CN219087115U - 一种多通道转速传感器的输出信号调理装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于测量控制领域，针对现有转速校准装置校准转速传感器时存在工作效率低、测量范围小和易引入读数误差等缺点，提出一种多通道转速传感器的输出信号调理装置，将四种不同的转速传感器输出信号转换为标准TTL电平。该装置运用放大、滤波、隔离和迟滞比较等电路结构，组成多通道信号调理电路，对不同转速传感器的输出信号进行归一化处理。运用放大电路解决敏感元件输出信号弱的问题，同时与敏感元件的阻抗匹配，改善输出特性。运用滤波电路提高信噪比。运用隔离电路切断电路中噪声干扰的路径。设计迟滞比较电路，将上述各电路处理后的信号转换为标准TTL电平作为最终输出结果。该装置的计量性能满足工业要求，且具有良好的适用性和可靠性。

Description

一种多通道转速传感器的输出信号调理装置

技术领域

本实用新型涉及测量控制领域，具体涉及一种多通道转速传感器的输出信号调理装置。

背景技术

转速是描述转动的一个重要力学参数，转动部件的许多特性参数都是基于转速的相关函数关系进行确定的。转速传感器是一种将测量到的旋转物体的转速转换为电量输出的间接式测量装置，在许多应用场景中，都将传感器的输出信号作为后续控制系统中所需要的重要信息。一般转速的稳态测量可以通过测频法和测周法来实现。根据测量的转速（或频率）范围，本装置的测量原理采用测周法，即将转速传感器取来的方波（上升沿）信号作为闸门信号，测量脉冲信号的周期。理论上讲，一般的磁电式转速传感器输出信号是周期的脉冲信号。但在实际中，传感器所输出的信号并非理想的周期脉冲，它的波形有点和正弦波相似。这对于许多电子控制的应用场景来说是不能接受的。另外，针对实际应用场景中存在的噪音等干扰，应在测量及信号转换过程中做到尽可能地减小噪音等误差，提高信噪比。基于上述原因，信号调理电路的出现是必要的。

转速传感器的种类繁多、应用极广。在电力行业中，常见的有霍尔效应式、磁阻式、光电式、电涡流式等。这是因为在自动控制系统和自动化仪表中各种电机被大量使用，在诸多场合下对低速(如每小时一转以下)、高速(如每分钟数十万转)、稳速(如误差仅为万分之几)和电机瞬时速度的精确测量有严格的要求。电机输出的转速信号被相应的接收装置所接收，因此，传感器的稳定性就会对自动控制系统起到直接的影响，因为它会影响到发动机的工作水平，人们也将自控技术的性能与传感器的性能直接挂钩。尤其是近年来，信息化水平越来越高，使得转速传感器的应用也得到了广泛的推广。现今，转速传感器正向着智能化和集成化的目标发展。

对于被测非电量变换为电路参数的无源型传感器(如电阻式、电感式、电容式等)，需要先进行激励，通过不同的转换电路把电路参数转换成电流或电压信号，然后再经过放大输出；对于直接把非电量变换为电学量（电流或电动热）的有源型传感器（如磁电式、热电式等），需要进行放大处理。

传感器的输出有各种形式，例如直/交流电压、直/交流电流、电阻值、振动频率的变化等，这些输出形式的传感器信号须进行处理以得到所希望的信号输出。另一方面，传感器的输出几乎都是模拟信号，这就想要获得实际所需的信号类型，必须具有对信号进行转换和处理，也就是所谓的信号调理电路，数字量输入通道中的信号调理主要包括消抖、滤波、保护、电平转换、隔离等。信号调理将数据采集设备转换成一套完整的数据采集系统，这是通过广泛的传感器和信号类型来实现的。关键的信号调理技术可以将数据采集系统的总体性能和精度提高10倍。信号调理简单的说就是将待测信号通过放大、滤波等操作转换成采集设备能够识别的标准信号。因此，在获得传感器输出信号之后必须进行调理。其具有微弱信号放大、滤波、零点校正、线性化处理、温度补偿、误差修正、量程切换等信号处理功能。

