一种多自由度转速传感器测试教学实验台及其应用

1.本发明涉及教学实验领域，尤其涉及一种多自由度转速传感器测试教学实验台及其应用。


背景技术：

2.随着电子控制技术的不断进步和发展，对系统的控制精度要求越来越高。转速传感器作为电控系统中最常用的传感器，对它的研究和教学非常普遍。在现有转速传感器测试教学实验中，转速传感器和信号齿盘的位置都是固定的，且信号齿盘单一不可更换，不能进行二者之间相对位置对传感器输出信号影响的实验，也不能进行信号齿盘齿形对传感器输出信号影响的实验，同学们不能直观了解转速传感器输出信号的影响因素，影响教学效果。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题是针对上述缺陷，提出一种多自由度转速传感器测试教学实验台及其应用。
4.本发明采用如下技术方案：
5.一种多自由度转速传感器测试教学实验台，所述教学实验台包括支撑平台、传感器调节模块、信号发生模块和自动控制模块；
6.所述支撑平台为长50cm、宽30cm、高10cm的中空长方体结构，用于传感器调节模块、信号发生模块和自动控制模块的支撑和固定；
7.所述传感器调节模块用于转速传感器的安装和调节，包括传感器固定支架、上调节块、中间螺纹杆、下调节块和底部螺纹杆；
8.所述信号发生模块用于转速信号的发生，包括信号齿盘、直流无刷电机、电机座；
9.所述自动控制模块用于控制转速的快慢和信号齿盘的位置，包括单片机、步进电机丝杠滑台组；
10.以所述支撑平台长度方向为x轴，宽度方向为y轴，高度方向为z轴；所述步进电机丝杠滑台组包括固定在支撑平台上的与x轴方向平行的导轨和置于导轨上方的步进电机滑块；所述电机座通过紧固螺钉安装于步进电机滑块上；所述直流无刷电机安装在电机座上；所述信号齿盘安装于直流无刷电机的轴上；
11.所述单片机安置在支撑平台侧面，与步进电机丝杠滑台组、直流无刷电机、转速传感器电连，单片机能够通过程序自动控制直流无刷电机的转速以及步进电机滑块的位置，步进电机滑块带动电机座沿导轨移动，可调节直流无刷电机沿x轴的移动；
12.所述支撑平台上与y轴和z轴构成的平面相平行的一侧面上有一沿y轴方向的侧面长条形开口；在顶面上靠近所述侧面的一侧边缘上有一沿y轴方向的顶面长条形开口；所述底部螺纹杆沿y轴方向贯穿支撑平台，与顶面长条形开口和侧面长条形开口的位置相对应，在底部螺纹杆的一端设置有旋钮，方便底部螺纹杆的绕y轴的转动；下调节块垂直于底部螺
纹杆并与底部螺纹杆通过螺纹连接，转动底部螺纹杆，下调节块能够沿y轴移动；中间螺纹杆下端设有旋钮、底部设有凹槽，通过凹槽与下调节块的上端圆柱体连接形成转动副，中间螺纹杆的旋钮从侧面长条形开口处伸出，通过旋转中间螺纹杆的旋钮，能够使中间螺纹杆绕z轴转动；上调节块分为上连接部与下连接部，上连接部为圆柱型结构，下连接部为长方体结构，与中间螺纹杆螺纹连接，转动中间螺纹杆，上调节块能够沿z轴移动；所述传感器固定支架下端设有圆柱体凸台，凸台与上调节块的上连接部连接形成转动副，能够使传感器固定支架绕z轴转动；传感器固定支架上设有安装孔，用于安装转速传感器，转速传感器在调节模块控制下，能够实现三自由度的调节。
13.进一步的，所述信号齿盘是可拆卸的，实验过程中依据实验的内容和要求更换不同大小、齿距、齿高的信号齿盘。
14.进一步的，所述支撑平台的顶面长条形开口处有沿y轴方向的刻度，零刻度点对应信号齿盘的中心处，能够直观地看出转速传感器相对于信号齿盘沿y轴方向的位置关系；
15.所述支撑平台顶面的步进电机丝杠滑台组处有沿x轴方向的刻度，零刻度点靠近传感器调节模块，能够直观地看出转速传感器相对于信号齿盘沿x轴方向的位置关系；
16.所述上调节块的上连接部圆柱侧面有沿圆周方向的刻度；能够直观地看到转速传感器绕z轴转过的角度；所述上调节块的下连接部侧面有沿z轴方向的刻度，零刻度点与支撑平台上表面平齐时，转速传感器的中心线与信号齿盘的轴线相交，能够直观地看出转速传感器相对于信号齿盘沿z轴方向的位置关系。
