述标准输出电压是指直流稳压集成电路的输出标准电压。
在本发明的上述技术方案中，所述第一计数集成电路和第二计数集成电路均为可预置1/N计数器的集成电路。
本发明提供的用于交流测速电机的电隔离准数字式测量接口电路的原理图如图1所示。电路原理说明如下：
交流测速发电机输入轴同待测转速旋转机械的测量轴相联，按照电磁感应原理，其定子输出三相交流正弦波电信号，电信号的频率同旋转机械的转速成正比。将三相交流正弦波信号的两相信号经全波整流电路接入直流稳压集成电路。直流稳压集成电路是广泛使用的电子器件，价格非常低廉，主要用于直流稳压电源的设计，如78××系列、79××系列等。直流稳压集成电路输出电压的等级已经标准化，如DC+5V、+8V、+12V、-5V、-8V、-12V等。在直流稳压集成电路的使用中，一般要求集成稳压集成电路的输入电压至少高于标准输出电压2V，而最高输入电压可达40V。直流稳压集成电路具有这样的特性，在直流稳压集成电路的输入端输入相对不稳定的直流电压，可以在其输出端输出稳定的直流电压。直流稳压集成电路这一工作特性，正好与交流测速电机输出的电信号幅值随转速变化而变化的特性相匹配。将直流稳压集成电路应用于交流测速电机电隔离准数字式测量接口电路，正是本发明的巧妙和创新之处。交流测速电机的输出信号经全波整流集成电路整流后，变成全波正弦绝对值信号，当被测旋转机械转速达到一定值后，该电信号的幅值超过直流稳压集成电路要求的输入电压幅值后，在其输出端输出幅值稳定的直流信号电压；而当输入电信号电压的幅值下降后，直流稳压集成电路的输出端无信号输出。因此，随着输入信号的频率和幅值的变化，在直流稳压器的输出端就可得到频率变化、占宽比变化、而幅值不变的方波信号（注意此时方波信号的频率是实际信号频率的两倍）。该方波信号通过光耦合集成电路后，就将现场电压信号和测量系统实现了电的隔离。再将该信号进行整形和两分频，就得到了与实际信号相同频率的方波信号。测量系统通过测量方波信号的频率，就可得到被测旋转机械的转速。计算机测量系统很容易测量出方波信号的频率，因此这种信号也称为准数字式。
交流测速电机的工作转速一般在3000转/分以下，当旋转机械的工作转速大于3000转/分时，不能直接将交流同步测速电机与工作机械相联，一般采用减速装置将待测旋转机械的转速降到其工作范围内，这样将降低转速测量的分辨率。为了克服这种缺陷，本发明的接口电路通过在整形电路之后增加倍频电路，补偿减速装置降低的测量分辨率，而由于倍频电路的倍频系数可以设计的较大，反而增加了测量的分辨率，如图2所示。
本发明提供的用于交流测速电机的电隔离准数字式测量接口电路具有以下十分突出技术效果：
1、本发明巧妙地将直流稳压集成电路应用到交流测速电机电隔离准数字式测量接口电路，本发明的接口电路可通过测量交流测速电机输出的电信号的频率来测量被测机械的转速，较之现有技术的频率测量方法，本发明的接口电路非常简单，电路制作成本非常低廉。
2、本发明的接口电路，由于采用了光耦合集成电路进行电路隔离，同时采用了方波整形和倍频电路，不仅提高了测量的准确性，而且提高了测量的抗干扰性、可靠性和分辨率。
附图说明
图1是本发明所述用于交流测速电机的电隔离准数字式测量接口电路原理图；
图2是可与图1中分频集成电路输出端连接的倍频集成电路的原理图；
图3是图1电路原理图中各点波形示意图。
TD-交流测速电机；U1-全波整流集成电路；U2-直流稳压集成电路；U3-光耦合集成电路；U4-施密特触发整形集成电路；U5-分频集成电路；U6-锁相环集成电路；U7-第一计数集成电路；U8-第二计数集成电路。（1）-交流测速电机输出端点；（2）-直流稳压集成电路输入端点；（3）-光耦合集成电路输入端点；（4）-施密特触发整形集成电路输出端点；（5）-分频集成电路输出端点；（6）-锁相环集成电路输出端点。
具体实施方式
下面结合附图说明给出本发明的实施例，并通过实施例对本发明作进一步的说明，以便于人们更加容易地理解本发明。但需要特别指出的是，本发明的具体实施方式不限于下面实施例所描述的形式，所属领域的技术人员在不付出创造性劳动的情况下，还可很容易地设计出其他的具体实施方式，因此不应将下面给出的具体实施方式的实施例理解为本发明的保护范围，将本发明的保护范围限制在所给出的实施例。
实施利用1
本实施例的用于交流测速电机的电隔离准数字式测量接口电路，其结构如图1所示，交流测速电机TD的定子线圈输出三相交流电信号[（1）点]，交流测速电机定子线圈接成星形，将定子线圈的两相输出接入全波整流集成电路U1。U1输出的电信号为正弦波绝对值波形，该电信号经电阻R1、R2分压后送入直流稳压集成电路U2的输入端Vin，该电信号的幅值和频率随测量的转速成正比变化（其频率是实际信号的两倍）。电信号[(2)点]通过直流稳压集成电路U2（LM7805）后，在U2的输出端Vout得到幅值稳定的、频率随实际信号成正比变化的不太规整的方波信号[（3）点]。该方波电信号经过限流电阻R3输入到光耦合集成电路U3后，在其输出端就得到测量转速的方波电信号，实现了现场电信号与信号采集系统电量的隔离。对不太规整的方波电信号用由集成块U4（NE555）组成的施密特触发整形集成电路进行整形，电信号从管脚2输入，从管脚3输出电信号[（4）点]。再输入到集成分频电路U5（74LS74）输入端管脚CLK进行两分频，由U5的输出端Q输出规整的频率随测试转速成正比的方波电信号[（5）点]，该电信号的电平是标准的TTL信号电平，可以直接与计算机测量系统接口连接，测出待测旋转机械的转速。
