項目6速度的檢測任務6.1基于霍爾開關傳感器的轉速

儀設計

任務6.2基于對射式光電傳感器的轉

速測量儀設計

任務6.3基于磁電傳感器的轉速測量

儀的設計任務6.1基于霍爾開關傳感器的轉速儀設計◎知識目標理解霍爾效應的基本原理。了解霍爾傳感器在現實生活中的應用情況。熟悉霍爾元件及其在應用中需要考慮的問題。認識幾種典型的集成霍爾傳感器。

◎技能目標能正確選用霍爾傳感器。掌握集成霍爾傳感器典型應用電路的分析、設計和調試方法。任務6.1基于霍爾開關傳感器的轉速儀設計◎素質目標提高獨立工作、進行創造性工作和綜合運用知識的能力。提升解決實際工作問題的綜合素養。任務6.1基于霍爾開關傳感器的轉速儀設計任務導入某天，小明騎著一輛電動自行車在路上，看了一眼儀表盤上顯示當前速度，隨即想到，電動車是怎么測量當前的車速呢？通過查詢相關資料得知，原來電動車的車輪里面安裝一種轉速儀，其中最常用的是利用霍爾開關傳感器做成的轉速儀。那么霍爾轉速儀的結構是什么樣的呢？他的工作原理是什么？任務6.1基于霍爾開關傳感器的轉速儀設計

任務6.1基于霍爾開關傳感器的轉速儀設計圖6-1霍爾效應任務6.1基于霍爾開關傳感器的轉速儀設計（2）霍爾元件根據霍爾效應，人們用半導體材料制成的元件叫霍爾元件。它具有對磁場敏感、結構簡單、體積小、頻率響應寬、輸出電壓變化大和使用壽命長等優點，因此，在測量、自動化、計算機和信息技術等領域得到廣泛的應用。任務6.1基于霍爾開關傳感器的轉速儀設計（3）霍爾傳感器由于霍爾元件產生的電勢差很小，故通常將霍爾元件與放大器電路、溫度補償電路及穩壓電源電路等集成在一個芯片上，稱之為霍爾傳感器。如圖所示，是一種型號霍爾傳感器的外形圖。任務6.1基于霍爾開關傳感器的轉速儀設計2.霍爾傳感器的分類霍爾傳感器分為線性型霍爾傳感器和開關型霍爾傳感器兩種。（1）線性型霍爾傳感器由霍爾元件、線性放大器和射極跟隨器組成，它輸出模擬量。（2）開關型霍爾傳感器由穩壓器、霍爾元件、差分放大器，斯密特觸發器和輸出級組成，它輸出數字量。任務6.1基于霍爾開關傳感器的轉速儀設計3.霍爾傳感器的特性（1）線性型霍爾傳感器的特性輸出電壓與外加磁場強度呈線性關系，如下圖6-3所示，可見，在B1～B2的磁感應強度范圍內有較好的線性度，磁感應強度超出此范圍時則呈現飽和狀態。圖6-3線性型霍爾傳感器的特性曲線任務6.1基于霍爾開關傳感器的轉速儀設計（2）開關型霍爾傳感器的特性如圖6-4所示，其中BOP為工作點“開”的磁感應強度，BRP為釋放點“關”的磁感應強度。圖6-4開關型霍爾傳感器的特性曲線當外加的磁感應強度超過動作點BOP時，傳感器輸出低電平，當磁感應強度降到動作點BOP以下時，傳感器輸出電平不變，一直要降到釋放點BRP時，傳感器才由低電平躍變為高電平。BOP與BRP之間的滯后使開關動作更為可靠。任務6.1基于霍爾開關傳感器的轉速儀設計另外還有一種“鎖鍵型”（或稱“鎖存型”）開關型霍爾傳感器，其特性如圖6-5所示。圖6-5鎖存型開關型霍爾傳感器特性曲線當磁感應強度超過動作點BOP時，傳感器輸出由高電平躍變為低電平，而在外磁場撤消后，其輸出狀態保持不變（即鎖存狀態），必須施加反向磁感應強度達到BRP時，才能使電平產生變化。任務6.1基于霍爾開關傳感器的轉速儀設計

