基于智能轉(zhuǎn)速表校準(zhǔn)方法的相關(guān)研究

林聚鈺

摘 要：隨著電子技術(shù)發(fā)展，轉(zhuǎn)速儀表智能芯片的運(yùn)用，有效地克服了普通轉(zhuǎn)速表的不足，合理地解決了測(cè)量范圍與測(cè)量精度之間的矛盾。本文介紹了智能化轉(zhuǎn)速表的工作原理和信號(hào)處理電路，并設(shè)計(jì)了一種智能化轉(zhuǎn)速表校準(zhǔn)方案，經(jīng)驗(yàn)證，該校準(zhǔn)方案是可行且合理的。

關(guān)鍵詞：智能轉(zhuǎn)速表；信號(hào)處理電路；校準(zhǔn)方法

引 言

智能轉(zhuǎn)速表是指智能化轉(zhuǎn)速數(shù)字顯示儀表。它一般與開(kāi)關(guān)類(lèi)速度傳感器及磁電類(lèi)速度傳感器配合使用，是機(jī)械行業(yè)中必備的儀器之一，廣泛應(yīng)用在常用于輕工行業(yè)及汽車(chē)、飛機(jī)、輪船等制造業(yè)。

之前，此類(lèi)智能轉(zhuǎn)速表難以進(jìn)行量值溯源，需要檢測(cè)時(shí)均送生產(chǎn)廠家。為了保證智能轉(zhuǎn)速表量值的準(zhǔn)確可靠，本文在闡述此類(lèi)測(cè)量設(shè)備的工作原理及信號(hào)處理電路的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種智能轉(zhuǎn)速表校準(zhǔn)方案。

1.工作原理及信號(hào)處理電路分析

智能轉(zhuǎn)速表接收到速度類(lèi)傳感器的轉(zhuǎn)速信號(hào)，將此信號(hào)進(jìn)行處理后得到并顯示被測(cè)設(shè)備的轉(zhuǎn)速值。

1.1傳感器原理

以霍爾式傳感器為例。

霍爾式傳感器工作原理如圖1所示。使用時(shí)應(yīng)在被測(cè)量轉(zhuǎn)速的軸上裝一齒輪，將傳感器安裝在支架上，調(diào)整傳感器與齒輪頂之間隙為1.2mm左右。當(dāng)軸帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，根據(jù)電磁感應(yīng)的原理在傳感器內(nèi)部線圈的兩端產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，被測(cè)軸轉(zhuǎn)動(dòng)一圈產(chǎn)生Z個(gè)電壓脈沖信號(hào)。通過(guò)式（1）計(jì)算可將被測(cè)軸的轉(zhuǎn)速n轉(zhuǎn)換為頻率F的電壓脈沖信號(hào)。

F=（n/60）Z （1）

式中：F——頻率（Hz）；

n——被測(cè)軸轉(zhuǎn)速（r/min）；

Z——齒輪齒數(shù)。

當(dāng)齒輪齒數(shù)為60時(shí)，電壓脈沖信號(hào)的頻率F即等于被測(cè)軸的每分鐘轉(zhuǎn)速n。

1.2信號(hào)處理電路

以MCT系列智能轉(zhuǎn)速表為例。

智能轉(zhuǎn)速表的信號(hào)處理電路工作原理見(jiàn)圖2。

MCT系列智能轉(zhuǎn)速表的信號(hào)處理電路主要由MCS-51單片微處理器和74LS系列集成電路等部分組成。它是將磁電轉(zhuǎn)速傳感器接收到的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為所需要轉(zhuǎn)速信號(hào)的一種測(cè)試設(shè)備。將脈沖信號(hào)輸入MCT系列智能轉(zhuǎn)速表，信號(hào)經(jīng)過(guò)整形，采用單片微處理器和74LS系列集成電路，同時(shí)結(jié)合計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)就可以測(cè)量出所需轉(zhuǎn)速。

常見(jiàn)智能轉(zhuǎn)速表的顯示轉(zhuǎn)速與輸入電壓脈沖信號(hào)頻率對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表1。

2.校準(zhǔn)方案設(shè)計(jì)及校準(zhǔn)過(guò)程

2.1校準(zhǔn)方案設(shè)計(jì)

MCT系列智能轉(zhuǎn)速表技術(shù)參數(shù)為：示值最大允許誤差不超過(guò)±（0.1%+1個(gè)字），示值范圍：（1～9999）r/min。根據(jù)傳感器原理和信號(hào)處理電路的分析可以推出，霍爾傳感器的輸出信號(hào)為頻率信號(hào)，此信號(hào)可以用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器替代作為標(biāo)準(zhǔn)源，而被檢設(shè)備的示值誤差就是與此標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行對(duì)比后得出。校準(zhǔn)原理框圖如圖3所示。

2.2校準(zhǔn)過(guò)程

通過(guò)研究智能轉(zhuǎn)速表的工作原理，了解其技術(shù)參數(shù)及接線柱定義，校準(zhǔn)時(shí)需配備頻率信號(hào)發(fā)生器、絕緣電阻表等設(shè)備。

2.2.1校準(zhǔn)用設(shè)備

MCT系列智能化轉(zhuǎn)速表實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)所需要的校準(zhǔn)設(shè)備及其技術(shù)性能如表2所示。

2.2.2轉(zhuǎn)速示值校準(zhǔn)

