Лазерный тахометр принцип работы

Обновлено: 02.07.2024

Тахометр – это измерительное устройство используемое для определения частоты вращения подвижных деталей в механизмах и агрегатах. Обычно результаты его замеров вычисляются количеством оборотов в минуту. Устройство используется в автомобилях, мотоциклах, тракторах, комбайнах, морских и речных судах, самолетах, вертолетах и прочей технике с двигателем внутреннего сгорания. Его наличие позволяет контролировать пределы нагрузки в работе мотора, для увеличения его срока службы.

Зачем нужен тахометр в автомобиле

Устройство можно встретить на приборной панели практически каждого автомобиля за редким исключением. Оно используется водителем для контроля за работой двигателя. Дело в том, что эксплуатация мотора на повышенных оборотах несет опасность его повреждения. Следя за тахометром можно регулировать нажатие педали газа таким образом, чтобы коленвал оборачивался в безопасном режиме.

Наличие тахометра в автомобиле обеспечивает:

Продления срока эксплуатации мотора.
Оптимизацию расхода горючего.
Выбор правильного режима езды в зависимости от нагрузки.
Исключение ударного воздействия на трансмиссию при переключении передач.

Тахометры автомобилей имеют цифровую шкалу, последние числа и деления на которой отмечены красным цветом. Так на приборе выделяются критические обороты для данного двигателя. При достижении такого рабочего уровня коленчатый вал вращается на придельной для мотора скорости. Это сопровождается ускорением нагрева и увеличением вибрации, что способно вывести из строя поршневую группу, клапана, ГРМ и т.д. Глядя на тахометр, водитель может предотвратить такую нагрузку и вовремя перейти на более высокую передачу, сбросив при этом педаль газа.

После определенного предела оборотов, разного для каждого двигателя, тот начинает более интенсивно сжигать горючее. Контролируя вращение коленвала по тахометру, можно не допускать режим работы, при котором автомобиль начнет потреблять больше топлива.

С помощью тахометра подбираются оптимальные обороты двигателя для начала движения или подъема под гору. От этих данных зависит и удачный момент для переключения между передачами.

В автомобилях без тахометра контролировать нагрузку на двигатель приходится на слух, что при достаточной звукоизоляции салона сложно. Водителю нужно определять усиление по реву двигателя и только в этот момент переходить на более высокую передачу.

Устройство и виды тахометров

Главной частью прибора является датчик, установленный непосредственно возле коленчатого вала. Он считывает частоту вращения коленвала и с помощью электрических импульсов или механических связующих передает информацию на панель.

Существует 3 типа тахометров:

Механические.
Аналоговые.
Цифровые.

От датчика зависит точность измерения оборотов. Он фиксирует угловое положение коленвала в определенный момент времени. Обычно его устанавливают возле маховика.

Механический тахометр

Это самое простое устройство, которое уже не используется. Его еще можно встретить на старых авто и мотоциклах. В основе конструкции предусматривается использование тросика, который подключается к распредвалу или коленвалу. Его задача заключается в передаче крутящего момента на приемный механизм устройства, связанный со стрелкой. Отклонение последней на определенный угол и позволяет определять фактические обороты в текущий момент.

Такие устройства применялись на старых низкооборотистых двигателях, поэтому цена их деления обычно составляла всего 250 оборотов в минуту. Главный недостаток подобных приборов в их низкой точности, что связано со спецификой передачи — применением тросика. Поскольку тот состоит из витой проволоки, то может скручиваться. Это приводит к неправильному вычислению передаточного момента шестеренок. Уровень погрешности механических тахометров может достигать 500 оборотов в минуту. Также существенным недостатком является изнашивание тросика. Чем дольше он используется, тем выше становится погрешность. При его перетирании процесс замены сопровождается целым рядом трудностей.

Аналоговый

Такое устройство является более современным, но тоже уже практически не устанавливается на современные автомобили. Его можно встретить на почти всех старых машинах возрастом от 20 лет. Аналоговый тахометр внешне очень похож на механический. Он также имеет циферблат со стрелкой, которая указывает на количество оборотов. При этом отличается сам механизм связи между стрелкой и датчиком на коленвале.

Прибор состоит из четырех главных деталей:

Магнитная катушка.
Датчик.
Размеченная шкала оборотов.
Стрелка.