任務實施一、任務分析霍爾傳感器往往用于被測旋轉軸上已經裝有鐵磁材料制造的齒輪，或者在非磁性盤上安裝若干個磁鋼，也可利用齒輪上的缺口或凹陷部分來實現檢測。目前，用于測速的霍爾傳感器主要為霍爾開關集成傳感器及霍爾接近開關。小明要利用霍爾傳感器制作轉速儀，首先要選擇合適的霍爾傳感器，再進行電路設計和制作，最后進行電路的調試。任務6.1基于霍爾開關傳感器的轉速儀設計二、實施過程1.霍爾傳感器選型目前，國內外霍爾開關集成傳感器的型號很多，如國產的SH111～SH113型，其各有A、B、C、D四種類型，其參數如表6-1所示。參數型號截止電源電流/mA導通電源電流/mA輸出低電平/V高電平輸出電流/μA導通磁通/mT截止磁通/mTSH111SH112SH113A≤5≤8≤0.4≤108010B6010C4010D2010表6-1國產霍爾集成開關傳感器的主要參數任務6.1基于霍爾開關傳感器的轉速儀設計

國外產常用型號主要有UGN/UGS系列，其主要參數如表6-2。參數型號導通磁通/mT截止磁通/mT最大值典型值典型值最小值UGN/UGS3019L504230103020L35221653040L2015105表6-2美國產霍爾集成開關傳感器的主要參數任務6.1基于霍爾開關傳感器的轉速儀設計此類傳感器的基本工作原理是當施加于傳感器的磁通小于某一值（如SH111A型為10mT）時，其輸出開關是斷開的；否則，輸出開關為導通。利用其這一特性，在被測轉軸上裝一非磁性轉盤，并在轉盤四周均勻地安裝若干個磁鋼（磁鋼數量越多，每轉一圈產生的脈沖數就越多），每轉一圈可以產生若干個脈沖信號。通過F/V轉換電路，將傳感器輸出的脈沖信號轉換成與之成比例的模擬電壓，即可推動指針式儀表進行指示轉速。任務6.1基于霍爾開關傳感器的轉速儀設計2.轉速儀電路設計霍爾轉速計主要由裝有永久磁鐵的轉盤、霍爾開關集成傳感器、F/V電路、表頭及電源幾部分組成，其具體電路如圖6-6所示。任務6.1基于霍爾開關傳感器的轉速儀設計其中電源部分沒有給出。圖中IC1為霍爾集成開關傳感器SH113D，被測轉軸每轉一圈產生1個脈沖信號。LM2917為F/V專用轉換芯片，配合外圍電路構成頻率/電壓轉換電路。被測信號經過電位器RP1接入LM2917的1腳，調節RP1可以改變輸入頻率信號的幅度。12V電源經過R2、二極管VD1分壓后，向芯片內部比較器反相輸入端提供0.6V的參考電壓（即輸入信號的幅度必須大于0.6V）。R4是輸出電壓的負載電阻，其取值范圍是4.3K～10K。0～10V電壓表接在R2兩端，用來指示被測頻率值（轉速）。該電路的輸出電壓為：

任務6.1基于霍爾開關傳感器的轉速儀設計由式6-2可知，在Vcc、RP2、C1一定的情況下，則輸出電壓Uo只與f成正比，f改變則Uo也改變，根據Uo的值即可知道f的大小。電路中，若電源電壓取12V，當傳感器輸出信號頻率為166.6HZ（即轉速為最大值9999轉/分，測量儀的最大測速）時，表頭應指示在最大值10V處，根據式6-2可得RP2·C1=50ms，若C1取0.02μF，則RP2的值為250K，為了增加調節范圍，RP2取300K。這樣，輸出電壓在一定范圍內可調，理論上輸出電壓最高可達12V。任務6.1基于霍爾開關傳感器的轉速儀設計3．電路制作（1）應用EDA軟件(如ProtelDXP2004)畫出原理圖；（2）用仿真軟件（如Proteus），驗證電路功能；（3）元件布局和布線，完成PCB設計；（4）將PCB圖紙，送去PCB加工廠制作成電路板；（5）根據電路原理圖，導出元器件清單（BOM），并依此采購元器件；（6）元件的安裝與焊接；（7）霍爾開關集成傳感器的安裝。任務6.1基于霍爾開關傳感器的轉速儀設計應用霍爾開關傳感器測量轉速，安裝的位置與被測物距離視安裝方式而定，一般為幾到十幾毫米。圖6-7（a）為在一圓盤上安裝一磁鋼，霍爾傳感器則安裝在圓盤旋轉時磁鋼經過的地方。圓盤上磁鋼的數目可以為1、2、4、8個等，均勻地分布在圓盤的一面。圖6-7（b）適用于原轉軸上已經有磁性齒輪的場合，此時，工作磁鋼固定在霍爾傳感器的背面（外殼上沒有打標志的一面），當齒輪的齒頂經過傳感器時，有多的磁力線穿過傳感器，霍爾集成開關傳感器輸出導通；而當齒谷經過霍爾開關傳感器時，穿過傳感器的磁力線較少，傳感器輸出截止，即每個齒經過傳感器時則產生一個脈沖信號。任務6.1基于霍爾開關傳感器的轉速儀設計a）b）霍爾開關傳感器圖6-7霍爾傳感器安裝示意圖任務6.1基于霍爾開關傳感器的轉速儀設計4．電路調試電路調試主要有兩個內容，一是對分度進行標定；二是調節輸入IC2的信號幅度。1）分度標定可以進行現場調試，也可進行通過模擬裝置進行。為了調試及教學方便，可以用信號發生器提供脈沖信號，模擬傳感器輸出信號。方法是將信號發生器輸出電纜接到RP1上端，調節頻率調節旋鈕使輸出信號頻率為166.6HZ，調節RP2，使電壓表指示為10V即可。任務6.1基于霍爾開關傳感器的轉速儀設計2）信號幅度調節調節前首先安裝好傳感器，將霍爾開關集成傳感器的三根線與電路對應端相連，啟動機器，正常的話，電壓表應指示轉速。不能指示轉速或不準確，則可調節RP1加大輸入IC2的信號幅度，使電壓表指示穩定即可。任務6.1基于霍爾開關傳感器的轉速