现有的转速传感器校准装置具有测量通道数量少、输出信号调理类型有限、工作效率低、测量范围小和易引入读数误差等缺点。

实用新型内容

本实用新型针对现有技术中的不足，提供一种多通道转速传感器的输出信号调理装置，能够同时接收不同情境中旋转体通过四路转速传感器的任一传感器输出的转速信号，经信号调理转换产生方波信号。

为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种多通道转速传感器的输出信号调理装置，所述装置包括电涡流式转速传感器信号调理电路、磁阻式转速传感器信号调理电路、光电/霍尔式转速传感器信号调理电路和至少四路光电耦合电路；所述电涡流式转速传感器信号调理电路接收电涡流式转速传感器输出的第一转速信号，并输出第一脉冲信号至光电耦合电路，所述磁阻式转速传感器信号调理电路接收磁阻式转速传感器输出的第二转速信号，并输出第二脉冲信号至光电耦合电路，所述光电/霍尔式转速传感器信号调理电路接收光电/霍尔式转速传感器输出的第三转速信号，并输出第三脉冲信号至光电耦合电路；所述光电耦合电路输出标准TTL信号。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

进一步地，所述电涡流式转速传感器信号调理电路包括第一π形滤波电路、隔直电路、第一放大电路、第一比较器、二极管整流电路和第一跟随器；所述第一π形滤波电路滤除电涡流式转速传感器输出的第一转速信号中的噪声，并将滤波后的信号输入隔直电路；所述隔直电路隔离滤波后的信号中的直流成分，并将隔离直流后的信号输入第一放大电路；所述第一放大电路将隔离直流后的信号放大后输入第一比较器；所述第一比较器将放大后的信号与标准电压比较，并输出比较后的信号至二极管整流电路；所述二极管整流电路将比较后的信号转换成直流信号，并将直流信号输入第一跟随器；所述第一跟随器将第一脉冲信号等幅输出至光电耦合电路。

进一步地，所述磁阻式转速传感器信号调理电路包括第二π形滤波电路、第一分压电路、第二放大电路、第二比较器、整流电路和第二跟随器；所述第二π形滤波电路滤除磁阻式转速传感器输出的第二转速信号中的噪声，并将滤波后的信号输入第一分压电路；所述第一分压电路将滤波后的信号分压后输入第二放大电路，所述第二放大电路将分压后的信号放大并输入第二比较器；所述第二比较器将放大后的信号与标准电压比较，并输出比较后的信号至整流电路，所述整流电路将比较后的信号转换成直流信号，并将直流信号输入第二跟随器；所述第二跟随器将第二脉冲信号等幅输出至光电耦合电路。

进一步地，所述光电/霍尔式转速传感器信号调理电路包括第二分压电路、第三放大电路和第三跟随器；所述第二分压电路将光电/霍尔式转速传感器输出的第三转速信号分压后输入第三放大电路，所述第三放大电路将分压后的信号放大并输入第三跟随器，所述第三跟随器将第三脉冲信号等幅输出至光电耦合电路。

进一步地，所述第二π形滤波电路包括电阻R20、电解电容E12和电解电容E13；

电解电容E12的正极连接磁阻式转速传感器的信号输出端，电解电容E12的负极接地，电阻R20的一端连接电解电容E12的正极，电阻R20的另一端连接电解电容E13的正极，电解电容E13的负极接地，电解电容E13的正极作为第二π形滤波电路的输出端并连接第一分压电路的输入端。

进一步地，所述第一分压电路包括电阻R24和电阻R25，电阻R24的一端连接第二π形滤波电路的输出端，电阻R24的另一端连接电阻R25的一端并作为第一分压电路的输出端，电阻R25的另一端接地。