Установленный на коленчатом вале датчик считывает количество его оборотов. В результате формируется электрический сигнал, передаваемый по проводам на катушку. Та под воздействием магнитного поля отклоняет стрелку, указывающую на шкалу. Фактически повторяется устройство практически каждого аналогового измерительного прибора, используемого в автомобилях и авиации.

Аналоговые устройства намного надежнее механических, хотя они также имеют погрешность до 500 оборотов в минуту. Однако в их конструкции отсутствует слабый тросик. Кроме этого установка аналогового тахометра происходит намного проще, поскольку в отличие от троса, провода возможно прокладывать под любыми углами. Это позволяет выводить тахометры в любое место на панели приборов, даже если двигатель располагается в задней части авто.

Цифровой

Это современный тахометр, работающий с погрешностью до 100 оборотов в минуту. Датчик устройства подсчитывает количество оборотов и передает их на основную часть устройства в виде многочисленных сигналов. На приборной панели автомобиля количество сигналов отображается как обороты.

Основными составными частями цифрового тахометра являются:

Процессор.
Восьмиразрядный АЦП.
Датчик.
Экран.
Оптрон.
Электронная плата.

Результаты измерения оборотов двигателя в цифровом тахометре отображаются на дисплее. Это могут быть просто цифры или стилизованный циферблат со стрелкой. При выключенном зажигании тахометр выглядит как темный экран.

Определение неисправности тахометра

Единственным признаком того, что устройство перестало работать, являются скачки показаний оборотов двигателя на холостом ходу. Также симптомом неисправности является положение стрелки на нулевой отметке даже во время нажатии педали газа. Второй симптом это явная неисправность тахометра. Скачки же оборотов могут быть вызваны и неправильной работой системы зажигания или плохим качеством горючего.

Основной причиной неисправности обычно выступает плохой контакт электроцепей прибора. Для устранения поломки разбирается и прочищается вся контактная группа. С помощью тестера проверяются провода тахометра. На работоспособность прибора могут влиять незначительные дефекты, поэтому даже малейшие следы коррозии на контактной группе удаляются. При необходимости нужно поджать места подключения контактов проводов. Также следует проверить массу электропроводки. Если она плохая, то наблюдаются сбои с работой не только тахометра, но и прочих электроприборов. Если тахометр после проверки все равно продолжает работать плохо, то проверяется контактная группа на трамблере.

Существуют и другие способы устранения неполадок, но для их диагностики необходимо наличие специализированного оборудования, которого у обычного автовладельца просто нет. Зачастую проблемы вызваны не самим тахометром, а электропроводкой авто в целом. В таком случае покупка другого устройства никак не повлияет на ситуацию. Поэтому все равно придется обращаться к автоэлектрику в сервисный центр. Тот проверит высоковольтную проводку, сам датчик коленвала и т.д.

Виды тахометров по способу установки

В зависимости от предусматриваемого способа монтажа существуют 2 типа тахометров:

Штатные являются стандартными устройствами, которые устанавливаются на приборную панель автомобиля и прочей техники еще на конвейере. Они имеют свои персональные размеры, поэтому тахометр с одного авто редко когда подойдет к другому. На шкале устройства наносятся отметки с техническими возможностями оборотов конкретного двигателя с визуальным выделением опасной зоны. Штатные тахометры самые сложные в установке, поэтому в случае их поломки замена и диагностика сопровождается необходимостью разбора всей приборной панели автомобиля. Как следствие потребуется не один час.

Выносные тахометры это внешние дополнительные приборы. Они используются для установки на транспорт, в конструкции которого изначально не предусматривается датчика оборотов. Их в основном покупают для малолитражных бюджетных авто. Те в целях экономии очень часто не имеют тахометра, что осложняет вождение машины. Выносные устройства являются бесконтактными. Обычно они работают по лазерной технологии, поэтому устанавливаются очень легко. Их конструкция предусматривает возможность закрепления на центральной консоли поблизости приборной панели.

Все материалы добавляются пользователями. При копировании необходимо указывать ссылку на источник.

Для расчёта некоторых механизмов мне нужен тахометр. Например для расчёта скорости движения робота-пылесоса нужно знать скорость вращения электромотора и исходя из этого рассчитать передаточное число редуктора.