儀設計

任務6.2基于對射式光電傳感器的轉

速測量儀設計

任務6.3基于磁電傳感器的轉速測量

儀的設計任務6.2基于對射式光電傳感器的轉速測量儀設計◎知識目標理解光電效應，包括外光電效應和內光電效應。熟悉不同光電效應對應的光電器件及應用場合。掌握光電傳感器的基本應用電路。熟悉光電傳感器在現實生活中的典型應用。◎技能目標能正確地選用和安裝光電傳感器。學會光電傳感器典型電路的設計、分析、制作及調試。◎素質目標提高分析問題、解決問題的能力和溝通的能力。養成認真、負責、嚴謹、專注的態度。樹立創新精神及團隊協作精神。任務6.2基于對射式光電傳感器的轉速測量儀設計任務6.2基于對射式光電傳感器的轉速測量儀設計

任務導入小明利用霍爾傳感器做出轉速儀后，很有成就感。于是經常嘗試將自己的作品應用與各種場合。某一天，他發現霍爾轉速儀在環境磁場較強的場合下，容易受到干擾而失靈。那怎么辦呢？經過百度，他知道了光電傳感器可以解決這一問題。于是他決定利用光電對射傳感器設計的一個簡易的轉速計。那么什么是光電傳感器呢？光電傳感器又怎么實現測速呢？任務6.2基于對射式光電傳感器的轉速測量儀設計

相關知識

6.2.1光電效應及對應典型器件

用光照射某一物體時，可以看作物體受到一連串能量為妙的光子的轟擊，組成該物體的材料吸收光子能量而發生相應電效應的物理現象稱為光電效應。將被測物理量通過光量的變化轉換為電量變化，它的工作基礎就是光電效應。光電效應可以分為外光電效應和內光電效應，其中內光電效應可以分為光電導效應和光生伏特效應。任務6.2基于對射式光電傳感器的轉速測量儀設計1.外光電效應及對應器件在光線的作用下能使電子逸出物體表面，在回路中形成光電流的現象稱為外光電效應。基于外光電效應的光電元件有光電管、光電倍增管、紫外光電管、光電攝像管等。光電管如圖6-10所示，在真空玻璃管內裝入兩個電極-光電陰極與光電陽極，光電管的陰極受到適當的光線照射后發射電子，這些電子在電壓作用下被陽極吸引，形成光電流。任務6.2基于對射式光電傳感器的轉速測量儀設計

（a）光電管外形（b）外光電效應示意1－陽極a2－陰極k3－石英玻璃外殼4－抽氣管蒂5－陽極引腳6－陰極引腳7－金屬表面8－光子9－光致發射電子圖6-10光電管任務6.2基于對射式光電傳感器的轉速測量儀設計光電倍增管如圖6-11所示，它是外光電效應的典型元器件之一。它的結構就是在一個玻璃泡內除裝有光電陰極和光電陽極外，還有若干個光電倍增極，倍增極上涂有在電子轟擊下能發射更多電子的材料，前一級倍增極反射的電子恰好轟擊后一級倍增極，在每個倍增極間依次增大加速電壓。它的靈敏度比上述光電管高出幾萬倍以上，在星光下就可以產生可觀的電流，光通量在10-14～10-6lm（流明）的很大變化區間里，其輸出電流均能保持線性。任務6.2基于對射式光電傳感器的轉速測量儀設計（a）光電倍增管外形