17.进一步的，所述直流无刷电机内置编码器，编码器与单片机相电连，能够检测其真实转速值，方便与转速传感器的测量值作对比。
18.进一步的，所述步进电机丝杠滑台组还包括步进电机、驱动器、丝杠、导轨、步进电机滑块，在单片机的控制下，步进电机滑块在丝杠的带动下沿导轨移动。
19.进一步的，单片机包括电源模块、主控制器、直流电机驱动模块、步进电机驱动模块、信号调理模块和rs232通讯模块；电源模块用于直流电机驱动模块、步进电机驱动模块、信号调理模块和rs232通讯模块供电，直流电机驱动模块用于控制直流无刷电机的启停和转速，步进电机驱动模块控制步进电机滑块的位置进而控制信号齿盘的位置，传感器信号经信号调理模块进入主控制器，主控制器通过rs232通讯模块与pc机相连，用户通过pc机交互界面对实验台进行控制；单片机的接口包括rs232通讯接口、传感器信号输出接口、电源开关以及电源接口，传感器信号输出接口使用sma接头，用于与示波器连接，实时显示传感器信号波形，rs232通讯接口使用db9接头，用于与pc机连接。
20.所述教学实验台用于不同转速传感器对转速信号敏感度的实验，包括以下步骤：
21.步骤1)，打开电源开关，信号齿盘缓慢转起，等待转速稳定；
22.步骤2)，在pc机的用户界面上，调整转速到500r/min，此为实验的初始转速；
23.步骤3)，调整转速传感器和信号齿盘的位置，使两者接近但不接触；
24.步骤4)，在pc机的用户界面上，选择自动模式，步进电机丝杠滑台组会带动直流无刷电机沿x轴移动，每移动5mm暂停一次，暂停时，记录下此时示波器上转速信号的波形；
25.步骤5)，分别调整转速至1000r/min、1500r/min、2000r/min，重复步骤3)和步骤4)；
26.步骤6)，更换不同传感器，重复步骤2)到步骤5)；
27.步骤7)，比较各个波形，分析不同转速传感器的灵敏度。
28.所述教学实验台用于不同信号齿盘对转速信号影响的实验，包括以下步骤：
29.步骤1)，打开电源开关，信号齿盘缓慢转起，等待转速稳定；
30.步骤2)，在pc机的用户界面上，调整转速到500r/min，此为实验的初始转速；
31.步骤3)，调整转速传感器和信号齿盘的位置，使两者接近但不接触；
32.步骤4)，在pc机的用户界面上，选择自动模式，步进电机丝杠滑台组会带动直流无刷电机沿x轴移动，每移动5mm暂停一次，暂停时，记录下此时示波器上转速信号的波形；
33.步骤5)，分别调整转速至1000r/min、1500r/min、2000r/min，重复步骤3)和步骤4)；
34.步骤6)，更换不同信号齿盘，重复步骤2)到步骤5)；
35.步骤7)，比较各个波形，分析不同信号齿盘对转速信号的影响。
36.所述教学实验台用于转速传感器与信号齿盘相对位置对转速信号影响的实验，包括以下步骤：
37.步骤1)，打开电源开关，信号齿盘缓慢转起，等待转速稳定；
38.步骤2)，在pc机的用户界面上，调整转速到500r/min，此为实验的初始转速；
39.步骤3)，分别调整传感器固定支架、中间螺纹杆和底部螺纹杆，使转速传感器与信号齿盘之间呈不同角度和距离；
40.步骤4)，在pc机的用户界面上，选择自动模式，步进电机丝杠滑台组会带动直流无刷电机沿x轴移动，每移动5mm暂停一次，暂停时，记录下此时示波器上转速信号的波形；
41.步骤5)，分别调整转速至1000r/min、1500r/min、2000r/min，重复步骤3)和步骤4)；
42.步骤6)，选择多个相对位置进行实验，重复步骤2)到步骤5)；
43.步骤7)，比较各个波形，分析转速传感器与信号齿盘相对位置对转速信号影响。
44.有益效果：本发明可以通过调节转速传感器与信号齿盘的相对位置，探究二者之间相对位置对传感器输出信号的影响，传感器调节模块具有多自由度，可模拟多种位置关系如距离过近、距离过远、偏置等，传感器的输出信号可通过单片机上的传感器信号输出接口在示波器中显示，非常直观；用户可通过pc机调节直流无刷电机的转速，探究不同转速对输出信号的影响，在自动模式下，单片机可在不同转速下自动调节信号齿盘的位置，找到不同转速下信号齿盘的最佳位置；本发明丰富了实验教学内容，方便了对转速传感器的教学和研究。