进一步地，所述第二放大电路包括电阻R21、电阻R26、电阻R29、电容C11、电容C14、电容C17、电解电容E9、电解电容E14和集成运算放大器U6；

电阻R21的一端连接第一分压电路的输出端，电阻R21的另一端连接集成运算放大器U6的反相输入端，电阻R26的一端连接集成运算放大器U6的同相输入端，电阻R26的另一端接地，电阻R29的一端连接集成运算放大器U6的反相输入端，电阻R29的另一端连接集成运算放大器U6的输出端，集成运算放大器U6的输出端作为第二放大电路的输出端；电容C17与电阻R29并联；集成运算放大器U6的正电源端连接+5V电源，集成运算放大器U6的负电源端连接-5V电源；电解电容E9的正极连接集成运算放大器U6的正电源端，电解电容E9的负极接地，电容C11与电解电容E9并联，电解电容E14的负极连接集成运算放大器U6的负电源端，电解电容E14的正极接地，电容C14与电解电容E14并联。

进一步地，所述第二比较器包括电阻R23、电阻R27、电阻R19、可调电阻R30、电容C12、电容C16、电解电容E10、电解电容E16和集成运算放大器U8；所述整流电路包括二极管D1和电阻R22；

电阻R23的一端连接第二放大电路的输出端，电阻R23的另一端连接集成运算放大器U8的反相输入端，可调电阻R30的一个定片引脚连接+5V电源，可调电阻R30的另一个定片引脚连接电阻R27的一端，可调电阻R30的动片引脚连接-5V电源，电阻R27的另一端连接集成运算放大器U8的同相输入端，电阻R19的一端连接集成运算放大器U8的同相输入端，电阻R19的另一端连接集成运算放大器U8的输出端，集成运算放大器U8的正电源端连接+5V电源，集成运算放大器U8的负电源端连接-5V电源，电解电容E10的正极连接集成运算放大器U8的正电源端，电解电容E10的负极接地，电容C12与电解电容E10并联；电阻R22的一端连接集成运算放大器U8的输出端，电阻R22的另一端连接+5V电源，二极管D1的正极接地，二极管D1的负极连接集成运算放大器U8的输出端并作为整流电路的输出端。

进一步地，所述第二跟随器包括集成运算放大器U7、电阻R28、电容C13、电容C15、电解电容E11和电解电容E15；

集成运算放大器U7的同相输入端连接整流电路的输出端，集成运算放大器U7的正电源端连接+5V电源，集成运算放大器U7的负电源端连接-5V电源；电阻R28的一端连接集成运算放大器U7的反相输入端，电阻R28的另一端连接集成运算放大器U7的输出端；电解电容E11的正极连接集成运算放大器U7的正电源端，电解电容E11的负极接地，电容C13与电解电容E11并联；电解电容E15的负极连接集成运算放大器U7的负电源端，电解电容E15的正极接地，电容C15与电解电容E15并联；集成运算放大器U7的输出端作为第二跟随器的输出端。

进一步地，所述光电耦合电路包括电阻R30、电阻R31、电阻R32、电阻R33、发光二极管D2、光敏三极管Q1和三极管Q2；

电阻R30的一端作为光电耦合电路的输入端，接收各转速传感器信号调理电路输出的脉冲信号，电阻R30的另一端连接发光二极管D2的正极，发光二极管D2的负极接地，发光二极管D2与光敏三极管Q1光电耦合，光敏三极管Q1的发射极连接三极管Q2的发射极，电阻R32的一端连接光敏三极管Q1的集电极，电阻R32的另一端连接三极管Q2的基极，电阻R31的一端连接光敏三极管Q1的集电极，电阻R31的另一端连接+5V电源和电阻R33的一端，电阻R33的另一端连接三极管Q2的集电极，三极管Q2的集电极和发射极作为光电耦合电路的输出端输出标准TTL信号。

本实用新型的有益效果是：本多通道转速传感器的输出信号调理装置能够同时接收不同情境中旋转体通过四路转速传感器的任一传感器输出的转速信号，经信号调理转换产生方波信号；与现有的转速传感器校准装置相比，增加了测量通道数量，拓展了传感器的输出信号调理类型，提高了工作效率，扩大了测量范围，减少了读数误差。