（b）光電倍增管結構圖6-11光電倍增管示意圖任務6.2基于對射式光電傳感器的轉速測量儀設計紫外光電管的常見外形如圖6-12所示，它的玻殼用對紫外線透光率較好的石英材料制造。當入射紫外線照射在紫外光電管陰極板上時，電子克服金屬表面對它的束縛而逸出金屬表面，形成電子發射。紫外光電管多用于紫外線測量、火焰監測等。可見光較難引起光電子的發射。火焰的輻射光中包含了較大比例的紫外光，有別于燈光，以及純粹的高溫紅外輻射。任務6.2基于對射式光電傳感器的轉速測量儀設計2.內光電效應及對應器件（1）光電導效應及對應器件光電導效應是指在一定波長光照作用下，物體導電性能發生改變的現象。光電導效應產生的自由電子停留在物體內部，不發生電子逸出，實質上是當入射光照到半導體表面時,半導體吸入入射光子的能量，通過本征半導體激發產生電子-空穴對，使載流子濃度增加，從而使半導體的電導率增大。任務6.2基于對射式光電傳感器的轉速測量儀設計光敏電阻是基于光電導效應的，它是純電阻元件，其阻值隨光照增強而減小。按光譜特性及其工作波長，光敏電阻可分為紫外光、紅外光和可見光光敏電阻。光敏電阻具有靈敏度高、體積小、重量輕、光譜響應范圍寬、機械強度高、耐沖擊和振動、壽命長等優點。制作光敏電阻的材料有硫化鎘、硫化鉛、硒化錮、硒化鎘、硒化鉛等。光敏電阻的主要特點是無極性。任務6.2基于對射式光電傳感器的轉速測量儀設計常用的光敏電阻Cds內部構造和常見外形分別如圖6-13和圖6-14所示。圖6-13光敏電阻Cds的結構任務6.2基于對射式光電傳感器的轉速測量儀設計光敏電阻的結構：管芯是一塊安裝在絕緣襯底上帶有兩個歐姆接觸電極的光電半導體，一般都做成薄層。為了獲得高的靈敏度，電極一般釆用梳狀圖案。圖6-14Cds的常見外形任務6.2基于對射式光電傳感器的轉速測量儀設計（2）光生伏特效應及對應器件光生伏特效應是指在光線作用下，能使物體產生一定方向的電動勢的現象。如圖6-15所示。當用適當波長的陽光照射PN結時候，產生光生電子-光生空穴對，由于內建電場作用（不外加電場），光生電子被拉向N區，光生空穴被拉向P區，結果在N存儲過剩的電子，P區存儲過剩的空穴。他們在PN結附近形成與內建電場方向相反的光生電場。當光生電場除了抵消內建電場以外，還使P區帶正點，N區帶負電，在N區和P區之間就會形成一個光生電動勢，這種現象就叫光生伏特伏特效應。任務6.2基于對射式光電傳感器的轉速測量儀設計圖6-15光生伏特效應示意圖任務6.2基于對射式光電傳感器的轉速測量儀設計利用光生伏特效應工作的光敏器件主要包括光電池、光敏二極管和光敏三極管。光電池包括硅光電池、硒光電池、碑化鐐光電池等。1）硅光電池硅光電池又稱為太陽能電池。硅光電池結構如圖6-16所示。在圖6-16中，N型硅片上用擴散的方式摻入一些P型雜質（如硼）形成一個大面積的PN結，當入射光照射到P型表面時，光生電子在PN結電場作用下被拉向N區，光生空穴被拉向P區，從而形成光生電動勢。圖6-16硅光電池結構圖任務6.2基于對射式光電傳感器的轉速測量儀設計光電池的光電特性如圖6-17所示，其中開路電壓為對數特性，短路電流為線性特性。此時，如果將外電路短路，則外電路中就有與入射光能成正比的電流流過，這個電流稱作短路電流。另一方面，若將PN結兩端開路，則由于電子和空穴分別流入N區和P區，使兩個區之間形成電位差Voc，稱為開路電壓。6-17一個典型的硅光電池的光電特性任務6.2基于對射式光電傳感器的轉速測量儀設計2）光敏二極管將光敏二極管的PN結設置在透明管殼頂部的正下方，光照射到光敏二極管的PN結時，電子-空穴對數量增加，光電流與照度成正比。紅外發射、接收對管外形如圖6-18所示。任務6.2基于對射式光電傳感器的轉速測量儀設計PIN光敏二極管是在P區和N區之間插入一層電阻率很大的I層，從而減小了PN結的電容，提高了工作頻率，其外形如圖6-19所示。任務6.2基于對射式光電傳感器的轉速測量儀設計PIN光敏二極管的工作電壓（反向偏置電壓）高，光電轉換效率高，暗電流小，其靈敏度比普通的光敏二極管高得多，響應頻率可達數十兆赫茲，可用作各種數字與模擬光纖傳輸系統、各種家電遙控器的接收管（紅外波段）、UHF頻帶小信號開關、中波頻帶到1000MHz之間電流控制、可變衰減器、各種通信設備收發天線的高頻功率開關切換和RF領域的高速開關等。特殊結構的PIN二極管還可用于測量紫外線等。任務6.2基于對射式光電傳感器的轉速測量儀設計APD光敏二極管(雪崩光敏二極管)是一種具有內部倍增放大作用的光敏二極管,靈敏度比PIN大幾百倍。其外形如圖所示：任務6.2基于對射式光電傳感器的轉速測量儀設計當有一個光子從外部射入到其PN結上時,將產生一個電子空穴對。由于PN結上施加了較高的工作電壓(約100V),接近于反向擊穿電壓。PN結中的電場強度可達104V/mm數量級，因此能將光子所產生的光電子加速到具有很高的動能,撞擊其他原子,產生新的電子空穴對,如此多次碰撞,以致最終造成載流子按幾何級數劇增的“雪崩”效應,形成對原始光電流的放大作用,增益可達幾千倍,而雪崩產生和恢復所需的時間可小于10ns。任務6.2基于對射式光電傳感器的轉速測量儀設計APD光敏二極管具有高響應度、高信噪比、高響應速度等特點，可廣泛應用于微光信號檢測、長距離光纖通信、激光測距、激光制導等光電信息傳輸和光電對抗系統，可以取代光電倍增管。它的主要缺點：噪聲大。若有用光電信號只有幾個毫微瓦(nW),就會被噪聲淹沒。任務6.2基于對射式光電傳感器的轉速測量儀設計GD3250系列硅雪崩光敏二極管是市面上常用的一種APD光敏二極管，它的特性參數見表6-3。參數單位GD3250-AGD3250-BGD3250-C光電面直徑mm0.20.50.8工作電壓V100?150100?150150—250暗電流nAW15W25W35響應度V/w606060上升時間nsW1W3W4噪聲等效功率Pw/(Hz%)0.050.070.09結電容pFW1W1.5W2使用溫度范圍°C-20?+40-20?+40-20?+40封裝形式