附图说明
45.图1为本发明实验台的轴测图；
46.图2为本发明实验台传感器调节模块的剖视图。
47.其中，支撑平台1、传感器固定支架21、上调节块22、中间螺纹杆23、下调节块24、底部螺纹杆25、转速传感器3、信号齿盘4、电机座5、直流无刷电机6、步进电机丝杠滑台组7、单片机8、rs232通讯接口81、传感器信号输出接口82、电源开关83、电源接口84。
具体实施方式
48.下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
49.本发明为解决背景技术中的问题采用以下技术方案：
50.如图1所示的一种多自由度转速传感器测试教学实验台，包括支撑平台、传感器调节模块、信号发生模块、自动控制模块；
51.所述支撑平台1为长50cm、宽30cm、高10cm的中空长方体结构，用于传感器调节模块、信号发生模块和自动控制模块的支撑和固定；；
52.如图2所示的传感器调节模块，用于转速传感器3的安装和调节，包括传感器固定支架21、上调节块22、中间螺纹杆23、下调节块24和底部螺纹杆25；
53.信号发生模块用于转速信号的发生，包括信号齿盘4、直流无刷电机6、电机座5；
54.自动控制模块用于控制转速的快慢和信号齿盘4的位置，包括单片机8、步进电机丝杠滑台组7；
55.如图1所示，以所述支撑平台1长度方向为x轴，宽度方向为y轴，高度方向为z轴；所述步进电机丝杠滑台组7包括固定在支撑平台1上的与x轴方向平行的导轨和置于导轨上方的步进电机滑块；所述电机座5通过紧固螺钉安装于步进电机滑块上；所述直流无刷电机6安装在电机座5上；所述信号齿盘4安装于直流无刷电机6的轴上；所述信号齿盘4是可拆卸的，实验过程中依据实验的内容和要求更换不同大小、齿距、齿高的信号齿盘4。所述单片机8安置在支撑平台1侧面，与步进电机丝杠滑台组7、直流无刷电机6、转速传感器3电连，单片机8能够通过程序自动控制直流无刷电机6的转速以及步进电机滑块的位置，步进电机滑块带动电机座5沿导轨移动，可调节直流无刷电机6沿x轴的移动；
56.所述支撑平台1上与y轴和z轴构成的平面相平行的一侧面上有一沿y轴方向的侧面长条形开口；在顶面上靠近所述侧面的一侧边缘上有一沿y轴方向的顶面长条形开口；所述底部螺纹杆25沿y轴方向贯穿支撑平台1，与顶面长条形开口和侧面长条形开口的位置相对应，在底部螺纹杆25的一端设置有旋钮，方便底部螺纹杆25的绕y轴的转动；下调节块24垂直于底部螺纹杆25并与底部螺纹杆25通过螺纹连接，转动底部螺纹杆25，下调节块24能够沿y轴移动；中间螺纹杆23下端设有旋钮、底部设有凹槽，通过凹槽与下调节块24的上端圆柱体连接形成转动副，中间螺纹杆23的旋钮从侧面长条形开口处伸出，通过旋转中间螺纹杆23的旋钮，能够使中间螺纹杆23绕z轴转动；上调节块22分为上连接部与下连接部，上连接部为圆柱型结构，下连接部为长方体结构，与中间螺纹杆23螺纹连接，转动中间螺纹杆23，上调节块22能够沿z轴移动；所述传感器固定支架21下端设有圆柱体凸台，凸台与上调节块22的上连接部连接形成转动副，能够使传感器固定支架21绕z轴转动；传感器固定支架21上设有安装孔，用于安装转速传感器3，转速传感器3在调节模块控制下，能够实现三自由度的调节。
57.所述支撑平台1的顶面长条形开口处有沿y轴方向的刻度，零刻度点对应信号齿盘4的中心处，能够直观地看出转速传感器3相对于信号齿盘4沿y轴方向的位置关系；
58.所述支撑平台1顶面的步进电机丝杠滑台组7处有沿x轴方向的刻度，零刻度点靠近传感器调节模块，能够直观地看出转速传感器3相对于信号齿盘4沿x轴方向的位置关系；
59.所述上调节块22的上连接部圆柱侧面有沿圆周方向的刻度；能够直观地看到转速传感器3绕z轴转过的角度；所述上调节块22的下连接部侧面有沿z轴方向的刻度，零刻度点
