轉(zhuǎn)速傳感器簡介（課堂PPT）

1、1走進(jìn)轉(zhuǎn)速傳感器2目錄轉(zhuǎn)速傳感器定義、分類轉(zhuǎn)速傳感器定義、分類轉(zhuǎn)速的測量方法轉(zhuǎn)速的測量方法1.2.常用轉(zhuǎn)速傳感器介紹常用轉(zhuǎn)速傳感器介紹3.光電式轉(zhuǎn)速傳感器光柵傳感器霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器電容式轉(zhuǎn)速傳感器電渦流傳感器測速發(fā)電機(jī)31.轉(zhuǎn)速的測量方法1 轉(zhuǎn)速儀 旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速測量在工程上經(jīng)常被遇到，用于確定物體轉(zhuǎn)動(dòng)速度的快慢，以每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)來表達(dá)，即r/min。 測量轉(zhuǎn)速的儀器統(tǒng)稱為轉(zhuǎn)速儀。 轉(zhuǎn)速儀的種類繁多，按照測量原理可分為模擬法、計(jì)數(shù)法和同步法；按變換方式又可分為機(jī)械式、電氣式、光電式和頻閃式等。41.轉(zhuǎn)速的測量方法2 轉(zhuǎn)速的測量方法及其特點(diǎn)51.轉(zhuǎn)速的測量方法2 轉(zhuǎn)速的測量方法及其特點(diǎn)62.轉(zhuǎn)速傳感

2、器的定義、分類1 轉(zhuǎn)速傳感器的定義 轉(zhuǎn)速傳感器是將旋轉(zhuǎn)物體的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為電量輸出的傳感器。轉(zhuǎn)速傳感器屬于間接式測量裝置，可用機(jī)械、電氣、磁、光和混合式等方法制造。按信號(hào)形式的不同，轉(zhuǎn)速傳感器可分為模擬式和數(shù)字式兩種。72.轉(zhuǎn)速傳感器的定義、分類激光式（光電式）變磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器轉(zhuǎn)速傳感器的分類的分類磁敏式磁電式電容式2 轉(zhuǎn)速傳感器的分類82.轉(zhuǎn)速傳感器的定義、分類3 各種轉(zhuǎn)速傳感器的簡介1）磁敏式 磁敏式轉(zhuǎn)速傳感器由磁敏電阻作感應(yīng)元件，是新型的轉(zhuǎn)速傳感器。核心部件是采用磁敏電阻作為檢測的元件，再經(jīng)過全新的信號(hào)處理電路令噪聲降低,功能更完善。通過與其它類型齒轉(zhuǎn)速傳感器的輸出波形對(duì)比，所測到轉(zhuǎn)速的誤

3、差極小以及線性特性具有很好的一致性.感應(yīng)對(duì)象為磁性材料或?qū)Т挪牧?，如磁鋼、鐵和電工鋼等。當(dāng)被測體上帶有凸起（或凹陷）的磁性或?qū)Т挪牧?，隨著被測物體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，傳感器輸出與旋轉(zhuǎn)頻率相關(guān)的脈沖信號(hào)，達(dá)到測速或位移檢測的發(fā)訊目的。9磁敏式轉(zhuǎn)速傳感器102.轉(zhuǎn)速傳感器的定義、分類2.3 各種轉(zhuǎn)速傳感器的簡介2）激光式 普林斯頓光學(xué)是世界著名的光學(xué)儀器；PR-870是利用激光反射原理，獲得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的信號(hào)，可測量轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。特點(diǎn)是分辨率高，距離遠(yuǎn)，實(shí)用范圍廣，頻響寬，可靠性高。內(nèi)裝放大整形電路，輸出為幅度穩(wěn)定的方波信號(hào)，能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。112.轉(zhuǎn)速傳感器的定義、分類3 各種轉(zhuǎn)速傳感器的簡介3）磁電式 航振H

4、Z-860磁電轉(zhuǎn)速傳感器，能將轉(zhuǎn)角位移轉(zhuǎn)換成電信號(hào)供計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，只要非接觸就能測量各種導(dǎo)磁材料如：如齒輪、葉輪、帶孔（或槽、螺釘）圓盤的轉(zhuǎn)速及線速度。12磁電式轉(zhuǎn)速傳感器132.轉(zhuǎn)速傳感器的定義、分類2.3 各種轉(zhuǎn)速傳感器的簡介4）電容式 電容式轉(zhuǎn)速傳感器有面積變化型和介質(zhì)變化型兩種。圖中中是面積變化型的原理，圖中電容式轉(zhuǎn)速傳感器由兩塊固定金屬板和與轉(zhuǎn)動(dòng)軸相連的可動(dòng)金屬板構(gòu)成?？蓜?dòng)金屬板處于電容量最大的位置，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)180時(shí)則處于電容量最小的位置。電容量的周期變化速率即為轉(zhuǎn)速?？赏ㄟ^直流激勵(lì)、交流激勵(lì)和用可變電容構(gòu)成振蕩器的振蕩槽路等方式得到轉(zhuǎn)速的測量信號(hào)。介質(zhì)變化型是在電容器的兩個(gè)固定電