TO型、光纖型TO型TO型任務6.2基于對射式光電傳感器的轉速測量儀設計光敏二極管應用時需要注意以下幾點：①硅光敏二極管的溫度系數為-2mV/°C（約為-0.3%/°C）,它約為短路電流溫度系數的10倍以上，因此常用于測量精度不高的場合。②光敏二極管在實際使用時，有暗電流存在，一般來說，GaAsP光敏二極管的漏電流為硅二極管的l/10。③對硅光敏二極管來說，波長大于1100nm的光幾乎不產生電流，也就是說它不吸收波長大于1100nm的光；GaAsP光敏二極管其峰值波長在可見光范圍內，因此，檢測可見光時，不加紫外線截止濾光器，其暗電流小，開路電壓大。任務6.2基于對射式光電傳感器的轉速測量儀設計④光敏二極管的響應特性基本上是由PN結的結電容弓與負載電阻決定的。二極管的反偏壓越大，PN結電容就越小，因此，在高速響應電路中，必須加反偏使用，但暗電流也增大。任務6.2基于對射式光電傳感器的轉速測量儀設計3）光敏三極管光敏三極管(亦稱光電晶體管)有兩個PN結，與普通三極管相似，有電流增益，但靈敏度比光敏二極管高。多數光敏三極管的基極沒有引出線，只有正負(c、e)兩個引腳，所以其外型與光敏二極管相似，從外觀上很難區別。光敏三極管結構、符號和外形分別如圖6-21所示。任務6.2基于對射式光電傳感器的轉速測量儀設計d）（a）管芯結構