Тахометр я решил сделать на Ардуино, это конечно финансово и трудозатратно, но очень интересно, плюс свобода разработки. Быстрее и проще купить тахометр в Китае. Если вы всё же решитесь повторить мой проект, то вот вам список деталей для самодельного тахометра:

Arduino pro mini, или другие версии
Оптический инфракрасный датчик
OLED дисплей 0,96 дюйма или любой другой, что понравится
Кнопка питания (слайдер)
USB-разъём для зарядки аккумулятора
Li-ion аккумулятор, можно от старого мобильного телефона
Провода

Сначала я конечно же искал в Интернете самодельные тахометры на Ардуино, мне попался проект тахометра Алекса Гайвера. Загрузив прошивку я начал тестировать устройство, периодически в мониторе порта проскакивали отрицательные значения или показывало слишком завышенные обороты до миллиона единиц. Я думал что глюки связаны с моим датчиком, пробовал переписывать прошивку по своему, но результат всегда был один. Есть в Интернете проекты на этой прошивке, но у меня она почему-то не пошла.

В процессе набивания шишек с прошивкой, я придумал как написать свою. По началу ничего не выходило вообще, но потом все переменные стали на свои места и тахометр заработал как положено. Код прошивки получился очень простой.

В качестве экранчика я использовал маленький OLED-дисплей, на нем можно вместить много цифр. Питается устройство от аккумулятора старого мобильного, заряжается как телефон через USB-разъём. Железо получилось компактное, для него я смоделировал корпус и распечатал на 3д принтере.

Тахометр можно дополнить кнопками для задания количества лопастей на измеряемых вентиляторах, тогда не нужно будет вычислять на калькуляторе фактическое количество оборотов в минуту. Можно добавить кнопку для запоминания максимальных оборотов. На Ардуино используется всего несколько пинов, поэтому устройство можно дополнить множеством дополнительных функций. Также на экран можно выводить больше информации, установленный дисплей позволяет это делать. Вобщем тут есть пространство для творчества.

Наконец, я перемерил этим тахометром всё, что в доме вращается, моторчики, шуруповерт, миксер, колесо у заводной машинки, прибор очень интересный, игрушка для разработчика 🙂

Делаем бесконтактный лазерный тахометр на Arduino

Простой в сборке цифровой бесконтактный тахометр на Arduino позволяет измерять скорость вращения до 99,999 об/мин

Лазерный тахометр – прибор предназначенный для оперативного измерения частоты вращения (оборотов в единицу времени) различных вращающихся деталей и механизмов. Принцип работы такого тахометра основан на измерении частоты вращения с помощь лазерного луча, отраженного от контрастной маркерной ленты, наклеенной на движущийся предмет или вал. Стоимость подобных промышленных приборов достаточно высока даже для бюджетных вариантов. В статье мы рассмотрим вариант подобного прибора на Arduino, который не уступает по точности бюджетным промышленным приборам (Рисунок 1).


Рисунок 1.	Бесконтактный лазерный тахометр на Arduino.

Схема подключения модулей к плате Arduino изображена на Рисунке 2. Процессы сборки, подключения компонентов к плате Arduino, а также компоновки в корпусе, демонстрируются в видеоролике в конце статьи.


Рисунок 2.	Схема лазерного тахометра на Arduino (подключение модулей к плате Arduino Nano).

Примененный модуль лазерного излучателя (модуль лазерного диода) имеет номинальное напряжение питания 5 В; генерируемое излучение в диапазоне 650 нм мощностью 5 мВт (Рисунок 3). Потребляемый лазером ток составляет не более 40 мА, поэтому допустимо его подключение к выходу 5 V платы Arduino (выход встроенного в плату Arduino регулятора напряжения 5 В).


Рисунок 3.	Модуль лазерного излучателя.


Рисунок 4.	Модуль лазерного датчика.

Примененный модуль OLED дисплея с разрешением 128×32 точки (на контроллере SSD1306) подключается к плате Arduino по интерфейсу I 2 C. Напряжение питания модуля дисплея равно 5 В (Рисунок 5).


Рисунок 5.	Модуль OLED дисплея с интерфейсом I 2 C и разрешением 128×32 точки для лазерного тахометра.