5、極板之間嵌入一塊高介電常數(shù)的可動(dòng)板而構(gòu)成的?？蓜?dòng)介質(zhì)板與轉(zhuǎn)動(dòng)軸相連，隨著轉(zhuǎn)動(dòng)軸的旋轉(zhuǎn)，電容器板間的介電常數(shù)發(fā)生周期性變化而引起電容量的周期性變化，其速率等于轉(zhuǎn)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速。142.轉(zhuǎn)速傳感器的定義、分類3 各種轉(zhuǎn)速傳感器的簡介5）變磁阻式 變磁阻式傳感器。變磁阻式傳感器的三種基本類型，電感轉(zhuǎn)速傳感器、變壓器式傳感器和電渦流式傳感器都可制成轉(zhuǎn)速傳感器。電感式轉(zhuǎn)速傳感器應(yīng)用較廣，它利用磁通變化而產(chǎn)生感應(yīng)電勢，其電勢大小取決于磁通變化的速率。這類傳感器按結(jié)構(gòu)不同又分為開磁路式和閉磁路式兩種。開磁路式轉(zhuǎn)速傳感器結(jié)構(gòu)比較簡單，輸出信號(hào)較小，不宜在振動(dòng)劇烈的場合使用。閉磁路式轉(zhuǎn)速傳感器由裝在轉(zhuǎn)軸上的外齒輪、

6、內(nèi)齒輪、線圈和永久磁鐵構(gòu)成。內(nèi)、外齒輪有相同的齒數(shù)。當(dāng)轉(zhuǎn)軸連接到被測軸上一起轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于內(nèi)、外齒輪的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生磁阻變化，在線圈中產(chǎn)生交流感應(yīng)電勢。測出電勢的大小便可測出相應(yīng)轉(zhuǎn)速值。a.開磁路式b.閉磁路式15變磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器16 10106 610105 510104 410103 35 510105 55 510104 45 510103 3101015155 510101414101014145 5101013135 510101515101016163 31010181810010010101 150505 50.50.5可見光可見光近紅外近紅外遠(yuǎn)紅外遠(yuǎn)紅外極遠(yuǎn)紫外極遠(yuǎn)紫外0.01

7、0.010.10.11 110100.050.050.50.55 5波數(shù)波數(shù)/cm/cm-1-1頻率頻率/Hz/Hz光子能量光子能量/eV/eV波長波長/m/m一、光電效應(yīng)的介紹一、光電效應(yīng)的介紹 自然界的一切物質(zhì)在環(huán)境溫度高于0K以上時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生電磁波輻射，其中光是波長約在100.01m之間的電磁輻射，其光譜如圖所示。光電式轉(zhuǎn)速傳感器17 光電效應(yīng)光電效應(yīng) ：物體吸收光能后轉(zhuǎn)換為該物體中某些電子的能量，從而產(chǎn)生的電效應(yīng)。包括外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)又分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)：在光線作用下，電子獲得光子的能量從而脫離正電荷的束縛，使電子逸出物體表面。內(nèi)光電效

8、應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)：光照射到半導(dǎo)體或絕緣體的表面時(shí)，使物體內(nèi)部的受束縛電子受到激發(fā)，從而使物體的導(dǎo)電性能改變。 光電導(dǎo)效應(yīng)：光電導(dǎo)效應(yīng)：在光線的作用下，半導(dǎo)體的電導(dǎo)率增加，這種現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。 光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)是指半導(dǎo)體在受到光照射時(shí)產(chǎn)生電動(dòng)勢的現(xiàn)象光電效應(yīng)的介紹光電效應(yīng)的介紹18 當(dāng)物體在光線照射作用下，一個(gè)電子吸收了一個(gè)光子的能量后，其中的一部分能量消耗于電子由物體內(nèi)逸出表面時(shí)所作的逸出功，另一部分則轉(zhuǎn)化為逸出電子的動(dòng)能。根據(jù)能量守恒定律，可得 式中 A0 電子逸出物體表面所需的功（逸出功）； 電子的質(zhì)量 V0 電子逸出物體表面時(shí)的初速度。 上式即為愛因斯坦光電方程式20012hvA

9、mVkg10109. 931m 已知每個(gè)光子具有的能量為： 式中， h =6.62610-34 Js普朗克常數(shù) ； 光的頻率。Ehv光電效應(yīng)的介紹光電效應(yīng)的介紹191）直射式光電轉(zhuǎn)速傳感器）直射式光電轉(zhuǎn)速傳感器 組成：開孔圓盤、光源、光敏元件 開孔圓盤的輸入軸與被測軸相連接，光源發(fā)出的光，通過開孔圓盤和縫隙板照射到光敏元件上被光敏元件所接收，將光信號(hào)轉(zhuǎn)為電信號(hào)輸出。開孔圓盤上有許多小孔，開孔圓盤旋轉(zhuǎn)一周，光敏元件輸出的電脈沖個(gè)數(shù)等于圓盤的開孔數(shù)，因此，可通過測量光敏元件輸出的脈沖頻率，得知被測轉(zhuǎn)速，即 n=f/Nn - 轉(zhuǎn)速 f - 脈沖頻率 N - 圓盤開孔數(shù)。 二、光電轉(zhuǎn)速傳感器二、光電轉(zhuǎn)

10、速傳感器 202）反射式光電轉(zhuǎn)速傳感器）反射式光電轉(zhuǎn)速傳感器結(jié)構(gòu)：旋轉(zhuǎn)部件、反光片（或反光貼紙）、反射式光電傳感器 在可以進(jìn)行精確定位的情況下，在被測部件上對(duì)稱安裝多個(gè)反光片或反光貼紙會(huì)取得較好的測量效果。 由于測試距離近且測試要求不高，僅在被測部件上只安裝了一片反光貼紙，因此，當(dāng)旋轉(zhuǎn)部件上的反光貼紙通過光電傳感器前時(shí)，光電傳感器的輸出就會(huì)跳變一次。通過測出這個(gè)跳變頻率f，就可知道轉(zhuǎn)速n。 n=f如果在被測部件上對(duì)稱安裝多個(gè)反光片或反光貼紙，那么，n=f/N。N-反光片或反光貼紙的數(shù)量。二、光電轉(zhuǎn)速傳感器二、光電轉(zhuǎn)速傳感器 21 1）投射式光電轉(zhuǎn)速傳感器）投射式光電轉(zhuǎn)速傳感器 投射式光電轉(zhuǎn)速傳

