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1、 电子与信息技术专业传感器技术项目七 机车速度信号采集系统搭建大连电子学校 DALIAN ELECTRONIC SCHOOL 任务1 项目任务书 随着当今交通运输行业的发展，轨道交通以其运量大、速度快、平安环保等优点已成为人们出行的首选，我国也已成为世界最大的轨道交通建设市场。机车速度信号是机车运行中的重要状态参数，是构成机车闭环调速限制系统必不行少的反馈参量。在机车的防滑/防空转系统、机车运行状态监控等装置中，都须要实时地得到机车的运行速度信号，而且机车速度信号采集的精确度与机车操作的平安性干脆相关联，因此电力机车运行速度信号的正确采集和处理对于机车的限制与操作至关重要。本项目介绍了接受速度
2、传感器采集并输出的脉冲信号，经过信号处理电路，再利用单片机的采集实力和运算处理实力，对机车速度信号进行测量。7.1.1 项目描述 任务1 项目任务书 完成DF16速度传感器的测试；依据给定的元器件和电路图，依据电子产品制作工艺，焊接、组装信号处理电路；结合速度校验台和单片机开发板搭建一个机车速度信号采集系统。7.1.2 项目任务 任务2 信息收集 数字式传感器是一种能把被测模拟量干脆转换为数字量输出的装置，可干脆与计算机系统连接。与模拟式传感器相比，数字式传感器具有以下优点：(1)测量精度和辨别率高；(2)抗干扰实力强，稳定性好；(3)易于和计算机接口，便于信号处理和实现自动化测量；(4)适宜
3、远距离传输。任务2 信息收集7.2.1 旋转编码器1.确定式编码器(1)接触式编码器 一个4位2进制接触式码盘，在圆形不导电的码盘基本体上共有4个码道，每个码道用印制电路板工艺加工出导电区和绝缘区。导电区用“1”表示，绝缘区用“0”表示。每个码道上都有一个电刷，电刷经取样电阻接地。若电刷接触到导电区，则该回路中的取样电阻上有电流流过，输出为“1”，若电刷接触的是绝缘区，输出则为“0”。旋转编码器是一种码盘式角度-数字检测元件，通常用于转速的测量。它的转轴通常随被测轴一起转动，能将被测轴的角位移转换成二进制编码或者一串脉冲。任务2 信息收集7.2.1 旋转编码器1.确定式编码器(2)光电式编码器
4、 光电式编码器是目前应用较多的一种编码器，它的码盘是在不透光材料的圆盘上精确地印制二进制编码。工作时，每个码道都对应一组光电元件，码盘转到不同位置，光电元件接收光信号，产生相应的二进制编码。(3)磁电式编码器 任务2 信息收集7.2.1 旋转编码器2.增量式编码器 增量式编码器是指随转轴旋转的码盘给出一系列脉冲，然后依据旋转方向用计数器对这些脉冲进行加减计数，从而表示转过的角位移量。任务2 信息收集7.2.2 光栅传感器1.光栅的构成与分类 光栅就是在透亮的玻璃板上，匀整地刻出很多明暗相间的条纹，或在金属镜面上匀整地划出很多间隔相等的条纹，通常线条的间隙和宽度是相等的。以透光的玻璃为载体的称为
5、透射光栅，不透光的金属为载体的称为反射光栅。任务2 信息收集7.2.2 光栅传感器1.光栅的构成与分类 (1)长光栅：又称光栅尺，主要用于长度或直线位移的测量，如图7-5和图7-6所示。长光栅由长短两块光栅组成。长的一块成为主光栅，短的一块成为指示光栅，两者刻线密度相同。刻线密度由测量精度确定。栅线密度一般为每毫米25、50、100、250条等，多的可达每毫米2400条。任务2 信息收集7.2.2 光栅传感器1.光栅的构成与分类 (2)圆光栅：又称光栅盘，用来测量角度或者角位移，如图7-7所示。依据刻线的方向可分为径向光栅和切向光栅。径向光栅栅线延长线全部通过光栅盘的圆心，切向光栅栅线延长线全
6、部与光栅盘中心的一个小圆（直径为零点几到几毫米）相切。圆光栅也由大小两块光栅组成，大的称为主光栅，小的称为指示光栅，两者的刻线密度相同。圆光栅只有透射光栅一种。任务2 信息收集7.2.2 光栅传感器2.光栅传感器的工作原理 假如把两块栅距W相等的光栅面平行安装，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线保持很小的夹角，这时间栅上会出现若干条明暗相间的条纹，称为莫尔条纹。在两光栅的刻线重合处，光从缝隙透过，形成亮带；在两光栅刻线的错开处，由于相互挡光作用而形成暗带。莫尔条纹是光栅非重合部分光线透过而形成的亮带，由一系列四棱形图案组成。任务2 信息收集7.2.2 光栅传感器2.光栅传感器的工作原理莫尔条纹