与支撑平台1上表面平齐时，转速传感器3的中心线与信号齿盘4的轴线相交，能够直观地看出转速传感器3相对于信号齿盘4沿z轴方向的位置关系。
60.所述直流无刷电机6内置编码器，与单片机8相连，可检测其真实转速值，方便与转速传感器3的测量值作对比。
61.所述步进电机丝杠滑台组7还包括步进电机、驱动器、丝杠、导轨、步进电机滑块，在单片机的控制下，步进电机滑块在丝杠的带动下沿导轨移动。
62.单片机8包括电源模块、主控制器、直流电机驱动模块、步进电机驱动模块、信号调理模块和rs232通讯模块，电源模块用于其他各个模块供电，直流电机驱动模块可控制直流无刷电机6的启停和转速，步进电机驱动模块控制步进电机滑块的位置进而控制信号齿盘4的位置，传感器信号经信号调理模块进入主控制器，主控制器通过rs232通讯模块与pc机相连，用户可通过pc机交互界面对实验台进行控制。单片机8的接口包括rs232通讯接口81、传感器信号输出接口82、电源开关83以及电源接口84，传感器信号输出接口82使用sma接头，可与示波器连接，实时显示传感器信号波形，rs232通讯接口81使用db9接头，可与pc机连接。
63.一种多自由度转速传感器测试教学实验台可以应用于做多种实验，包括不同转速传感器对转速信号敏感度的实验、转速传感器与信号齿盘相对位置对转速信号影响的实验、不同信号齿盘对转速信号影响的实验。
64.不同转速传感器对转速信号敏感度的实验，包括以下步骤：
65.步骤1)，打开电源开关83，信号齿盘4缓慢转起，等待转速稳定；
66.步骤2)，在pc机的用户界面上，调整转速到500r/min，此为实验的初始转速；
67.步骤3)，调整转速传感器3和信号齿盘4的位置，使两者接近但不接触；
68.步骤4)，在pc机的用户界面上，选择自动模式，步进电机丝杠滑台组7会带动直流无刷电机6沿x轴移动，每移动5mm暂停一次，暂停时，记录下此时示波器上转速信号的波形；
69.步骤5)，分别调整转速至1000r/min、1500r/min、2000r/min，重复步骤3)—步骤4)；
70.步骤6)，更换不同传感器，重复步骤2)—步骤5)；
71.步骤7)，比较各个波形，分析不同转速传感器的灵敏度。
72.不同信号齿盘对转速信号影响的实验，包括以下步骤：
73.步骤1)，打开电源开关83，信号齿盘4缓慢转起，等待转速稳定；
74.步骤2)，在pc机的用户界面上，调整转速到500r/min，此为实验的初始转速；
75.步骤3)，调整转速传感器3和信号齿盘4的位置，使两者接近但不接触；
76.步骤4)，在pc机的用户界面上，选择自动模式，步进电机丝杠滑台组7会带动直流无刷电机6沿x轴移动，每移动5mm暂停一次，暂停时，记录下此时示波器上转速信号的波形；
77.步骤5)，分别调整转速至1000r/min、1500r/min、2000r/min，重复步骤3)—步骤4)；
78.步骤6)，更换不同信号齿盘，重复步骤2)—步骤5)；
79.步骤7)，比较各个波形，分析不同信号齿盘对转速信号的影响。
80.转速传感器与信号齿盘相对位置对转速信号影响的实验，包括以下步骤：
81.步骤1)，打开电源开关83，信号齿盘4缓慢转起，等待转速稳定；
82.步骤2)，在pc机的用户界面上，调整转速到500r/min，此为实验的初始转速；
83.步骤3)，分别调整传感器固定支架21、中间螺纹杆23和底部螺纹杆25，使转速传感器3与信号齿盘4之间呈不同角度和距离；
84.步骤4)，在pc机的用户界面上，选择自动模式，步进电机丝杠滑台组7会带动直流无刷电机6沿x轴移动，每移动5mm暂停一次，暂停时，记录下此时示波器上转速信号的波形；
85.步骤5)，分别调整转速至1000r/min、1500r/min、2000r/min，重复步骤3)—步骤4)；
86.步骤6)，选择多个相对位置进行实验，重复步骤2)—步骤5)；
87.步骤7)，比较各个波形，分析转速传感器3与信号齿盘4相对位置对转速信号影响。
88.以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。