11、感器設(shè)有讀數(shù)盤和測量盤，兩者之間存在間隔相同的縫隙。投射式光電轉(zhuǎn)速傳感器在測量物體轉(zhuǎn)速時(shí)，測量盤會(huì)隨著被測物體轉(zhuǎn)動(dòng)，光線則隨著測量盤轉(zhuǎn)動(dòng)而不斷經(jīng)過各條縫隙，并透過各條縫隙投射到光敏元件上。每轉(zhuǎn)過一條縫隙，從光源投射到光敏元件上的光線產(chǎn)生一次明暗變化。投射式光電轉(zhuǎn)速傳感器的光敏元件在接收光線并感知其明暗變化后，即輸出電流脈沖信號(hào)。通過在一段時(shí)間內(nèi)的計(jì)數(shù)和計(jì)算，就可以獲得被測對(duì)象的轉(zhuǎn)速狀態(tài)。三、光電式轉(zhuǎn)速計(jì)三、光電式轉(zhuǎn)速計(jì) 光電轉(zhuǎn)速計(jì)是利用光電效應(yīng)原理制成的。即利用光電管或光電晶體管將光脈沖變成電脈沖。由光電管構(gòu)成的轉(zhuǎn)速計(jì)分反射型和直射型兩種。22 2）反射式光電轉(zhuǎn)速傳感器）反射式光電轉(zhuǎn)速傳感器

12、反射式光電轉(zhuǎn)速傳感器是通過在被測轉(zhuǎn)軸上設(shè)定反射記號(hào)，而后獲得光線反射信號(hào)來完成物體轉(zhuǎn)速的測量。反射式光電轉(zhuǎn)速傳感器的光源會(huì)對(duì)被測轉(zhuǎn)軸發(fā)出光線，光線通過透鏡和半透膜入射到被測轉(zhuǎn)軸上。轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，反射記號(hào)對(duì)投射光點(diǎn)的反射率就會(huì)發(fā)生變化反射式光電轉(zhuǎn)速傳感器內(nèi)裝有光敏元件，當(dāng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)反射率增大時(shí)，反射光線經(jīng)透鏡投射到光敏元件上即發(fā)出一個(gè)脈沖信號(hào)；而當(dāng)反射光線隨轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)到另一位置時(shí)，反射率變小，光線變?nèi)?，光敏元件無法感應(yīng)即不會(huì)發(fā)出脈沖信號(hào)。在一定時(shí)間內(nèi)對(duì)信號(hào)計(jì)數(shù)便可測出轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速值。23 四、光電式編碼器的應(yīng)用四、光電式編碼器的應(yīng)用 1)脈沖頻率法測轉(zhuǎn)速利用脈沖頻率測量是在給定的時(shí)間內(nèi)對(duì)編碼器發(fā)出的脈沖

13、計(jì)數(shù)。 在給定時(shí)間t內(nèi)，使門電路選通，編碼器輸出脈沖允許進(jìn)入計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，這樣，可計(jì)算出時(shí)間t內(nèi)編碼器的平均轉(zhuǎn)速。式中， t測速采樣時(shí)間（s) ； N1時(shí)間t內(nèi)測得的脈沖個(gè)數(shù)；N編碼器每轉(zhuǎn)脈沖個(gè)數(shù)（與編碼器型號(hào)有關(guān)） min)/(60)/()/(/ )(111rtNNsrNtNrpulseNtpulseNn轉(zhuǎn)速測量：轉(zhuǎn)速可由編碼器發(fā)出的脈沖頻率或周期來測量。24 四、光電式編碼器的應(yīng)用四、光電式編碼器的應(yīng)用 2)脈沖周期法測轉(zhuǎn)速 通過計(jì)數(shù)編碼器一個(gè)脈沖間隔內(nèi)（半個(gè)脈沖周期）標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)來計(jì)算其轉(zhuǎn)速，因此要求時(shí)鐘脈沖的頻率必須高于編碼器脈沖的頻率。 當(dāng)編碼器輸出脈沖正半周時(shí)選通門電路，標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘

14、通過控制門進(jìn)入計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器輸出N2 ,可得出其轉(zhuǎn)速的兩種計(jì)算公式為N編碼器每轉(zhuǎn)脈沖個(gè)數(shù)（pulse/s)；T標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖周期（s）N2編碼器一個(gè)脈沖間隔（即半個(gè)編碼器脈沖周期）內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖輸出個(gè)數(shù)。)/(212srNTNn min)/(2602rNTNn25 五、光柵傳感器五、光柵傳感器 光柵編碼器測量原理 光柵傳感器一般用來測量角的位移如果在單位時(shí)間內(nèi)測量角位移則為被測物體的轉(zhuǎn)速。測周法低轉(zhuǎn)速 用光柵編碼器輸出信號(hào)的上升沿觸發(fā)計(jì)數(shù)器對(duì)高頻時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)；用其下降沿觸發(fā)鎖存器，將計(jì)數(shù)器內(nèi)的數(shù)值進(jìn)行鎖存，依據(jù)鎖存器的內(nèi)容可求得角位移所經(jīng)過的時(shí)間，由此可得實(shí)際轉(zhuǎn)速。測頻法高轉(zhuǎn)速 單位時(shí)間

