基于智能转速表校准方法的相关研究
2018-05-21林聚钰
林聚钰
摘 要：随着电子技术发展，转速仪表智能芯片的运用，有效地克服了普通转速表的不足，合理地解决了测量范围与测量精度之间的矛盾。本文介绍了智能化转速表的工作原理和信号处理电路，并设计了一种智能化转速表校准方案，经验证，该校准方案是可行且合理的。
关键词：智能转速表；信号处理电路；校准方法
引 言
智能转速表是指智能化转速数字显示仪表。它一般与开关类速度传感器及磁电类速度传感器配合使用，是机械行业中必备的仪器之一，广泛应用在常用于轻工行业及汽车、飞机、轮船等制造业。
之前，此类智能转速表难以进行量值溯源，需要检测时均送生产厂家。为了保证智能转速表量值的准确可靠，本文在阐述此类测量设备的工作原理及信号处理电路的基础上，设计了一种智能转速表校准方案。
1.工作原理及信号处理电路分析
智能转速表接收到速度类传感器的转速信号，将此信号进行处理后得到并显示被测设备的转速值。
1.1传感器原理
以霍尔式传感器为例。
霍尔式传感器工作原理如图1所示。使用时应在被测量转速的轴上装一齿轮，将传感器安装在支架上，调整传感器与齿轮顶之间隙为1.2mm左右。当轴带动齿轮旋转时，根据电磁感应的原理在传感器内部线圈的两端产生一个脉冲信号，被测轴转动一圈产生Z个电压脉冲信号。通过式（1）计算可将被测轴的转速n转换为频率F的电压脉冲信号。
F=（n/60）Z （1）
式中：F——频率（Hz）；
n——被测轴转速（r/min）；
Z——齿轮齿数。
当齿轮齿数为60时，电压脉冲信号的频率F即等于被测轴的每分钟转速n。
1.2信号处理电路
以MCT系列智能转速表为例。
智能转速表的信号处理电路工作原理见图2。
MCT系列智能转速表的信号处理电路主要由MCS-51单片微处理器和74LS系列集成电路等部分组成。它是将磁电转速传感器接收到的脉冲信号转化为所需要转速信号的一种测试设备。将脉冲信号输入MCT系列智能转速表，信号经过整形，采用单片微处理器和74LS系列集成电路，同时结合计算机软件技术就可以测量出所需转速。
常见智能转速表的显示转速与输入电压脉冲信号频率对应关系见表1。
2.校准方案设计及校准过程
2.1校准方案设计
MCT系列智能转速表技术参数为：示值最大允许误差不超过±（0.1%+1个字），示值范围：（1～9999）r/min。根据传感器原理和信号处理电路的分析可以推出，霍尔传感器的输出信号为频率信号，此信号可以用一个标准信号发生器替代作为标准源，而被检设备的示值误差就是与此标准信号进行对比后得出。校准原理框图如图3所示。
2.2校准过程
通过研究智能转速表的工作原理，了解其技术参数及接线柱定义，校准时需配备频率信号发生器、绝缘电阻表等设备。
2.2.1校准用设备
MCT系列智能化转速表实验室校准所需要的校准设备及其技术性能如表2所示。
2.2.2转速示值校准
（1）校准前，被校设备、标准器预热时间不少于30min。
（2）检查显示应无叠字、不亮、缺划等现象，并能连续变化，有效数字位数应大于等于4位。
（3）根据常用的转速范围及有效数字位数，按1、2、5序列选取4个校准点进行校准：1000r/min、2000r/min、5000r/min、9000r/min。
（4）根据校准点和智能转速表频率与转速的换算系数（见表1），将信号发生器频率调至规定的频率点，并调节输出幅度，使智能转速表正常工作。
（5）在同一个校准点上，连续读取并记录被检器10个显示值。
（6）转速示值误差
智能化转速表示值误差δ按式（2）计算：
δij=Xij′-CXi（2）
式中：
δij——第i个测量点，第j次测量得到的示值誤差（r/min）；
Xij′——第i个测量点，第j次测量，被检智能转速表示值（r/min）；
Xi——第i个测量点，信号发生器的频率示值（Hz）；
C——智能化转速表频率与转速的换算系数；
任一测得的示值误差应不超过其示值最大允许误差。
2.2.3绝缘电阻校准
在环境温度为15℃～35℃，相对湿度为45%～75%时，在被检器不施加激励电源的条件下，将电源端子和输出端子分别短接，用绝缘电阻表，分别测量电源端子和接地端子（外壳）、电源端子和输出端子、输出端子和接地端子（外壳）之间的绝缘电阻。测量时，应稳定10s后读数，测量结果应均不低于20MΩ。
注：对交流电源供电的智能转速表，采用输出直流电压为500V的绝缘电阻表；对直流电源供电的智能转速表，采用输出直流电压为100V的绝缘电阻表。
3.校准方法的确认
依据《检测和校准实验室能力认可准则》CNAS-CL01：2006，采用“与其他方法所得的结果进行比较”，进行转速校准方法的确认。
方法1：见本文“2.2”，信号发生器产生一个正弦波信号。
方法2：以0.01级转速标准装置、霍尔传感器，产生一个与实际一致的转速信号。
3.1样品
3.2比较用设备
3.3环境条件
3.2.1温度（18～25）℃；湿度：20%RH～75%RH。
3.2.2电源要求：（220±22）V、（50±1）HZ。
3.2.3现场应无强震源、电磁干扰。
3.4比较过程
3.4.1测量点：1000r/min、2000r/min、5000r/min。
3.4.2所用仪器设备均应预热30min以上。
3.4.3每种方法测量前，均应进行试运转检查并调整，确保智能转速表能准确接受到转速信号。
3.4.4 依据上述两种方法，在同一个测量点，分别连续读取10个转速示值，以10次算术平均值作为测量结果（保留1位小数），并给出测量结果的绝对扩展不确定度（保留1位小数）。计量单位均为r/min。
3.4.5测量结果
3.4.6结果评价
依据JJF 1117-2010 《计量比对》， 的最大值为0.7，小于1，两种方法测量结果之差在合理的预期内。
3.5结论
经过方法确认，本校准方法适用于对智能转速表的校准。
4.结语
综上所述，本文用一台经过溯源的信号发生器模拟传感器信号输入智能转速表，将此标准信号对应的转速值与通过智能转速表处理器运算得到的转速示值进行比较，得到智能化转速表的示值误差。经过分析验证，该方案具有可靠性好、操作性强等特点，可对智能转速表进行校准。
参考文献：
[1] 王全龙.便携式转速表校准仪的研制[J].计测技术.2015（b07）：107-109
[2] 黄星，王丽芳.转速传感器校准中存在问题的讨论[J].科技信息.2017（6）
[3]JJG 602-2014 《低频信号发生器检定规程》
[4]JJG 105-2000 《转速表检定规程》
[5]JJF 1117-2010 《计量比对》