实施例2
本实施例的用于交流测速电机的电隔离准数字式测量接口电路，为用于测量转速在10000转/分以上的航空发动机转速的接口电路，其结构与实施例1不同的地方是，先将航空发动机的转速通过机械减速器降到交流测速电机适用的转速范围（3000转/分以下），之后将交流测速电机TD与减速器的输出轴连接，再将实施例1中的分频集成电路U5（74LS74）输出端Q与附图2中的倍频电路输入端连接。所述倍频电路（如图2所示）由与分频集成电路U5（74LS74）输出端Q连接的锁相环集成电路U6（CD4046）、第一计数集成电路U7（CD4018）和第二计数集成电路U8（CD4018）构成。由图1输出的方波信号输入到U6的输入管脚14，U7、U8接成倍频系数为60倍。U6的输出管脚4输出已倍频60倍的信号[（6）点]送到计算机的数据采集系统或者脉冲输入的测量仪表，测出待测旋转机械的转速。
Claims (10)
1.一种用于交流测速电机的电隔离准数字式测量接口电路，其特征在于包括与交流测速电机（TD）输出的交流电信号三相中两相连接的全波整流集成电路（U1）、直流稳压集成电路（U2）、光耦合集成电路（U3）、施密特触发整形集成电路（U4）和分频集成电路（U5），所述全波整流集成电路，将交流测速电机输出的交流电信号整流为正弦波绝对值波形的直流电信号，其输出端经电阻R1、R2分压后与直流稳压集成电路连接；所述直流稳压集成电路，用于将全波整流集成电路输出的随交流测速电机转速变化而幅值变化的正弦波绝对值波形直流电信号，处理为幅值稳定、频率随电路实际输入信号成正比变化的不规整的方波信号，其输出端经限流电阻R3与光耦合集成电路输入端连接；所述光耦合集成电路输出端通过分压电阻R4与施密特触发整形集成电路连接，将现场信号与信号采集系统电量隔离；所述施密特触发整形集成电路，将由光耦合集成电路输出端输出的不规整方波信号整形为规整的方波信号，其输出端与分频集成电路连接；所述分频集成电路，将施密特触发整形集成电路输出端输出的规整方波信号分频，使信号的频率与被测量信号频率相等，其输出端与测量系统信号采集端连接，输出规整的频率随被测机械转速成正比的方波信号，由测量系统测出被测机械的转速。
2.根据权利要求1所述的用于交流测速电机的电隔离准数字式测量接口电路，其特征在于当被测机械的转速大于3000转/分时，测量接口电路设计有倍频电路，所述倍频电路的输入端与分频集成电路（U5）的输出端连接，其输出端与测量系统信号采集端连接输出频率倍增的随被测机械转速成正比的方波信号。
3.根据权利要求2所述的用于交流测速电机的电隔离准数字式测量接口电路，其特征在于所述倍频电路由与分频集成电路（U5）输出端连接的锁相环集成电路（U6）、第一计数集成电路（U7）和第二计数集成电路（U8）构成，所述锁相环集成电路将分频集成电路输出的方波信号频率成倍增加，与锁相环集成电路连接的第一计数集成电路和第二计数集成电路组成倍频系数电路，向锁相环集成电路输出倍频系数。
4.根据权利要求1或2或3所述的用于交流测速电机的电隔离准数字式测量接口电路，其特征在于所述光耦合集成电路由发光二极管和光敏三极管构成。
5.根据权利要求1或2或3所述的用于交流测速电机的电隔离准数字式测量接口电路，其特征在于所述直流稳压集成电路（U2）的输入电压至少高于标准输出电压2V。
6.根据权利要求4所述的用于交流测速电机的电隔离准数字式测量接口电路，其特征在于所述直流稳压集成电路（U2）的输入电压至少高于标准输出电压2V。
7.根据权利要求1或2或3所述的用于交流测速电机的电隔离准数字式测量接口电路，其特征在于所述第一计数集成电路和第二计数集成电路均为可预置1/N计数器的集成电路。
8.根据权利要求4所述的用于交流测速电机的电隔离准数字式测量接口电路，其特征在于所述第一计数集成电路和第二计数集成电路均为可预置1/N计数器的集成电路。
9.根据权利要求5所述的用于交流测速电机的电隔离准数字式测量接口电路，其特征在于所述第一计数集成电路和第二计数集成电路均为可预置1/N计数器的集成电路。
10.根据权利要求6所述的用于交流测速电机的电隔离准数字式测量接口电路，其特征在于所述第一计数集成电路和第二计数集成电路均为可预置1/N计数器的集成电路。
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