15、內(nèi)對(duì)光柵編碼器輸出脈沖計(jì)數(shù)，從而直接測得轉(zhuǎn)速。26 七、光電式傳感器的優(yōu)點(diǎn) 由于光電轉(zhuǎn)速傳感器是以光線的投射和接收來完成轉(zhuǎn)速測量的一種轉(zhuǎn)速表。光電轉(zhuǎn)速傳感器的設(shè)計(jì)精密、應(yīng)用方便，使用范圍廣泛。光電轉(zhuǎn)速傳感器的優(yōu)點(diǎn)很多，例如結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)行穩(wěn)定、不會(huì)對(duì)被測量軸形成額外負(fù)載等。（1）光電轉(zhuǎn)速傳感器為非接觸式轉(zhuǎn)速表光電轉(zhuǎn)速傳感器采用光學(xué)原理制造，屬于非接觸式轉(zhuǎn)速測量儀表，它的測量距離一般可達(dá)200mm左右。光電轉(zhuǎn)速傳感器的測量無需與被測量對(duì)象接觸，不會(huì)對(duì)被測量軸形成額外的負(fù)載，因此光電轉(zhuǎn)速傳感器的測量誤差更小，精度更高。 27 光電式轉(zhuǎn)速傳感器的優(yōu)點(diǎn)光電式轉(zhuǎn)速傳感器的優(yōu)點(diǎn)（2）光電轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)緊湊

16、 光電轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)緊湊，主要由投射光線部件、接收光線部件也就是光敏元件和放大元件等組成，因此光電轉(zhuǎn)速傳感器的體積設(shè)計(jì)小巧、內(nèi)部結(jié)構(gòu)精致，一般重量不會(huì)超過200g，非常便于使用者的攜帶、安裝和使用。（3）光電轉(zhuǎn)速傳感器的抗干擾性好 光電轉(zhuǎn)速傳感器多采用LED作為光線投射部件，極少會(huì)出現(xiàn)光線停頓的情況，也不會(huì)存在燈泡燒毀等故障危險(xiǎn)。另外，光電轉(zhuǎn)速傳感器的光源都是經(jīng)過特殊方式調(diào)制的，有極強(qiáng)的抗干擾能力，不會(huì)受普通光線的干擾。(4)光電轉(zhuǎn)速傳感器的測量能力好 光電轉(zhuǎn)速傳感器的可采用光纖封裝，可于測量微小的物體，特別是微小旋轉(zhuǎn)體的測量，特別適用于高精密、小元件的機(jī)械設(shè)備測量。光電轉(zhuǎn)速傳感器的運(yùn)行穩(wěn)定

17、，有良好的可靠性，測量的精度較高，能滿足使用者的測量要求。28 激光式 普林斯頓光學(xué)是世界著名的光學(xué)儀器；PR-870是利用激光反射原理，獲得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的信號(hào)，可測量轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。特點(diǎn)是分辨率高，距離遠(yuǎn)，實(shí)用范圍廣，頻響寬，可靠性高。內(nèi)裝放大整形電路，輸出為幅度穩(wěn)定的方波信號(hào)，能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。29光電數(shù)字式轉(zhuǎn)速表光電式轉(zhuǎn)速傳感器30霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器3.1 霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器 霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器是利用霍爾效應(yīng)的原理制成的?；魻栃?yīng)是指在一個(gè)矩形半導(dǎo)體薄片上有一電流通過，此時(shí)如有一磁場也作用于該半導(dǎo)體材料上，則在垂直于電流方向的半導(dǎo)體兩端，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很小的電壓，該電壓就稱為霍爾電壓。當(dāng)磁性材料制成的傳感

18、器轉(zhuǎn)子上的凸齒交替經(jīng)過永久磁鐵的空隙時(shí)，就會(huì)有一個(gè)變化的磁場作用于霍爾元件（半導(dǎo)體材料）上，使霍爾電壓產(chǎn)生脈沖信號(hào)。根據(jù)所產(chǎn)生的脈沖數(shù)目即可檢測轉(zhuǎn)速。2/27/202231 霍爾效應(yīng)在半導(dǎo)體上外加與電流方向垂直的磁場，會(huì)使得半導(dǎo)體中的電子與空穴受到不同方向的洛倫茲力而在不同方向上聚集，在聚集起來的電子與空穴之間會(huì)產(chǎn)生電場，電場強(qiáng)度與洛倫茲力產(chǎn)生平衡之后，不再聚集，此時(shí)電場將會(huì)使后來的電子和空穴受到電場力的作用而平衡掉磁場對(duì)其產(chǎn)生的洛倫茲力，使得后來的電子和空穴能順利通過不會(huì)偏移，此稱為霍爾效應(yīng)。而產(chǎn)生的內(nèi)建電壓稱為霍爾電壓。2/27/202232 方便起見，假設(shè)導(dǎo)體為一個(gè)長方體，長度分別為a、

19、b、d，磁場垂直ab平面。電流經(jīng)過ad，電流I = nqv(ad)，n為電荷密度。設(shè)霍爾電壓為VH，導(dǎo)體沿霍爾電壓方向的電場為VH / a。設(shè)磁場強(qiáng)度為B。洛倫茲力f=qE+qvB/c(Gauss 單位制)電荷在橫向受力為零時(shí)不再發(fā)生橫向偏轉(zhuǎn)，結(jié)果電流在磁場作用下在器件的兩個(gè)側(cè)面出現(xiàn)了穩(wěn)定的異號(hào)電荷堆積從而形成橫向霍爾電場。 由實(shí)驗(yàn)可測出 E= UH/W 定義霍爾電阻為RH= UH/I =EW/jW= E/jj = q n vRH=-vB/c /(qn v)=- B/(qnc)UH=RH I= -B I /(q n c)33霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器YL-57霍爾傳感器模塊34設(shè)頻率計(jì)的頻率為f，粘貼的