（b）

結構簡化圖

（c）光敏晶體管圖形符號（d）外型1－N+襯底2－N型集電區3－透光SiO2保護圈4－集電結JC5－P型基區

6－發射結JE7－N型發射區圖6-21光敏三極管任務6.2基于對射式光電傳感器的轉速測量儀設計6.2.2光電傳感器的工作原理及其常見種類1.光電傳感器的結構及工作原理光電傳感器是通過把光強度的變化轉換成電信號的變化來實現控制的。一般情況下,由三部分構成,分別為:發送器、接收器和檢測電路。發送器對準目標發射光束,發射的光束一般來源于半導體光源,發光二極管(LED)、激光二極管及紅外發射二極管等。光束不間斷地發射,或者改變脈沖寬度。接收器有光電二極管、光電三極管或者光電池組成。在接收器的前面,裝有光學元件如透鏡和光圈等。在其后面是檢測電路,它能濾出有效信號和應用該信號。任務6.2基于對射式光電傳感器的轉速測量儀設計2.光電傳感器的種類（1）漫反射式光電傳感器漫反射光電傳感器是一種集發射器和接收器于一體的傳感器，當有被檢測物體經過時，將光電傳感器發射器發射的足夠量的光線反射到接收器，于是光電傳感器就產生了開關信號，如圖6-22所示。當被檢測物體的表面光亮或其反光率極高時，漫反射式的光電傳感器是首選的檢測模式。任務6.2基于對射式光電傳感器的轉速測量儀設計（2）鏡反射式光電傳感器鏡反射式光電傳感器亦是集發射器與接收器于一體，光電傳感器發射器發出的光線經過反射鏡，反射回接收器，當被檢測物體經過且完全阻斷光線時，光電傳感器就產生了檢測開關信號，如圖6-23所示。

任務6.2基于對射式光電傳感器的轉速測量儀設計（3）對射式光電傳感器對射式光電傳感器包含在結構上相互分離且光軸相對放置的發射器和接收器，發射器發出的光線直接進入接收器。當被檢測物體經過發射器和接收器之間且阻斷光線時，光電傳感器就產生了開關信號，如圖6-24所示。當檢測物體是不透明時，對射式光電傳感器是最可靠的檢測模式。任務6.2基于對射式光電傳感器的轉速測量儀設計（4）槽式光電傳感器

槽式光電傳感器通常是標準的U字型結構，其發射器和接收器分別位于U型槽的兩邊，并形成一光軸，當被檢測物體經過U型槽且阻斷光軸時，光電傳感器就產生了檢測到的開關量信號，如圖6-25所示。槽式光電傳感器比較安全可靠的適合檢測高速變化，分辨透明與半透明物體。任務6.2基于對射式光電傳感器的轉速測量儀設計

任務實施

一、任務分析小明要利用光電對射式傳感器制作轉速儀，首先要選擇合適的光電傳感器型號，再進行電路設計與制作，最后進行電路的調試。任務6.2基于對射式光電傳感器的轉速測量儀設計二、實施過程1.元件的選型采用光電反射式傳感器測量轉速時，只需在轉軸上貼一張反光紙或涂黑的紙即可，如圖6-26a所示。實現起來簡單、方便，每轉一圈產生一個脈沖信號，一般用于便攜式轉速測量儀。實際應用中，通常采用紅光電傳感器，這一類傳感器目前也比較多，如ST602型，其結構、底示圖及內部電路示意圖如圖6-26b所示，其參數表6-4所示。ST602的測量距離為4～10mm。任務6.2基于對射式光電傳感器的轉速測量儀設計任務6.2基于對射式光電傳感器的轉速測量儀設計項