附图说明

图1为电涡流式转速传感器信号调理电路设计框图；

图2为磁阻式转速传感器信号调理电路设计框图；

图3为光电/霍尔式转速传感器信号调理电路设计框图；

图4为磁阻式转速传感器信号调理电路原理图；

图5为第二π形滤波电路原理图；

图6为第一分压电路原理图；

图7为第二放大电路原理图；

图8为第二比较器原理图；

图9为整流电路原理图；

图10为第二跟随器原理图；

图11为光电耦合电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本实用新型。

在一实施例中，本实用新型提出了一种多通道转速传感器的输出信号调理装置，该装置提供四路输入和四路输出，分别为电涡流式转速传感器、磁阻式转速传感器、光电式转速传感器和霍尔式转速传感器提供信号调理功能。

本多通道转速传感器的输出信号调理装置包括电涡流式转速传感器信号调理电路、磁阻式转速传感器信号调理电路、光电/霍尔式转速传感器信号调理电路和四路光电耦合电路。

电涡流式转速传感器信号调理电路的设计框图如图1所示，电涡流式转速传感器信号调理电路接收电涡流式转速传感器输出的第一转速信号，并输出第一脉冲信号至光电耦合电路。电涡流式转速传感器信号调理电路包括第一π形滤波电路、隔直电路、第一放大电路、第一比较器、二极管整流电路和第一跟随器；第一π形滤波电路滤除电涡流式转速传感器输出的第一转速信号中的噪声，并将滤波后的信号输入隔直电路；隔直电路隔离滤波后的信号中的直流成分，并将隔离直流后的信号输入第一放大电路；第一放大电路将隔离直流后的信号放大后输入第一比较器；第一比较器将放大后的信号与标准电压比较，并输出比较后的信号至二极管整流电路；二极管整流电路将比较后的信号转换成直流信号，并将直流信号输入第一跟随器；第一跟随器将第一脉冲信号等幅输出至光电耦合电路。

磁阻式转速传感器信号调理电路的设计框图如图2所示，磁阻式转速传感器信号调理电路接收磁阻式转速传感器输出的第二转速信号，并输出第二脉冲信号至光电耦合电路；磁阻式转速传感器信号调理电路包括第二π形滤波电路、第一分压电路、第二放大电路、第二比较器、整流电路和第二跟随器；第二π形滤波电路滤除磁阻式转速传感器输出的第二转速信号中的噪声，并将滤波后的信号输入第一分压电路；第一分压电路将滤波后的信号分压后输入第二放大电路，第二放大电路将分压后的信号放大并输入第二比较器；第二比较器将放大后的信号与标准电压比较，并输出比较后的信号至整流电路，整流电路将比较后的信号转换成直流信号，并将直流信号输入第二跟随器；第二跟随器将第二脉冲信号等幅输出至光电耦合电路。

光电/霍尔式转速传感器信号调理电路的设计框图如图3所示，光电/霍尔式转速传感器信号调理电路接收光电/霍尔式转速传感器输出的第三转速信号，并输出第三脉冲信号至光电耦合电路。

以磁阻式转速传感器信号调理电路为例，磁阻式转速传感器主要由铁芯、永久磁钢和感应线圈等组成。永久磁钢用来产生一定强度的磁场，当测速齿轮转动时，传感器与其齿顶和齿根的距离周期性变化，随之其磁阻也周期性改变，最终导致其磁通量发生周期性增减，从而在线圈中产生交变的感应电动势。磁阻式转速传感器信号调理电路的原理图如图4所示，电解电容E12的正极连接磁阻式转速传感器的信号输出端，第二π形滤波电路滤除磁阻式转速传感器输出的第二转速信号中的噪声，并将滤波后的信号输入第一分压电路；第一分压电路将滤波后的信号分压后输入第二放大电路，第二放大电路将分压后的信号放大并输入第二比较器；第二比较器将放大后的信号与标准电压比较，并输出比较后的信号至整流电路，整流电路将比较后的信号转换成直流信号，并将直流信号输入第二跟随器；第二跟随器中的集成运算放大器U7的输出端作为第二跟随器的输出端，第二跟随器将第二脉冲信号等幅输出至光电耦合电路。