20、磁鋼數(shù)為Z，則轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速為：若Z=60，則n=f，即轉(zhuǎn)速為頻率計(jì)的示值。但是，粘貼60塊磁鋼不易實(shí)現(xiàn)。通常粘貼6塊磁鋼，則轉(zhuǎn)速為：60/minfnrZ10nf1-輸入軸；2-轉(zhuǎn)速；3-小磁鐵；4-霍爾傳感器2/27/202235WB3144是一款單極霍爾開關(guān)單極霍爾開關(guān)器件，當(dāng)磁N極靠近它的印章面時(shí)，開關(guān)輸出低電平，當(dāng)磁N極撤離后開關(guān)輸出高電平。如想要用S極來控制開關(guān)，側(cè)感應(yīng)面就變?yōu)橛≌旅娴谋趁?。?dāng)磁S極靠近它的印章面背面時(shí)，開關(guān)輸出低電平，當(dāng)磁S極撤離后開關(guān)輸出高電平。因此安裝使用時(shí)改變感應(yīng)面后控制磁極也應(yīng)要作相應(yīng)的改變才能感應(yīng)。2/27/2022362/27/202237 轉(zhuǎn)速的測量方法很多

21、，根據(jù)脈沖計(jì)數(shù)來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速測量的方法主要有M M法法( (測頻法測頻法) )、T T法法( (測周期法測周期法) )和和MPTMPT法法( (頻率周期法頻率周期法) )，該系統(tǒng)采用了M M法法( (測頻測頻法法) )。由于轉(zhuǎn)速是以單位時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)數(shù)來衡量，在變換過程中多數(shù)是有規(guī)律的重復(fù)運(yùn)動(dòng)。根據(jù)霍爾效應(yīng)原理，將一塊永久磁鋼固定在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)盤邊沿，轉(zhuǎn)盤隨側(cè)軸旋轉(zhuǎn)，磁鋼也將跟著同步旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)盤下方安裝一個(gè)霍爾器件，轉(zhuǎn)盤隨軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，受磁鋼所產(chǎn)生的磁場的影響，霍爾器件輸出脈沖信號(hào)，其頻率和轉(zhuǎn)速成正比。脈沖信號(hào)的周期與電機(jī)的轉(zhuǎn)速有以下關(guān)系： n=PT/60 式中：n為電機(jī)轉(zhuǎn)速；P為電機(jī)轉(zhuǎn)一圈的脈沖數(shù)；T為

22、輸出方波信號(hào)周期。根據(jù)式即可計(jì)算出待測物體的轉(zhuǎn)速2/27/202238霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的優(yōu)勢霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的應(yīng)用優(yōu)勢主要有三個(gè)：一是霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的輸出信號(hào)不會(huì)受到轉(zhuǎn)速值的影響二是霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的頻率相應(yīng)高三是霍爾轉(zhuǎn)速傳感器對(duì)電磁波的抗干擾能力強(qiáng)因此霍爾轉(zhuǎn)速傳感器多應(yīng)用在控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速檢測中。同時(shí)，霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的穩(wěn)定性好，抗外界干擾能力強(qiáng)穩(wěn)定性好，抗外界干擾能力強(qiáng)，如抗錯(cuò)誤的干擾信號(hào)等，因此不易因環(huán)境的因素而產(chǎn)生誤差?；魻栟D(zhuǎn)速傳感器的測量頻率范圍寬測量頻率范圍寬，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于電磁感應(yīng)式無源傳感器。另外，霍爾轉(zhuǎn)速傳感器在防護(hù)措施有效的情況下，可以不受電子、電氣環(huán)境影響不受電子、電氣環(huán)境影響?；魻栟D(zhuǎn)速

23、傳感器的，測量結(jié)果精確穩(wěn)定，輸出信號(hào)可靠，可以放油、防潮，并且能在溫度較高的環(huán)境中工作，普通霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的工作溫度可以達(dá)到100?；魻栟D(zhuǎn)速傳感器的安裝簡單，使用方便，能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。2/27/2022393.常用轉(zhuǎn)速傳感器介紹3.2電容式轉(zhuǎn)速傳感器 電容式轉(zhuǎn)速傳感器(以下簡稱傳感器)是一種電參數(shù)型數(shù)字式轉(zhuǎn)速傳感器電參數(shù)型數(shù)字式轉(zhuǎn)速傳感器。它同其它數(shù)字式轉(zhuǎn)速傳感器一樣。主要是由預(yù)變換元件預(yù)變換元件和變換元件變換元件兩部分組成。在這種傳感器里。預(yù)變換元件是導(dǎo)電或介電齒盤，變換元件是作為變換電路元件的電容器。工作時(shí)，齒盤隨被測軸轉(zhuǎn)動(dòng)，周期性地改變電容器導(dǎo)電極板之間的周期性地改變電容器導(dǎo)電極板之間