目符號測試條件最小典型最大單位輸入正向壓降VFIF=20mA-1.251.5V反向電流IR

VR=3V--10μA輸出集電極暗電流ICEO

VCE=20V--1μA集電極亮電流IL

VCE=15VIF=8mAL3

0.30--mAL4

0.40--mAL5

0.50--mA飽和壓降VCE

IF=8mAIC=0.5mA--0.4V傳輸

特性響應時間TR

IF=20mAVCE=10VIRC=100Ω-5-μsTF

-5-μs表6-4ST602的光電特性（Ta=25℃）任務6.2基于對射式光電傳感器的轉速測量儀設計采用光電對射（也稱直射或透射）測量轉速時，其測量結構示意圖如圖6-27a所示。它是在轉軸上安裝一個圓盤，圓盤邊緣開若干個孔（比如60個），這樣圓盤每轉一圈即可產生60個脈沖信號。如ST155光電直射傳感器，其結構如圖6-27（b）所示，內部原理示意圖如圖6-27（c）所示。任務6.2基于對射式光電傳感器的轉速測量儀設計任務6.2基于對射式光電傳感器的轉速測量儀設計采用光電傳感器實現轉速測量時，要設計檢測電路及信號處理電路，最終得到標準的脈沖信號（如TTL電平），電路比較復雜，但價格便宜，很容易實現一個測速系統。如圖6-28所示，是一個簡單又實用的光電傳感器檢測電路。VccRL10KUOIC任務6.2基于對射式光電傳感器的轉速測量儀設計2．電路設計光電轉速儀由光電轉盤、光電對射傳感器、閘門、時基信號產生電路及計數與顯示裝置等部分組成，其整機電路原理圖如圖6-29所示。任務6.2基于對射式光電傳感器的轉速測量儀設計任務6.2基于對射式光電傳感器的轉速測量儀設計圖中光電轉盤安裝在被測轉軸上，與被測軸同時轉動。當光被遮住時，由光電傳感器組成的檢測電路輸出為低電平（此時流過電阻R5的電流為暗電流，非常小）；當轉盤上的小孔轉到傳感器時，光電傳感器接收到光信號，輸出為高電平，之后又為低電平；這樣，轉盤上每個小孔經過傳感器時，傳感器輸出一個脈沖信號，每轉一圈就可產生60個脈沖信號。此信號與時基電路產生的時基信號同時被送到閘門U3A輸入端，如果此時時基信號為低電平，則閘門呈關閉狀態，轉速信號無法通過閘門加到計數器輸入端。當時基電路產生的閘門信號為高電平時，打開閘門U3A，此時轉速信號加到計數器輸入端；任務6.2基于對射式光電傳感器的轉速測量儀設計同時，閘門信號也加到由R6、R7、R8、C3、VD2及VD3組成的微分復位電路，在R8上產生的復位脈沖使計數器清零；而且，該閘門信號也使LE端呈寄存狀態，在時基信號為高電平期間（1秒），計數器對轉速信號進行計數。當時基信號變為低電平時，使閘門U3A關閉；該信號使鎖存信號端為低電平，將計數器的計數結果送到寄存器中，并經譯碼器譯碼后、由驅動電路驅動顯示器顯示計數結果（轉速）。當第二個時基信號到來時，又重復上述過程。但在第二次計數期間，寄存器的數據將保持不變，只有當鎖存信號再由高到低變化時，才將新的計數結果送入寄存器，以顯示新的轉速數據。任務6.2基于對射式光電傳感器的轉速測量儀設計時基信號產生電路由NE555電路及外圍元件組成一個多諧振蕩器組成，閘門信號由3腳輸出。RP1用于調節時基信號，使其閘門時間為1秒鐘。計數與顯示裝置由計數器、寄存器、譯碼器、驅動器及顯示器五部分組成，使電路更簡捷，實現直來更方便；可以采用專業模塊，如CL102，也可以采用數字電路來實現，此處不再闡述。系統電源可采用電池供電，也可以采用220V市電經降壓、整流、濾波后由三端穩壓器7805得到5V電壓，電路比較簡單，故此處沒有給出，讀者感興趣可以自己加上去。任務6.2基于對射式光電傳感器的轉速測量儀設計3．電路制作（ 1）應用EDA軟件(如ProtelDXP2004)畫出原理圖；（2）用仿真軟件（如Proteus），驗證電路功能；（3）元件布局和布線，完成PCB設計；（4）將PCB圖紙，送去PCB加工廠制作成電路板；（5）根據電路原理圖，導出元器件清單（BOM），并依此采購元器件；（6）元件的安裝與焊接，其中傳感器可以外接。任務6.2基于對射式光電傳感器的轉速測量儀設計4．電路調試電路制作完成后，即可進行電路調試工作。（1）電源電路調試。如果自己制作電源的話，首先調試電源。首先檢測電源對地電阻，確保無短路現象。接通電源，測量7805的輸出電壓，應為5V左右，否則，應檢查相應電路。（2）時基電路調試。接通電源后，用示波器觀察閘門信號，通過調節RP1使閘門信號的脈寬為1秒。任務6.2基于對射式光電傳感器的轉速測量儀設計（3）傳感器檢測電路的調試。啟動機器，用示波器觀察傳感器的輸出信號，若沒有信號或信號比實際的少，則可能是傳感器安裝位置過低，適當調整傳感器的位置，直到輸出信號正常為止。（4）數碼管顯示調試。啟動機器，此時數碼管顯示的即為被測轉軸的轉速。若數碼管顯示數據不變，則可用示波器檢測送到閘門兩輸入端及輸出端的信號，從而可以判斷故障的范圍，以進行檢修。任務6.2基于對射式光電傳感器的轉速測量儀設計5．傳感器的安裝安裝過程中，應將光電對射傳感器安裝在一塊能固定的電路板上，使轉盤正好位于傳感器的發光二極管和接收管的中間，并使傳感器輸出信號正常之后，固定該電路板。任務6.1基于霍爾開關傳感器的轉速

