如何用光电传感器测量直流电动机转速

一、任务目标

通过本任务的学习，帮助学生了解光电效应，认识各种光电元件，掌握光电传感器的基本原理，熟悉光电传感器的基本特性，掌握直射型光电传感器测量直流电动机转速的应用电路。

二、任务分析

练习

（1）基于内光电效应的光电元件包括：________、________和________。

（2）光电开关，由________和________组成，利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路接通电路，从而检测物体的有无。根据检测方式的不同，光电开关分为________与________两大类型。

（3）某一直射型光电数字转速表，若在待测转速轴上固定一开槽数为6 的调制盘，在调制盘一边由激光器产生一恒定光源，透过盘上的开槽处到达光敏二极管组成的光电转换器上，转换成相应的电脉冲信号，经过放大整形电路输出整齐的脉冲信号，由数字频率计测得计数频率为30 Hz，则电动机转速为________r／min。

思考

在环境磁场较强的场合测速时，不适宜采用磁性传感器，而光电传感器则可以解决这一问题。利用光电传感器实现转速测量时，可以采用反射型光电传感器、直射型光电传感器，思考两种类型光电传感器测量转速时工作原理有何区别？

三、任务实施

1.认识实验台中的光电传感器

如图4-58（a）所示，ST155 型号直射型光电传感器已安装于传感器支架上，且霍尔组件正对着转盘上的磁钢，实物图如图4-58（b）所示。

除了转动源上的光电传感器外，本任务的实施还要用到直流稳压电源、转动源、频率／转速表及双踪示波器。

2.光电传感器测量转速的工作原理

光电转速传感器有反射型和直射型两种，本实验装置所采用的光电传感器为直射型，传感器端部有发光二极管和光敏元件，发光二极管发出的光源通过转盘上的孔透射到光敏元件上，并转换成电信号，由于转盘上有等间距的6 个透射孔，转动时将获得与转速及透射孔数有关的脉冲，将电脉冲计数处理即可得到转速值。

图4-58　光电传感器测量转速安装示意图

（a）安装图；（b）实物图
1—转盘；2—电动机；3—工作平台；4—发光管；5—支架；6—透射孔；7—接收管

3.任务实施步骤

1）安装光电传感器。光电传感器已按图4-58所示安装在转动源上。

2）光电传感器测量转速电路接线。将＋5 V 电源接到转动源上“光电” 输出的电源端，“光电” 输出接到频率／转速表，将频率／转速表选择“转速” 挡，如图4-59所示。

图4-59　光电传感器测量转速电路接线图

3）光电传感器测量转速。打开实验台电源，选择不同电源＋4 V、＋6 V、＋8 V、＋10 V、12 V（ ±6 V）、16 V（ ±8 V）、20 V（ ±10 V）、24 V 驱动转动源，可以观察到转动源转速的变化，待转速稳定后记录相应驱动电压下得到的转速值，填入表4-15中。

表4-15　不同驱动电压对应的直流电动机的转速

4）操作内容描述实验结束后，关闭实验台电源，整理好实验设备。

4.数据处理

1）根据表4-15数据，绘制驱动电压与转速关系曲线（U-n 曲线），如图4-60所示。(www.xing528.com)

图4-60　光电传感器U-n 曲线

2）验证转速与频率之间的关系是否和理论计算一致。

5.任务内容和评分标准

任务内容和评分标准见表4-16。

表4-16　光电传感器转速测量评分表

四、任务拓展

本任务中采用的是直射型光电传感器，找一个反射型光电传感器安装在转动源上，测量直流电动机转速，与直射式光电传感器比较一下，测量数据有没有误差？

光纤陀螺仪测量旋转角速度

光纤陀螺仪是一种能够精确地确定运动物体方位的仪器，它是现代航空、航海、航天和国防工业中广泛使用的一种惯性导航仪器，它的发展对一个国家的工业、国防和其他高科技的发展具有十分重要的战略意义。光纤陀螺仪主要用于测量旋转角速度，检测灵敏度和分辨率高，具有牢固稳定、耐冲击、结构简单、价格低廉、可瞬时启动、动态范围极宽等特点，实物如图4-61所示。

图4-61　光纤陀螺仪

1.光纤陀螺的工作原理

光纤陀螺的工作原理是基于萨格纳克（Sagnac）效应。萨格纳克效应是相对惯性空间转动的闭环光路中所传播光的一种普遍的相关效应，即在同一闭合光路中从同一光源发出的两束特征相等的光，以相反的方向进行传播，最后汇合到同一探测点。若绕垂直于闭合光路所在平面的轴线，相对惯性空间存在着转动角速度，则正、反方向传播的光束走过的光程不同，就产生光程差，其光程差与旋转的角速度成正比。因而只要知道了光程差及与之相应的相位差的信息，即可得到旋转角速度，其工作原理如图4-62所示。

图4-62　光纤陀螺仪工作原理

（a）正方向光源；（b）反方向光源

2.光纤陀螺的分类

（1）干涉型光纤陀螺仪（I-FOG）

干涉型光纤陀螺仪（I-FOG），即第一代光纤陀螺仪，目前应用最广泛。它采用多匝光纤线圈来增强Sagnac 效应，一个由多匝单模光纤线圈构成的双光束环形干涉仪可提供较高的精度。

（2）谐振式光纤陀螺仪（R-FOG）

谐振式光纤陀螺仪（R-FOG），是第二代光纤陀螺仪，采用环形谐振腔增强Sagnac 效应，利用循环传播提高精度，因此它可以采用较短光纤。R-FOG 需要采用强相干光源来增强谐振腔的谐振效应，但强相干光源也带来许多寄生效应，如何消除这些寄生效应是目前的主要技术障碍。

（3）受激布里渊散射光纤陀螺仪（B-FOG）

受激布里渊散射光纤陀螺仪（B-FOG），是第三代光纤陀螺仪，比前两代又有所改进，目前还处于理论研究阶段。

3.光纤陀螺的发展现状

光纤陀螺的发展是日新月异的。许多大公司出于对其市场前景的看好，也纷纷加入研究开发的行列中来。由于光纤陀螺在机动载体和军事领域的应用甚为理想，因此各国的军方都投入了巨大的财力和精力。目前一些发达国家在光纤陀螺的研究方面取得了较大进步，一些中低精度的陀螺已经实现了产品化，而少数高精度产品也开始在军方进行装备调试。

美国在光纤陀螺的研究方面一直保持领先地位。目前美国国内已经有多种型号的光纤陀螺投入使用。以斯坦福大学和麻省理工学院为代表的科研机构在研究领域中不断取得突破，而几家研制光纤陀螺的大公司在陀螺研制和产品化方面也做得十分出色。最著名的Litton 公司和Honeywell 公司代表了国际上光纤陀螺的最高水平。