24、的相對(duì)面積或介電常數(shù)，使電容量發(fā)生周期性變化相對(duì)面積或介電常數(shù)，使電容量發(fā)生周期性變化。即傳感器利用電容變換原理將被測軸的機(jī)械轉(zhuǎn)速量變換成電路元件的電容參數(shù)量。因?yàn)辇X盤每轉(zhuǎn)過一個(gè)齒。導(dǎo)因?yàn)辇X盤每轉(zhuǎn)過一個(gè)齒。導(dǎo)電極板之間的電容器就要變化一個(gè)周期。所以傳感器輸出的電容參數(shù)信號(hào)之頻率電極板之間的電容器就要變化一個(gè)周期。所以傳感器輸出的電容參數(shù)信號(hào)之頻率與被測轉(zhuǎn)速成正比與被測轉(zhuǎn)速成正比。這種電容參數(shù)信號(hào)經(jīng)傳感電路處理后就成為表征被測轉(zhuǎn)速的可供轉(zhuǎn)速數(shù)字顯示儀測量的脈沖電量信號(hào)了。這就是該傳感器可用于數(shù)字式轉(zhuǎn)速測量的原理 。2/27/202240電容式轉(zhuǎn)速傳感器的分類 電容式轉(zhuǎn)速傳感器按欲變換功能分類按極

25、板狀分類按輸出信號(hào)相位分類 變面積型變介電常數(shù)型 平板型 圓柱面型 齒型 單一型 差動(dòng)型2/27/202241變面積型 變面積型傳感器中，預(yù)變換元件是用低電阻率的輕型金屬材料 (如銅、鋁等)制成的導(dǎo)電齒盤。變換元件是以導(dǎo)電齒盤的齒部為一極板 (即動(dòng)極 板)和 固定安裝 的另一極板 (即定極板)1或 2所 組成的電容器。工作時(shí)，導(dǎo)電齒盤隨被測軸轉(zhuǎn)動(dòng)，動(dòng)極板與定極板之間的相對(duì)面積發(fā)生周期性變化，使兩極板之間的電容量發(fā)生周期性變化。變面積型傳感器因其變換元件中有動(dòng)極板而存在滑動(dòng)電接點(diǎn)，影響變換電路的可靠性。但由于齒盤采用的是輕型金屬材料，其齒數(shù)可以做得較多，容易制成輸出信號(hào)之每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)較多的 高精確

26、度傳感器。如常用于電機(jī)瞬態(tài)轉(zhuǎn)速測量的多齒電容角度傳感器就是采用齒形的變面積型結(jié)構(gòu)。其出信號(hào)的每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)為 256個(gè) 。2/27/202242上式表明電容的變化量和面積的變化量成線性關(guān)系上式表明電容的變化量和面積的變化量成線性關(guān)系2/27/202243 變介電常數(shù)型傳感器的結(jié)構(gòu)形式如圖所示。在這類傳感器中，預(yù)變換元件是用介電常數(shù)很高的非金屬材料 (如陶瓷、夾布膠木等)制成的齒盤。稱為介電齒盤。變換元件是由一對(duì)固定安裝的導(dǎo)電極板 (即定極板)組成的電容器。工作時(shí)，介電齒盤隨被測軸轉(zhuǎn)動(dòng)，其齒部周期性地從兩定極板之間經(jīng)過，使兩定極板之間的介電常數(shù)發(fā)生周期性變化，其電容量也發(fā)生周期性變化。 變介電常數(shù)型

27、傳感器困其變換元件中無動(dòng)極板而不存在滑動(dòng)電極點(diǎn)，提高了變換電路的可靠性。但由于齒盤采用的是非金屬材料，其齒數(shù)不可能做得太多，因而輸出信號(hào)之每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)較少。 如圖所示傳感器的預(yù)變換元件只是一塊可動(dòng)介質(zhì)板，相當(dāng)于只有一個(gè)齒的介質(zhì)齒盤，故輸出信號(hào)的 每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)為 l。 變介電常數(shù)型2/27/2022442/27/2022452/27/202246平板型 平板型傳感器因齒盤之齒不能太小 (否則困極板間的工作面太小而電容變化量太小)，其齒數(shù)就不可能做得太多 (否則齒太大)，故輸出信號(hào)的每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)較少。上圖所示傳感器的齒盤只是一塊 扇形板，其輸 出信號(hào)的每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)為 l。 這類傳感器因齒盤較薄而重量輕，困

28、結(jié)構(gòu)簡單而容易制造，所以在小負(fù)荷轉(zhuǎn)速測量中用得較多。 其定極板的安裝方向與齒盤的軸向垂直。 2/27/202247圓柱型圓柱面型圓柱面型傳感器的結(jié)構(gòu)形式如圖所示。它的導(dǎo)電極板的相對(duì)面都制成圓柱面形狀。其動(dòng)極板實(shí)際上就是齒盤的齒頂面，定極板的安裝方向是使其圓柱面的軸向與齒盤的軸向平行。圓柱面型傳感器與平板型傳感器一樣也困齒盤的齒不能太小而齒數(shù)有限，故輸出信號(hào)的每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)不多，再加上它因?yàn)辇X盤較厚而重量較重，結(jié)構(gòu)復(fù)雜而難于制造，故很少有產(chǎn)品應(yīng)市。但是這種結(jié)構(gòu)形式都適宜使用者在自制時(shí)采用，因?yàn)樗梢岳帽粶y軸上原有結(jié)構(gòu)中的等分槽 (如花鍵槽)或凸起的金屬表面作為動(dòng)極板。 2/27/202248它的定