光电耦合电路的原理图如图11所示，基于多通道数据采集的测量要求，出于信号准确度方面的考虑，在多通道调理单元的输出后引入光电隔离环节；隔离的另一个目的是为了避免使数据采集系统受共模电压差异的影响，另外对毫伏级的输入信号，还提供噪声抑制能力。光电隔离兼容TTL电平，频率范围为0~10kHz。

以上仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本实用新型思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理前提下的若干改进和润饰，应视为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种多通道转速传感器的输出信号调理装置，其特征在于：所述装置包括电涡流式转速传感器信号调理电路、磁阻式转速传感器信号调理电路、光电/霍尔式转速传感器信号调理电路和至少四路光电耦合电路；所述电涡流式转速传感器信号调理电路接收电涡流式转速传感器输出的第一转速信号，并输出第一脉冲信号至光电耦合电路，所述磁阻式转速传感器信号调理电路接收磁阻式转速传感器输出的第二转速信号，并输出第二脉冲信号至光电耦合电路，所述光电/霍尔式转速传感器信号调理电路接收光电/霍尔式转速传感器输出的第三转速信号，并输出第三脉冲信号至光电耦合电路；所述光电耦合电路输出标准TTL信号。

2.根据权利要求1所述的多通道转速传感器的输出信号调理装置，其特征在于：所述电涡流式转速传感器信号调理电路包括第一π形滤波电路、隔直电路、第一放大电路、第一比较器、二极管整流电路和第一跟随器；所述第一π形滤波电路滤除电涡流式转速传感器输出的第一转速信号中的噪声，并将滤波后的信号输入隔直电路；所述隔直电路隔离滤波后的信号中的直流成分，并将隔离直流后的信号输入第一放大电路；所述第一放大电路将隔离直流后的信号放大后输入第一比较器；所述第一比较器将放大后的信号与标准电压比较，并输出比较后的信号至二极管整流电路；所述二极管整流电路将比较后的信号转换成直流信号，并将直流信号输入第一跟随器；所述第一跟随器将第一脉冲信号等幅输出至光电耦合电路。

3.根据权利要求1所述的多通道转速传感器的输出信号调理装置，其特征在于：所述磁阻式转速传感器信号调理电路包括第二π形滤波电路、第一分压电路、第二放大电路、第二比较器、整流电路和第二跟随器；所述第二π形滤波电路滤除磁阻式转速传感器输出的第二转速信号中的噪声，并将滤波后的信号输入第一分压电路；所述第一分压电路将滤波后的信号分压后输入第二放大电路，所述第二放大电路将分压后的信号放大并输入第二比较器；所述第二比较器将放大后的信号与标准电压比较，并输出比较后的信号至整流电路，所述整流电路将比较后的信号转换成直流信号，并将直流信号输入第二跟随器；所述第二跟随器将第二脉冲信号等幅输出至光电耦合电路。

4.根据权利要求1所述的多通道转速传感器的输出信号调理装置，其特征在于：所述光电/霍尔式转速传感器信号调理电路包括第二分压电路、第三放大电路和第三跟随器；所述第二分压电路将光电/霍尔式转速传感器输出的第三转速信号分压后输入第三放大电路，所述第三放大电路将分压后的信号放大并输入第三跟随器，所述第三跟随器将第三脉冲信号等幅输出至光电耦合电路。

5.根据权利要求3所述的多通道转速传感器的输出信号调理装置，其特征在于：所述第二π形滤波电路包括电阻R20、电解电容E12和电解电容E13；

电解电容E12的正极连接磁阻式转速传感器的信号输出端，电解电容E12的负极接地，电阻R20的一端连接电解电容E12的正极，电阻R20的另一端连接电解电容E13的正极，电解电容E13的负极接地，电解电容E13的正极作为第二π形滤波电路的输出端并连接第一分压电路的输入端。

6.根据权利要求5所述的多通道转速传感器的输出信号调理装置，其特征在于：所述第一分压电路包括电阻R24和电阻R25，电阻R24的一端连接第二π形滤波电路的输出端，电阻R24的另一端连接电阻R25的一端并作为第一分压电路的输出端，电阻R25的另一端接地。