儀設計

任務6.2基于對射式光電傳感器的轉

速測量儀設計

任務6.3基于磁電傳感器的轉速測量

儀的設計任務6.3基于磁電傳感器的轉速測量儀的設計◎知識目標了解磁電傳感器的結構與特性。掌握磁電傳感器轉速測量電路的原理及應用。◎能力目標能正確選用和安裝磁電傳感器。學會磁電傳感器測量電路的設計、分析、制作及調試。能夠進行程序設計和編程。◎素質目標體驗科技的奇妙。樹立愛崗敬業、精益求精的工匠精神。任務6.3基于磁電傳感器的轉速測量儀的設計

任務導入

有一天，小明做公交車去超市購物。突然想起，汽車的發動機的轉速怎么測呢？不論是霍爾式轉速器還是光電式轉速器，都需要外接電源供電，都不適合在發動機這樣的環境下工作。那有沒有其他方法來測量發動機轉速呢？經過查詢資料，他發現有一種叫著磁電式傳感器也可以用于測速，并且工作時不需要外加電源，輸出功率大，且穩定可靠，被廣泛使用在汽車發動機的轉速測量上。因此他決定制作一個由磁電式傳感器組成的轉速測試儀。任務6.3基于磁電傳感器的轉速測量儀的設計

相關知識

6.3.1磁電傳感器的概念磁電感應式傳感器又稱磁電式傳感器，是利用電磁感應原理將被測量（如振動、位移、轉速等）轉換成電信號的一種傳感器。它不需要輔助電源就能把被測對象的機械量轉換成易于測量的電信號，是有源傳感器。由于它輸出功率大且性能穩定，具有一定的工作帶寬（10～1000Hz），所以得到普遍應用。任務6.3基于磁電傳感器的轉速測量儀的設計

任務6.3基于磁電傳感器的轉速測量儀的設計磁阻式磁電傳感器工作原理如圖6-37a所示，其線圈、磁鐵靜止不動，測量齒輪安裝在被測旋轉體上，隨之一起轉動。任務6.3基于磁電傳感器的轉速測量儀的設計

任務6.3基于磁電傳感器的轉速測量儀的設計如圖6-37b所示，線圈中產生感應電勢的大小也隨其改變，其幅度與轉速有關，轉速越高輸出電壓越高（圖6-37b中的0～a段），輸出頻率與轉速成正比。轉速進一步增高，磁路損耗增大，輸出電勢已趨飽和（a～b段），當轉速超過b，磁路損耗加劇，電勢銳減。磁電傳感器結構簡單，但輸出信號較小，且因高速軸上加裝齒輪較危險而不宜測量高轉速。任務6.3基于磁電傳感器的轉速測量儀的設計

任務實施一、任務分析小明要利用磁電式傳感器制作測速儀，首先要選擇符合要求的傳感器類型，再進行電路的設計與制作，然后進行程序設計和編程，最后進行整體調試。任務6.3基于磁電傳感器的轉速測量儀的設計二、實施過程

1．元件選型及方案確定磁電傳感器具有體積小、結實可靠、壽命長、不需電源和潤滑油等優點，可在煙霧、油氣、水氣等惡劣環境中使用。磁電轉速傳感器已經成熟，這類傳感器較多，如SM-16、LZZS-60、OD9001及NE6100等。上圖所示是常見的磁電測速傳感器的外形圖，表6-6為常見磁電轉速傳感器的技術參數。任務6.3基于磁電傳感器的轉速測量儀的設計名稱參數輸出波形近似正弦波（≥50r/min時）輸出信號幅值50r/min時≥300mV，高速時可達30V測量范圍10～99999轉/分（rpm）使用時間連續使用工作環境溫度-50～+150?C輸出形式X12K4P四芯插頭外形尺寸外徑一般為16mm，長度一般120mm重量約100g～200g（不計輸出導線）測速齒輪要求60齒，電工鋼（高導磁材料），漸開線齒形（輸出波形好）表6-6常用磁電轉速傳感器技術參數任務6.3基于磁電傳感器的轉速測量儀的設計要實現轉速測量，只要對傳感器輸出的脈沖信號進行計數即可，由表6-6中參數可知，當轉速達到50轉/分鐘時，其幅值≥300mV（有的磁電傳感器輸出幅值更高），為了能夠準確計數，應對傳感器輸出的脈沖信號進行放大、整形（若被測轉速較高