29、極板被制成齒數(shù)與齒盤的齒數(shù)相等的齒座旨座與齒盤套裝在同一殼體內(nèi)，其軸線重合。它們的齒頂就是電容器的導(dǎo)電極板，其相對(duì)面都呈圓柱面形狀 ，可以看出齒座 上的每一個(gè)齒都與盤組成一個(gè)圓柱面型傳感器。設(shè)齒座之齒數(shù)為z，則導(dǎo)電極板之間的最大相對(duì)面積和最大電容量比較，齒形傳感器為相同齒盤的圓柱面型傳感器的Z倍。 齒型傳感器靈敏度高、結(jié)構(gòu) 緊湊、安裝使用方便、抗干擾能力強(qiáng)。又因其電容量較大，齒座和齒盤的齒部可以做得小而多，故體積不大而輸出信號(hào)的每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)較多，很適于測量瞬態(tài)轉(zhuǎn)速所以它雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但應(yīng)用較多。 齒型2/27/2022491.單一型 單一型傳感器只有一個(gè)或一組定極板，在變換電路中相當(dāng)于一只單聯(lián)可

30、變電容器，工作時(shí)只輸出一路信號(hào)。2差動(dòng)型 差動(dòng)型傳感器有兩塊 （或 兩組）形狀尺寸相同互相絕緣的定極板1和2，在變換電路中相當(dāng)于一只受控于同一轉(zhuǎn)軸而變化規(guī)律相反的雙聯(lián)可變電容器。工作中，當(dāng)一塊定極板正對(duì)齒盤 之齒頂而電容量最大時(shí)，另一塊定極板恰好正對(duì)齒盤之齒槽而電容量最小因此，它能同時(shí)輸出兩路極性相反的信號(hào)。差動(dòng)型傳感器常用于差動(dòng)電橋式變換電路。它雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但靈敏度高，能自動(dòng)補(bǔ)償溫度誤差 。因此用得較多。 2/27/2022502/27/202251誤差分析1.寄生電容誤差 事實(shí)上，電容傳感器中存在寄生電容的影響。 主要由兩部分組成 ：一是電一是電場邊緣效應(yīng)所造成的附加電容場邊緣效應(yīng)所造成

31、的附加電容，二是各結(jié)構(gòu)部件間的附加電容二是各結(jié)構(gòu)部件間的附加電容。邊緣效應(yīng)發(fā)生在以下幾 方面：在一 個(gè)齒距內(nèi)，定片齒頂與動(dòng)片齒頂之間；定片齒槽與動(dòng)片齒槽之 間。由于寄生電容的影響，使電容傳感器的輸出電容量增大了， 同時(shí)，又使電容量的變化范圍減小了。因?yàn)橛呻妶鲞吘壭?yīng)所產(chǎn)生的附加電容量是周期性變化的，時(shí)大時(shí)小。當(dāng)定、動(dòng)片的齒頂相對(duì)時(shí)，工作電容量最大 ，而邊緣效應(yīng)為最小，附加電容量?。划?dāng)定、動(dòng)片的齒頂對(duì)齒槽時(shí)，工作電容量最小，而邊緣效應(yīng)為最大，附加電容量大。2.由動(dòng)片引起的不圓度誤差3.動(dòng)片的偏心誤差2/27/202252改善措施1.克服寄生電容誤差 首先，對(duì)多齒電容傳感器的幾何結(jié)構(gòu)和參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化

32、設(shè)計(jì)，最大限度抵消邊緣效應(yīng)影響。其次采取較好的屏蔽措施，選用合適的轉(zhuǎn)換電路，減少寄生電容的作用。2.周期型誤差的影響 經(jīng)分析，不圓度誤差和偏心誤差都是按照余弦函數(shù)規(guī)律變化的，故認(rèn)為是周期性誤差。消除此類誤差的方法有：提高傳感器的加工精度；采用周期數(shù)乘法測量周期；增加測量時(shí)間的計(jì)數(shù)脈沖數(shù)。2/27/202253電容式轉(zhuǎn)速傳感器的優(yōu)點(diǎn)(1)高阻抗、小功率,因而所需的輸入力很小，輸人能量也很低。(2)溫度穩(wěn)定性好。傳感器的電容值一般與電極材料無關(guān)，有利于選擇溫度系數(shù)低的材料， 又因本身發(fā)熱極小，對(duì)穩(wěn)定性影響甚微。(3)結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性強(qiáng)，待測體是導(dǎo)體或半導(dǎo)體均可,可在惡劣環(huán)境中工作。(4)動(dòng)態(tài)響應(yīng)好

33、。由于極板間的靜電引力很小，可動(dòng)部分做得很小很薄，因此其固有頻率很高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短，能在幾兆赫的頻率下工作，(5)可以實(shí)現(xiàn)非接觸測量，具有平均效應(yīng)。54電渦流傳感器1 工作原理 如果將一個(gè)繞在骨架上的空心線圈與正弦交流電源接通,流過線圈的電流會(huì)在線圈周圍空間產(chǎn)生交變磁場。當(dāng)將導(dǎo)電的金屬接近該線圈時(shí)，金屬導(dǎo)體中會(huì)感應(yīng)出一圈圈自相閉合的電流，這種電流稱為“電渦流”，如圖（a）所示。渦流的大小和金屬導(dǎo)體的電阻率 ，磁導(dǎo)率 、厚度 、線圈與金屬導(dǎo)體的距離X，以及線圈勵(lì)磁電流的交變頻率 等參數(shù)有關(guān)。如果固定其中某些參數(shù)，就可根據(jù)渦流的大小來測量出另外一些參數(shù)。 55 為了簡化問題，我們把金屬導(dǎo)體理解為