7.根据权利要求6所述的多通道转速传感器的输出信号调理装置，其特征在于：所述第二放大电路包括电阻R21、电阻R26、电阻R29、电容C11、电容C14、电容C17、电解电容E9、电解电容E14和集成运算放大器U6；

电阻R21的一端连接第一分压电路的输出端，电阻R21的另一端连接集成运算放大器U6的反相输入端，电阻R26的一端连接集成运算放大器U6的同相输入端，电阻R26的另一端接地，电阻R29的一端连接集成运算放大器U6的反相输入端，电阻R29的另一端连接集成运算放大器U6的输出端，集成运算放大器U6的输出端作为第二放大电路的输出端；电容C17与电阻R29并联；集成运算放大器U6的正电源端连接+5V电源，集成运算放大器U6的负电源端连接-5V电源；电解电容E9的正极连接集成运算放大器U6的正电源端，电解电容E9的负极接地，电容C11与电解电容E9并联，电解电容E14的负极连接集成运算放大器U6的负电源端，电解电容E14的正极接地，电容C14与电解电容E14并联。

8.根据权利要求7所述的多通道转速传感器的输出信号调理装置，其特征在于：所述第二比较器包括电阻R23、电阻R27、电阻R19、可调电阻R30、电容C12、电容C16、电解电容E10、电解电容E16和集成运算放大器U8；所述整流电路包括二极管D1和电阻R22；

电阻R23的一端连接第二放大电路的输出端，电阻R23的另一端连接集成运算放大器U8的反相输入端，可调电阻R30的一个定片引脚连接+5V电源，可调电阻R30的另一个定片引脚连接电阻R27的一端，可调电阻R30的动片引脚连接-5V电源，电阻R27的另一端连接集成运算放大器U8的同相输入端，电阻R19的一端连接集成运算放大器U8的同相输入端，电阻R19的另一端连接集成运算放大器U8的输出端，集成运算放大器U8的正电源端连接+5V电源，集成运算放大器U8的负电源端连接-5V电源，电解电容E10的正极连接集成运算放大器U8的正电源端，电解电容E10的负极接地，电容C12与电解电容E10并联；电阻R22的一端连接集成运算放大器U8的输出端，电阻R22的另一端连接+5V电源，二极管D1的正极接地，二极管D1的负极连接集成运算放大器U8的输出端并作为整流电路的输出端。

9.根据权利要求8所述的多通道转速传感器的输出信号调理装置，其特征在于：所述第二跟随器包括集成运算放大器U7、电阻R28、电容C13、电容C15、电解电容E11和电解电容E15；

集成运算放大器U7的同相输入端连接整流电路的输出端，集成运算放大器U7的正电源端连接+5V电源，集成运算放大器U7的负电源端连接-5V电源；电阻R28的一端连接集成运算放大器U7的反相输入端，电阻R28的另一端连接集成运算放大器U7的输出端；电解电容E11的正极连接集成运算放大器U7的正电源端，电解电容E11的负极接地，电容C13与电解电容E11并联；电解电容E15的负极连接集成运算放大器U7的负电源端，电解电容E15的正极接地，电容C15与电解电容E15并联；集成运算放大器U7的输出端作为第二跟随器的输出端。

10.根据权利要求1所述的多通道转速传感器的输出信号调理装置，其特征在于：所述光电耦合电路包括电阻R30、电阻R31、电阻R32、电阻R33、发光二极管D2、光敏三极管Q1和三极管Q2；

电阻R30的一端作为光电耦合电路的输入端，接收各转速传感器信号调理电路输出的脉冲信号，电阻R30的另一端连接发光二极管D2的正极，发光二极管D2的负极接地，发光二极管D2与光敏三极管Q1光电耦合，光敏三极管Q1的发射极连接三极管Q2的发射极，电阻R32的一端连接光敏三极管Q1的集电极，电阻R32的另一端连接三极管Q2的基极，电阻R31的一端连接光敏三极管Q1的集电极，电阻R31的另一端连接+5V电源和电阻R33的一端，电阻R33的另一端连接三极管Q2的集电极，三极管Q2的集电极和发射极作为光电耦合电路的输出端输出标准TTL信号。

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