Скетч Arduino доступен для скачивания в разделе загрузок. В скетче, помимо стандартных библиотек Arduino, используются библиотеки Adafruit_GFX.h и Adafruit_SSD1306.h для работы с OLED дисплеем. Если эти библиотеки не установлены в среде Arduino, их необходимо установить с помощью менеджера библиотек.

Для прибора разработан корпус, проектные файлы для печати корпуса на 3D принтере доступны для скачивания в разделе загрузок. При сборке прибора автор в корпусе совместил модуль лазерного излучателя и приемника.

Видео сборки прибора и демонстрация работы

Как вы можете заметить в видеоролике, начиная с 4:40 самодельный лазерный тахометр показывает примерно те же значения, что и промышленный прибор, но с боле высокой частотой обновления значений на дисплее. Автор проекта в комментариях к видеоролику утверждает, что прибор позволяет измерять скорость до 99,999 об/мин.

Загрузки

Тахометр на Arduino

Тахометр представляет собой счетчик числа оборотов в минуту (RPM counter). Существует два типа тахометров: механические и цифровые.

Общие принципы работы проектируемого тахометра

В этом проекте мы будем создавать цифровой тахометр на основе платы Arduino и модуля инфракрасного датчика для обнаружения вращения и подсчета числа оборотов любого вращающегося объекта. Принцип его действия основан на том, что инфракрасный передатчик излучает инфракрасные лучи которые затем отражаются обратно к инфракрасному приемнику и затем инфракрасный модуль генерирует импульс на своем выходе который обнаруживается контроллером Arduino когда мы нажимаем кнопку start. Он осуществляет счет в течение 5 секунд.

После этих 5 секунд плата Arduino рассчитывает число оборотов в минуту по следующей формуле:

RPM= Count x 12 для одиночного вращающегося объекта.

Но поскольку в этом проекте для демонстрации работы схемы мы используем потолочный вентилятор, то мы должны внести некоторые изменения в приведенную формулу:

RPM=count x 12 / objects
где
objects – число лопастей в вентиляторе.

Обобщенная структурная схема работы устройства представлена на следующем рисунке.

Необходимые компоненты

Плата Arduino Pro Mini (купить на AliExpress).
Модуль инфракрасного датчика (купить на AliExpress).
ЖК дисплей 16х2 (купить на AliExpress).
Кнопка.
Макетная плата.
Батарейка на 9 В.
Соединительные провода

Работа схемы

Схема тахометра на основе платы Arduino представлена на следующем рисунке.

Схема содержит плату Arduino Pro Mini, модуль инфракрасного датчика и ЖК дисплей. Плата Arduino управляет всем процессом функционирования устройства: считывание импульса с выхода модуля инфракрасного датчика, вычисление частоты вращения (в оборотах в минуту) и передача значения этой частоты на ЖК дисплей. Инфракрасный датчик используется для обнаружения объекта. Мы можем регулировать чувствительность данного датчика с помощью встроенного в него потенциометра. Модуль инфракрасного датчика состоит из инфракрасного передатчика и фотодиода, который обнаруживает инфракрасные лучи. Инфракрасный передатчик излучает инфракрасные лучи, когда эти лучи падают на поверхность, они отражаются от нее и улавливаются фотодиодом (более подробно об этих процессах можно прочитать в статье про робота, движущегося вдоль линии). Выход фотодиода подключен к компаратору, который сравнивает значение с выхода фотодиода с опорным напряжением и результат сравнения выдает на плату Arduino.

Выход модуля инфракрасного датчика напрямую подключен ко контакту 18 (A4) Arduino. Vcc и GND подсоединены к контактам Vcc и GND arduino. ЖК дсиплей подключен к плате Arduino в 4-битном режиме. Его управляющие контакты RS, RW и En напрямую подсоединены к контактам 2, GND и 3 Arduino. Контакты данных D4-D7 подключены к контактам 4, 5, 6 и 7 Arduino. В схеме также присутствует кнопка, которую необходимо нажать для подсчета числа оборотов. Наш тахометр на основе платы Arduino подсчитывает число оборотов в течение 5 секунд а потом по вышеприведенной формуле осуществляет пересчет этого значения в число оборотов в минуту. Кнопка подключена к контакту 10 Arduino.