34、一個(gè)短路線圈，圖（b）所示為電渦流傳感器與被測體的等效電路。其中R1 、L1 為空心線圈的電阻和電感;R2 、L2 為短路線圈的電阻和電感;而M則為兩線圈的互感。根據(jù)等效電路可寫出兩個(gè)電壓平衡方程式： 將該方程聯(lián)立求解可得：1 11 1 1212 22 210RIjw LIjwMIUR IjwLIjwMI12222121222222222()()EIMMRRjLLRLRL212 12 1222 22222MIM LIj MRIIjRj LRL56 由式可得空心線圈的總阻抗為：22221212222212222()()EMMZRRjLLIRLRL 根據(jù)式可進(jìn)一步求出空心線圈的等效電阻 、等效電感

35、 和等效品質(zhì)因數(shù) ，即：22122222()eqMRRRRL22122222()eqMLLLRL221222222212222()()eqMLLRLQMRRL 由此可見，當(dāng)線圈接近導(dǎo)體時(shí)，電器參數(shù) 、 、 、 等均為互感 的函數(shù),即為渦流線圈與金屬導(dǎo)體間距離 的函數(shù)。所以凡是引起渦流變化的電量和非電量，如金屬的電阻率、磁導(dǎo)率、幾何形狀、線圈與導(dǎo)體間的距離等，均可通過測量渦流線圈的 、 、 、 來確定，這便是電渦流傳感器的工作原理。572 測量電路如上所述，電渦流傳感器可以把渦流線圈和被測金屬導(dǎo)體間的距離變化，轉(zhuǎn)換為線圈等效電阻、等效電感、等效阻抗和等效品質(zhì)因數(shù)的變化。測量電路的任務(wù)就是將這些變

36、化量轉(zhuǎn)化為電壓或電流的變化，并加以顯示。實(shí)驗(yàn)采用的測量電路框圖如圖所示，其中渦流線圈 和測量電路中的電容 組成諧振電路，諧振頻率為：12fLC58 將振蕩器的振蕩頻率取為 （ 時(shí)諧振電路的諧振頻率），在諧振狀態(tài)下渦流線圈的端電壓為： 式（2-8）中， 為諧振電路的品質(zhì)因數(shù)， 為振蕩器輸出信號(hào)的幅度。當(dāng)裝置的初始零位調(diào)整好后，渦流線圈與被測導(dǎo)體間距離為 ，相應(yīng)的線圈初電感為 ，諧振電路的初諧振頻率為 ，渦流線圈的端電壓則為： 其中 為與 有關(guān)的系數(shù), 一般取為 左右。1UQe00 1UKQ e59 當(dāng) 變化后, 、 、 都要變化，例如 變?yōu)?或 ,諧振頻率變?yōu)?或 （對(duì)一般金屬, 減小時(shí) 增加）

37、，則變換器的端電壓為 、 ，且有： 此時(shí)端電壓的增量 正比于 ，如上圖所示，通常為取得較大的線性范圍，將 置于線性段的中點(diǎn)。電渦流傳感器的測量電路有多種類型，本實(shí)驗(yàn)采用的測量電路屬于變頻調(diào)幅式電路。11112221UK Q eUK Q e603 主要特點(diǎn)高分辨率和高采樣率；可選擇延長電纜、溫度補(bǔ)償?shù)裙δ?；可測鐵磁和非鐵磁所有金屬材料；具有多傳感器同步功能；不受潮濕、灰塵的影響，對(duì)環(huán)境要求低。61電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器62 電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器工作原理圖63 測速發(fā)電機(jī)是一種測量轉(zhuǎn)速的信號(hào)元件，它將輸入輸入的機(jī)械轉(zhuǎn)速機(jī)械轉(zhuǎn)速變換成為電壓信號(hào)電壓信號(hào)輸出輸出。要求：要求：輸出電壓與轉(zhuǎn)速成正比，U2=Kn

38、, 并保持穩(wěn)定；剩余電壓(轉(zhuǎn)速為零時(shí)的輸出電壓）要??；輸出電壓的極性或相位能反映被測對(duì)象的轉(zhuǎn)向；溫度變化對(duì)輸出特性的影響??；靈敏度高，即輸出電壓對(duì)轉(zhuǎn)速的變化反應(yīng)靈敏，輸出特性斜率要大；轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和摩擦轉(zhuǎn)矩小，以保證反應(yīng)迅速。3.1 概述概述64測速發(fā)電機(jī) 測速發(fā)電機(jī)是一種測量轉(zhuǎn)速的微型發(fā)電機(jī)，它把輸入的機(jī)械轉(zhuǎn)速變換為電壓信號(hào)輸出，并要求輸出的電壓信號(hào)與轉(zhuǎn)速成正比，即測速發(fā)電機(jī)分直流測速發(fā)電機(jī)和交流測速發(fā)電機(jī)兩大類。zUCn651.1.直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī)1. 工作原理工作原理 直流測速發(fā)電機(jī)實(shí)際就是一種微型直流發(fā)電機(jī)，按定子磁極的勵(lì)磁方式分為電磁式和永磁式。 直流測速發(fā)電機(jī)的工作原理與一般直流發(fā)電機(jī)相同，如圖所示。在恒定的磁場 中，外部的機(jī)械轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)電樞以轉(zhuǎn)速 旋轉(zhuǎn)，電樞繞組切割磁場從而在電刷間產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢為66 在空載時(shí)，直流測速發(fā)電機(jī)的輸出電壓就是電樞感應(yīng)電動(dòng)勢：顯然輸出電壓 與 成正比。有負(fù)載時(shí)，若電樞電阻為 負(fù)載電阻為 不計(jì)電刷與換向器間的接觸電阻，則直流測速發(fā)電機(jī)的輸出電壓為67 整理后得 如圖所示， 為直