7、具有以下特点：(1)莫尔条纹的位移与光栅的移动成比例。(2)莫尔条纹具有位移放大作用。(3)莫尔条纹具有平均光栅误差作用。3.光栅运用技术(1)光栅的辩向技术(2)光栅的细分技术 任务3 项目实施7.3.1 框图 机车速度采集由速度传感单元、滤波整形单元、降压隔离单元分以及中心处理单元四部分组成。任务3 项目实施7.3.2 速度传感器DF161.DF16速度传感器结构外形 DF16速度传感器由光电模块、光栅、传动轴、软连接器、14芯防水插头等部分组成。可以便利地安装于轴箱盖上,传动部分接受软性连接，能克服安装不同心及驱动间隙，具有坚实、密封、抗震、抗冲击、测速范围宽、温度适应范围宽、牢靠性好、
8、运用寿命长等特点。适用于国内外各种类型机车的速度、方向、空转及打滑等各项检测。任务3 项目实施7.3.2 速度传感器DF162.工作原理 DF16速度传感器是紧凑型、低维护的测速、测距传感器，通过扫描和轮轴同步的光栅盘的内、外轨道，可输出两种不同脉冲数的方波信号，内轨道每转80个脉冲，外轨道每转200个脉冲，输出可以是不同脉冲数的各种组合。各通道间彼此隔离，且带有极性爱护、输出短路爱护。DF16速度传感器可输出和速度成线性比例的方波信号。输出的频率和轮轴转速的关系为：f=nP/60 其中n为每分钟转速，f为传感器输出脉冲频率，一般取500、1000或者2000Hz，P为光栅槽数，即每转脉冲数。
9、例如，光栅盘外轨道为光栅槽数为200，频率取1000Hz，则转速n为300转/分。任务3 项目实施7.3.2 速度传感器DF163.主要参数(1)测速范围：02000转/分；(2)每转脉冲数：外轨道200P/R、内轨道80P/R；(3)输出通道数：单、双、三、四；(4)输出波形：方波；(5)输出幅度：高电平9V,（负载电阻3K），低电平2V；(6)脉冲占空比：5020；(7)脉冲相位差：9045（双通道、四通道）顺时针旋转，CH1超前CH2，CH2 超前CH3，CH3超前CH4；12060（三通道）顺时针旋转,CH1超前CH2，CH2超前CH3；(8)工作电源：DC1230V；(9)功耗电流：
10、40mA（每通道）；(10)短路爱护：具有输出短路爱护功能；(11)耐压：1500V 50Hz，1min（通道对外壳）；500V 50Hz，1min（各通道间）；(12)绝缘电阻：正常状况下500M，极端湿热状况20M；(13)工作温度：4070；任务3 项目实施7.3.2 速度传感器DF164.接线方法 任务3 项目实施7.3.3 信号处理与采集1.信号处理电路 任务3 项目实施7.3.3 信号处理与采集1.信号处理电路(1)滤波整形处理电路滤波整形处理单元由RC滤波电路和运算放大器LM224构成的整形电路组成。任务3 项目实施7.3.3 信号处理与采集信号处理电路(2)降压隔离电路 降压隔
11、离单元由电阻及隔离光耦HCPL-0630构成。2.信号采集 速度信号经信号处理电路处理后送入中心处理单元进行采集和处理。本项目中的中心处理单元选择单片机限制实现。单片机通过对方波脉冲的计数和运算得出当前机车运动速度，并可驱动数码管显示，或者通过RS232、总线通信等方式由上位计算机给出速度显示。任务3 项目实施7.3.4 系统搭建与调试1设备及元器件设备及元器件要求如表7-3、7-4所示。2.元器件识别与检测（1）依据信号处理电路元器件清单，清点组件；（2）检测各元器件的性能及参数；（3）识别速度传感器DF16。任务3 项目实施7.3.4 系统搭建与调试3DF16速度传感器的测试 任务3 项目
12、实施7.3.4 系统搭建与调试4.焊接组装信号处理电路5.程序录入6.系统搭建与调试（1）系统搭建将DF16速度传感器安装于转速校验台上，通过转速校验台设置转速的方法，模拟机车运行。将DF16速度传感器CH1和CH2输出端连接到速度信号处理电路的两路输入端上。将信号处理电路的两路速度信号输出连接到单片机开发板上单片机的信号输入端子上。任务3 项目实施7.3.4 系统搭建与调试6.系统搭建与调试（2）调试准备检查信号处理电路各元件焊接位置是否正确、有无虚焊和连焊等。将集成运算放大器LM224和光耦合器HCPL-0630按标记方向插入集成电路插座。将稳压电源第一路输出调整为15V，其次路输出调整为5V（3）系统调试在转速校验台上设定转速。开启稳压电源，在速度信号处理电路的输出端连接双踪示波器，视察输出波形是否正确。给单片机开发板上电，视察单片机开发板上的转速显示与校验台上设定的转速是否一样。7.DF16传感器检修与故障解除 任务4 项目考核