（1）校準(zhǔn)前，被校設(shè)備、標(biāo)準(zhǔn)器預(yù)熱時(shí)間不少于30min。

（2）檢查顯示應(yīng)無(wú)疊字、不亮、缺劃等現(xiàn)象，并能連續(xù)變化，有效數(shù)字位數(shù)應(yīng)大于等于4位。

（3）根據(jù)常用的轉(zhuǎn)速范圍及有效數(shù)字位數(shù)，按1、2、5序列選取4個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行校準(zhǔn)：1000r/min、2000r/min、5000r/min、9000r/min。

（4）根據(jù)校準(zhǔn)點(diǎn)和智能轉(zhuǎn)速表頻率與轉(zhuǎn)速的換算系數(shù)（見(jiàn)表1），將信號(hào)發(fā)生器頻率調(diào)至規(guī)定的頻率點(diǎn)，并調(diào)節(jié)輸出幅度，使智能轉(zhuǎn)速表正常工作。

（5）在同一個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)上，連續(xù)讀取并記錄被檢器10個(gè)顯示值。

（6）轉(zhuǎn)速示值誤差

智能化轉(zhuǎn)速表示值誤差δ按式（2）計(jì)算：

δij=Xij′-CXi（2）

式中：

δij——第i個(gè)測(cè)量點(diǎn)，第j次測(cè)量得到的示值誤差（r/min）；

Xij′——第i個(gè)測(cè)量點(diǎn)，第j次測(cè)量，被檢智能轉(zhuǎn)速表示值（r/min）；

Xi——第i個(gè)測(cè)量點(diǎn)，信號(hào)發(fā)生器的頻率示值（Hz）；

C——智能化轉(zhuǎn)速表頻率與轉(zhuǎn)速的換算系數(shù)；

任一測(cè)得的示值誤差應(yīng)不超過(guò)其示值最大允許誤差。

2.2.3絕緣電阻校準(zhǔn)

在環(huán)境溫度為15℃～35℃，相對(duì)濕度為45%～75%時(shí)，在被檢器不施加激勵(lì)電源的條件下，將電源端子和輸出端子分別短接，用絕緣電阻表，分別測(cè)量電源端子和接地端子（外殼）、電源端子和輸出端子、輸出端子和接地端子（外殼）之間的絕緣電阻。測(cè)量時(shí)，應(yīng)穩(wěn)定10s后讀數(shù)，測(cè)量結(jié)果應(yīng)均不低于20MΩ。

注：對(duì)交流電源供電的智能轉(zhuǎn)速表，采用輸出直流電壓為500V的絕緣電阻表；對(duì)直流電源供電的智能轉(zhuǎn)速表，采用輸出直流電壓為100V的絕緣電阻表。

3.校準(zhǔn)方法的確認(rèn)

依據(jù)《檢測(cè)和校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室能力認(rèn)可準(zhǔn)則》CNAS-CL01：2006，采用“與其他方法所得的結(jié)果進(jìn)行比較”，進(jìn)行轉(zhuǎn)速校準(zhǔn)方法的確認(rèn)。

方法1：見(jiàn)本文“2.2”，信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)正弦波信號(hào)。

方法2：以0.01級(jí)轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)裝置、霍爾傳感器，產(chǎn)生一個(gè)與實(shí)際一致的轉(zhuǎn)速信號(hào)。

3.1樣品

3.2比較用設(shè)備

3.3環(huán)境條件

3.2.1溫度（18～25）℃；濕度：20%RH～75%RH。

3.2.2電源要求：（220±22）V、（50±1）HZ。

3.2.3現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)無(wú)強(qiáng)震源、電磁干擾。

3.4比較過(guò)程

3.4.1測(cè)量點(diǎn)：1000r/min、2000r/min、5000r/min。

3.4.2所用儀器設(shè)備均應(yīng)預(yù)熱30min以上。

3.4.3每種方法測(cè)量前，均應(yīng)進(jìn)行試運(yùn)轉(zhuǎn)檢查并調(diào)整，確保智能轉(zhuǎn)速表能準(zhǔn)確接受到轉(zhuǎn)速信號(hào)。

3.4.4 依據(jù)上述兩種方法，在同一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，分別連續(xù)讀取10個(gè)轉(zhuǎn)速示值，以10次算術(shù)平均值作為測(cè)量結(jié)果（保留1位小數(shù)），并給出測(cè)量結(jié)果的絕對(duì)擴(kuò)展不確定度（保留1位小數(shù)）。計(jì)量單位均為r/min。

3.4.5測(cè)量結(jié)果

3.4.6結(jié)果評(píng)價(jià)

依據(jù)JJF 1117-2010 《計(jì)量比對(duì)》， 的最大值為0.7，小于1，兩種方法測(cè)量結(jié)果之差在合理的預(yù)期內(nèi)。

3.5結(jié)論

經(jīng)過(guò)方法確認(rèn)，本校準(zhǔn)方法適用于對(duì)智能轉(zhuǎn)速表的校準(zhǔn)。

4.結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文用一臺(tái)經(jīng)過(guò)溯源的信號(hào)發(fā)生器模擬傳感器信號(hào)輸入智能轉(zhuǎn)速表，將此標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速值與通過(guò)智能轉(zhuǎn)速表處理器運(yùn)算得到的轉(zhuǎn)速示值進(jìn)行比較，得到智能化轉(zhuǎn)速表的示值誤差。經(jīng)過(guò)分析驗(yàn)證，該方案具有可靠性好、操作性強(qiáng)等特點(diǎn)，可對(duì)智能轉(zhuǎn)速表進(jìn)行校準(zhǔn)。

參考文獻(xiàn)：

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[5]JJF 1117-2010 《計(jì)量比對(duì)》