Исходный код программы

В программе мы будем использовать функцию чтения значения с цифрового контакта Arduino чтобы считать значение с выхода модуля инфракрасного датчика. На основе этого считанного значения мы затем будем осуществлять расчет числа оборотов в минуту.

Бесконтактный тахометр на микроконтроллере AVR. Часть 1. Схема и принцип работы

Рассматриваемый бесконтактный тахометр – это компактное устройство на микроконтроллере ATMega48 производства компании Atmel, позволяющее измерять высокие скорости вращения бесконтактным способом. Для измерения используется ИК сенсор (оптопара, ИК светодиод и ИК фотодиод в одном корпусе). Вывод данных осуществляется на двухстрочный символьный ЖК дисплей на базе контроллера HD44780.

Принцип работы

ИК сенсор (оптопара), представляющий собой миниатюрный компонент с ИК светодиодом и фотодиодом в одном корпусе, посылает ИК излучение на вращающийся механизм (вал, ротор двигателя), на котором должна быть небольшая отражающая наклейка.

Благодаря этой наклейке, каждый оборот вала вызывает появление отраженного импульса ИК излучения. Используемый сенсор производства компании Vishay Semiconductor имеет маркировку TCND-5000.

Данный сенсор был выбран после тестирования эквивалентных продуктов, так как его корпус обеспечивал оптическую изоляцию передающей и приемной части, а ИК светодиод выдерживает большие токи, что позволяет проводить измерения на больших расстояниях.

Таким образом, используя оптопару мы можем подсчитать время полного оборота вала, а далее, зная время (обозначим это время T в секундах), мы можем вычислит количество оборотов в минуту, используя простое выражение 60/T.

Получение данных от сенсора

Для снижения стоимости устройства и сложности сборки, а также для повышения гибкости системы, мы непосредственно подключим ИК сенсор к микроконтроллеру и программно реализуем всю обработку получаемого сигнала. Сразу стоит заметить, что это не так просто, так как получаемый с ИК фотодиода сигнал содержит шумы, а внешнее освещение постоянно оказывает на него влияние. Таким образом, проблема состоит в том, чтобы разработать устройство с автоматической адаптацией к внешней освещенности и расстоянию до объекта измерения.

На рисунке ниже изображена диаграмма аналогового сигнала от ИК сенсора (фотодиода)

Решение было найдено в оценке средней интенсивности, основанную на максимальном и минимальном значении интенсивности сигнала от сенсора, и включением гистерезиса в районе средней интенсивности. Гистерезис используется для предотвращения многократного счета циклов зашумленных импульсов. Рисунок ниже поясняет работу такого алгоритма.

Принципиальная схема устройства

Схемотехническое решение очень простое и компактное (благодаря использованию миниатюрного сенсора), не содержит дорогостоящих компонентов. Питание устройства осуществляется от трех батарей типа AAA.

Как вы, наверное, заметили, отсутствует потенциометр регулировки контрастности дисплея (что также позволяет уменьшить размер устройства). Это возможно благодаря программной реализации алгоритма автоматической подстройки контрастности в зависимости от уровня напряжения питания с применением ШИМ и фильтра низких частот на элементах R3, R4 и C2. Пользователи могут ознакомиться с текстом алгоритма в исходном коде ПО микроконтроллера во второй части статьи.

Разъем JP1 предназначен для внутрисхемного программирования микроконтроллера. Разъем JP2 предназначен для подключения дополнительного пользовательского датчика.

Список примененных компонентов

Обозначение в схеме	Наименование, номинал
IC1	Микроконтроллер ATmega48
Q1, Q2	Транзистор BCW66G
C1, C2	10 нФ
C4, C5	33 пФ
X1	Кварцевый резонатор 20 МГц
R1, R2, R7	470 Ом
R3	1 кОм
R4	1.5 кОм
R5	1 МОм
R6	110 Ом
R8	70 Ом
LED3	Светодиод
IR1	Оптопара TCND-5000
B1	Кнопка
B2	Выключатель питания
JP1	Разъем внутрисхемного программирования
JP2	Разъем расширения

Демонстрация работы бесконтактного тахометра на микроконтроллере AVR

Во второй части статьи рассмотрим конструкцию прибора и основные моменты в программном обеспечении микроконтроллера, включая аналого-цифровое преобразование и организацию обмена данными с ЖК дисплеем.

Читайте также: