第8章速度傳感器及工程應(yīng)用

1、第8章 速度傳感器及工程應(yīng)用第第8章章 速度傳感器及工程應(yīng)用速度傳感器及工程應(yīng)用8.1 磁電式速度傳感器磁電式速度傳感器8.2 霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器8.3 渦流式轉(zhuǎn)速傳感器渦流式轉(zhuǎn)速傳感器8.4 超聲波流速傳感器超聲波流速傳感器8.5 光電式轉(zhuǎn)速傳感器光電式轉(zhuǎn)速傳感器8.6 轉(zhuǎn)速傳感器工程應(yīng)用案例轉(zhuǎn)速傳感器工程應(yīng)用案例返回主目錄第8章 速度傳感器及工程應(yīng)用8.1 磁電式速度傳感器磁電式速度傳感器它主要有恒磁通、變磁通和測速發(fā)電機(jī)三種。8.1.1 恒磁通式磁電恒磁通式磁電速度傳感器速度傳感器1.1.恒磁通式恒磁通式恒磁通式磁電速度傳感器的典型結(jié)構(gòu)如圖8 1所示，它主要由永久磁鐵、線圈

2、、彈簧、金屬骨架和殼體等組成。其運(yùn)動部分可以是磁鐵，也可以是線圈。因此它又分為動圈式（見圖8-1(a)）和動鐵式（見圖8-1(b)）兩種結(jié)構(gòu)類型，但它們的工作原理是完全相同的 。在動圈式中，永久磁鐵4與傳感器殼體5固定，線圈組件（包括線圈3和金屬骨架1）由柔軟彈簧2支撐。第8章 速度傳感器及工程應(yīng)用圖圖8 1 恒磁通式磁電速度傳感器的基本結(jié)構(gòu)恒磁通式磁電速度傳感器的基本結(jié)構(gòu)在動鐵式中，線圈組件與殼體5固定，永久磁鐵4用柔軟彈簧2支撐。兩者的阻尼都是由金屬骨架1和磁場發(fā)生相對運(yùn)動而產(chǎn)生的電磁阻尼。第8章 速度傳感器及工程應(yīng)用式中，W為線圈處于工作氣隙磁場中的匝數(shù)，稱為工作匝數(shù)；為穿過線圈的磁通量

3、；B為工作氣隙內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度；l為每匝線圈的平均長度。由式(8 1)可知，當(dāng)傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后，則W、B、l均為定值，這時感應(yīng)電動勢e與振動速度成正比。2. 測速原理測速原理使用時，將它與被測物體固定在一起。當(dāng)被測物體振動時，它的外殼隨之一起振動。這時永久磁鐵4與線圈3之間的相對運(yùn)動速度接就等于振動速度。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，則線圈在磁場中做切割磁力線運(yùn)動產(chǎn)生的感生電動勢e為WBldtdWe (8 1)第8章 速度傳感器及工程應(yīng)用8.1.8.1.2 2 變磁通式變磁通式磁電轉(zhuǎn)磁電轉(zhuǎn)速傳感器速傳感器1. 基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)變磁通式磁電轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)如圖8 2所示。它由永久磁鐵、線圈、軟鐵、

4、測量齒輪和殼體等組成。其中，圖8 2(a)為開磁路轉(zhuǎn)速傳感器結(jié)構(gòu)示意圖，圖8 2(b)為閉磁路轉(zhuǎn)速傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。圖圖8-2 變磁通式磁電轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)變磁通式磁電轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)第8章 速度傳感器及工程應(yīng)用1. 測速原理測速原理測轉(zhuǎn)速時，把它固定在支架上，測量齒輪安裝在被測轉(zhuǎn)軸上，隨轉(zhuǎn)軸一起轉(zhuǎn)動。顯然，齒輪每轉(zhuǎn)過一個齒，它的磁阻就變化一次，磁通也就變化一次。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律可知，線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢e大小也變化一次。其變化頻率就等于測量齒輪的齒數(shù)與轉(zhuǎn)速的乘積。即60Znf (8-2)式中：Z為齒輪的齒數(shù)； n為被測軸的轉(zhuǎn)速(r/min)；f為感生電動勢的頻率(Hz)。由式(8 2

5、)可知，該傳感器的感應(yīng)電動勢變化頻率與轉(zhuǎn)速n成正比。第8章 速度傳感器及工程應(yīng)用8.1.3 測速發(fā)電機(jī)測速發(fā)電機(jī) 根據(jù)輸出電壓的類型，它又分為直流和交流兩大類。1. 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) 按定子的勵磁方式可分為電磁式和永磁式兩種。1）測速原理永磁式直流測速發(fā)電機(jī)的測速原理如圖8-3所示。圖中N、S是永久磁鐵，abcd是轉(zhuǎn)子上的其中一個線圈，線圈的兩端分別接在換向器的兩個半圓形銅環(huán)上，而銅環(huán)又分別與電刷J、K滑動接觸。圖圖8-3 直流測速發(fā)電機(jī)的測速原理直流測速發(fā)電機(jī)的測速原理第8章 速度傳感器及工程應(yīng)用 可以證明，在恒定的磁場中，測速發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸帶動電樞以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)時，電樞繞組切割磁力線

6、，從而在電刷間產(chǎn)生感應(yīng)電動勢E為 式中Ce稱為電動勢常數(shù)，它是由測速發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)決定。2）輸出特性當(dāng)空載時，直流測速發(fā)電機(jī)的輸出電壓Uo就是電樞感應(yīng)電動勢E，即nCEe (8-3)nCEUe o (8-4)第8章 速度傳感器及工程應(yīng)用aLaRRUEIREU00KnRRnCULae/10式中 ，K稱作直流測速發(fā)電機(jī)的靈敏系數(shù) LaeRRCK/10若電樞電阻為Ra，負(fù)載電阻為RL，不計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U為 (8-5)整理后得KnU o令 (8-6) (8-7) (8-8)則第8章 速度傳感器及工程應(yīng)用當(dāng)測速發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)確定后，則Ce、Ra都為常數(shù)。若RL不變，則輸出

7、電壓Uo與轉(zhuǎn)速呈線性關(guān)系，但對于不同的負(fù)載電阻RL，測速發(fā)電機(jī)的靈敏系數(shù)K是不同的；負(fù)載電阻RL越小，靈敏系數(shù)K也越小，即輸出電壓就越小。直流測速發(fā)電機(jī)的輸出特性如圖8 4所示。圖圖8 4 直流測速發(fā)電機(jī)的輸出特性直流測速發(fā)電機(jī)的輸出特性另外，直流測速發(fā)電機(jī)的輸出電壓存在著波紋，其交流分量對速度反饋控制系統(tǒng)和高精確度的解算裝置有一定影響，使用時需要注意。第8章 速度傳感器及工程應(yīng)用2. 交流測速發(fā)電機(jī)交流測速發(fā)電機(jī) 交流測速發(fā)電機(jī)有同步測速發(fā)電機(jī)和異步測速發(fā)電機(jī)兩種。下面介紹常見的交流異步測速發(fā)電機(jī)。1)異步測速發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)異步測速發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖圖8-5 空心杯形異步測速發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)空心杯形異步

8、測速發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)它由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。其中在定子上嵌放著兩個繞組，一個為勵磁繞組，另一個為輸出繞組，它們在空間上互差90電角度。按其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)又有鼠籠形和空心杯形兩種，空心杯形的結(jié)構(gòu)如圖8-5所示。 第8章 速度傳感器及工程應(yīng)用2) 異步測速發(fā)電機(jī)的測速原理它的測速原理如圖8-6所示。由于勵磁繞組D置于d 軸上，輸出繞組Q置于與d軸垂直的q軸上；當(dāng)勵磁繞組外接頻率為f的交流電源時，就在d軸方向上產(chǎn)生以頻率為f的脈動磁通 。 圖圖8-6 異步測速發(fā)電機(jī)的測速原理異步測速發(fā)電機(jī)的測速原理d第8章 速度傳感器及工程應(yīng)用當(dāng)轉(zhuǎn)子不動時，輸出繞組Q上電壓為零。 當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時 ，因轉(zhuǎn)子切割d軸方向的磁通 ，

9、故在杯型轉(zhuǎn)子中感應(yīng)出旋轉(zhuǎn)電動勢 ，其大小正比于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n和勵磁磁通 ，其頻率與 相同。其有效值Er為nkEdErr(8-9) 式中：kEr為比例系數(shù)。又因空心杯轉(zhuǎn)子相當(dāng)于短路繞組，故旋轉(zhuǎn)電動勢 在杯型轉(zhuǎn)子中將產(chǎn)生交流短路電流 ，其大小正比于 ，其頻率與 相同。則短路電流有效值Ir可表示為式中，kIr為旋轉(zhuǎn)電勢 對其電流 的轉(zhuǎn)換系數(shù)。rErErIddrErEnkkEkIdErIrrIrr(8-10) 第8章 速度傳感器及工程應(yīng)用 式(8-12)表明，在勵磁磁通 恒定時，輸出繞組的感應(yīng)電動勢有效值E正比于轉(zhuǎn)速n，其頻率為勵磁電源的頻率f，而輸出繞組的感應(yīng)電勢有效值E實(shí)際就是異步測速發(fā)電機(jī)的空載輸出

10、電壓有效值Uo，即Uo=E=K n。若忽略杯型轉(zhuǎn)子的漏抗影響，那么電流 所產(chǎn)生的脈動磁通 的大小正比于 ，設(shè)比例系數(shù)為kq，則其有效值為因?yàn)?在空間位置上與輸出繞組Q的軸線q一致，因此轉(zhuǎn)子因轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的脈動磁通 與輸出繞組Q相交鏈，從而在輸出繞組Q上產(chǎn)生正比于 的感應(yīng)電勢 ，其有效值E為rIqrInkkkIkdErIrqrqqqnKnkkkkkEddErIrqwqw(8-11) (8-12) d第8章 速度傳感器及工程應(yīng)用注：式(8-12)是在輸出繞組空載時推出的，當(dāng)輸出繞組接上負(fù)載后，其輸出特性的線性度要變差。為了提高它的線性度，異步測速發(fā)電機(jī)的負(fù)載阻抗一般不低于100K。勵磁電源頻率大多采用

11、400Hz。第8章 速度傳感器及工程應(yīng)用8.1.4 常見常見磁電式速度傳感器及應(yīng)用磁電式速度傳感器及應(yīng)用1.1.磁電式振動速度傳感器磁電式振動速度傳感器 現(xiàn)以CD-1型振動速度傳感器為例介紹它的結(jié)構(gòu)和工作原理。它屬于動圈式恒磁通型，其結(jié)構(gòu)如圖8-7所示。圖圖8-7 CD-1型振動速度傳感器型振動速度傳感器第8章 速度傳感器及工程應(yīng)用 使用時將傳感器固定在被測振動物體上，永久磁鐵、鋁架和殼體一起隨被測物體振動，由于質(zhì)量塊有一定質(zhì)量，產(chǎn)生慣性力，而彈簧片又非常柔軟，因此當(dāng)振動頻率遠(yuǎn)大于傳感器固有頻率時，線圈在磁路系統(tǒng)的環(huán)形氣隙中相對永久磁鐵運(yùn)動，以振動物體的振動速度切割磁力線，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。顯然

12、，這個感應(yīng)電動勢與物體的振動速度成正比。通過引線9接到測量電路，就可以測量計算出物體的振動速度。 第8章 速度傳感器及工程應(yīng)用2.2.磁電式轉(zhuǎn)速傳感器磁電式轉(zhuǎn)速傳感器圖8-8是一種磁電感應(yīng)式轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖。測量轉(zhuǎn)速時，傳感器的轉(zhuǎn)軸1與被測物轉(zhuǎn)軸相連接， 當(dāng)被測物體轉(zhuǎn)動時，就會在線圈中感應(yīng)出近似正弦波的電壓信號，其頻率與轉(zhuǎn)速成正比。通過測量電路把頻率測量出來，就可計算出轉(zhuǎn)速。 圖圖8-8 磁電式轉(zhuǎn)速傳感器磁電式轉(zhuǎn)速傳感器第8章 速度傳感器及工程應(yīng)用3. 交流測速發(fā)電機(jī)的應(yīng)用交流測速發(fā)電機(jī)的應(yīng)用交流測速發(fā)電機(jī)的作用是將機(jī)械轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為電壓信號，常用作轉(zhuǎn)動物體的測速元件、校正元件。若與伺服電機(jī)

13、配合，可應(yīng)用于轉(zhuǎn)速控制或位置控制系統(tǒng)中。在恒速控制系統(tǒng)中，測速發(fā)電機(jī)將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為電壓信號作為速度反饋信號，可達(dá)到較高的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度。在計算解答裝置中，常作為微分、積分元件使用。第8章 速度傳感器及工程應(yīng)用4. 磁電式速度傳感器的其他應(yīng)用磁電式速度傳感器的其他應(yīng)用由磁電感應(yīng)原理可知，磁電式速度傳感器只適用于動態(tài)測量，它能直接測量的是振動物體的速度或旋轉(zhuǎn)體的角速度。但如果在測量電路中接入積分電路或微分電路。那么，它也可用來測量(角)位移或(角)加速度，見圖8-9所示。圖圖8-9 磁電式傳感器測量位移和加速度電路方框圖磁電式傳感器測量位移和加速度電路方框圖第8章 速度傳感器及工程應(yīng)用8.2 霍爾式

14、轉(zhuǎn)速傳感器霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器8.2.1 常見結(jié)構(gòu)常見結(jié)構(gòu)霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)形式很多，圖8 10是幾種常見的結(jié)構(gòu)形式。當(dāng)在圓盤上嵌裝多塊小磁鐵時，相鄰兩塊磁鐵的極性要相反，如圖8 10(d)所示。圖圖8-10 霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器的常見結(jié)構(gòu)形式霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器的常見結(jié)構(gòu)形式第8章 速度傳感器及工程應(yīng)用8.2.2 測速原理測速原理 當(dāng)輸入軸轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)盤及安裝在上面的小磁鐵隨之一塊轉(zhuǎn)動。由于轉(zhuǎn)盤上的小磁鐵經(jīng)過固定在轉(zhuǎn)盤附近的霍爾集成傳感器時，使霍爾傳感器輸出一個矩形電脈沖，經(jīng)測量電路檢測出該脈沖的頻率f，根據(jù)轉(zhuǎn)盤上放置小磁鐵的數(shù)量多少，便可計算出被測轉(zhuǎn)速。若在轉(zhuǎn)盤上安裝了Z塊小磁鐵，則轉(zhuǎn)速n為 這種測

15、量方法對被測軸影響小，輸出信號的幅值又與轉(zhuǎn)速無關(guān)，因此測量精度高，測速范圍大致在1104r/s內(nèi)。廣泛應(yīng)用于汽車速度和行車?yán)锍痰臏y量顯示系統(tǒng)中。Zfn60(8-13) 第8章 速度傳感器及工程應(yīng)用8.2.3 霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的應(yīng)用霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的應(yīng)用由于霍爾轉(zhuǎn)速傳感器具有非接觸、體積小、重量輕、耐振動、壽命長、工作溫度范圍寬、檢測不受灰塵、油污、水汽等因素的影響和測量精度高等優(yōu)點(diǎn)。因此，它在測速方面被廣泛采用。 用霍爾轉(zhuǎn)速傳感器設(shè)計的出租車計價器結(jié)構(gòu)如圖8-11所示。圖圖8-11 出租車計價器結(jié)構(gòu)框圖出租車計價器結(jié)構(gòu)框圖第8章 速度傳感器及工程應(yīng)用 使用時把霍爾轉(zhuǎn)速傳感器安裝在變速箱輸出軸上。按

16、下開始按鈕，當(dāng)汽車行走時，霍爾轉(zhuǎn)速傳感器把變速箱輸出軸的轉(zhuǎn)數(shù)信號送單片機(jī)，通過計算機(jī)編程，可使單片機(jī)根據(jù)變速箱輸出軸與車輪轉(zhuǎn)軸的傳動比和車輪胎的周長，自動計算出汽車的行車?yán)锍毯统塑囐M(fèi)用，并送給顯示器進(jìn)行顯示。到達(dá)目的地后按下結(jié)束按鈕，即可將乘車?yán)锍虜?shù)和繳費(fèi)數(shù)打印出來。實(shí)現(xiàn)乘車?yán)锍毯屠U費(fèi)的自動結(jié)算。第8章 速度傳感器及工程應(yīng)用8.3 渦流式轉(zhuǎn)速傳感器渦流式轉(zhuǎn)速傳感器8.3.1 基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu) 利用電渦流效應(yīng)也可以構(gòu)成渦流式轉(zhuǎn)速傳感器，它的結(jié)構(gòu)如圖8-12中虛線框所示。圖圖8-12 渦流式轉(zhuǎn)速傳感器測量系統(tǒng)方框圖渦流式轉(zhuǎn)速傳感器測量系統(tǒng)方框圖nfn60第8章 速度傳感器及工程應(yīng)用8.3.2 測速

17、原理測速原理由圖8 12可知，當(dāng)轉(zhuǎn)盤的鍵槽與渦流傳感器不相對時，轉(zhuǎn)盤與渦流傳感器的距離為d0，當(dāng)轉(zhuǎn)盤上的鍵槽轉(zhuǎn)到與渦流傳感器相對時，轉(zhuǎn)盤與渦流傳感器的距離變?yōu)閐0+d。由于電渦流效應(yīng)，使渦流傳感器的線圈阻抗隨轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動而變化。顯然，渦流傳感器線圈阻抗的變化頻率與被測轉(zhuǎn)速成正比。假設(shè)這個轉(zhuǎn)盤上有Z個鍵槽，轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速為n，線圈阻抗變化的頻率為f，則Zfn60由此可知，如果能把線圈阻抗變化的頻率測量出來就可以知道轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速n(r/min)。(8-13) 第8章 速度傳感器及工程應(yīng)用8.3.3 渦流式轉(zhuǎn)速傳感器的應(yīng)用渦流式轉(zhuǎn)速傳感器的應(yīng)用圖8 12是渦流式速度傳感器測量轉(zhuǎn)速時的結(jié)構(gòu)框圖。顯然，轉(zhuǎn)盤每轉(zhuǎn)

18、過一個鍵槽，就輸出一個脈沖信號。通過高頻放大器和檢波電路把這個脈沖信號檢波出來，再通過整形電路把它變成標(biāo)準(zhǔn)矩形脈沖信號，送入計數(shù)電路進(jìn)行脈沖計數(shù)。假設(shè)這個轉(zhuǎn)盤上有Z個鍵槽，在T秒內(nèi)計數(shù)電路獲得M個脈沖，則被測轉(zhuǎn)速ZTMn60為了計算方便，一般取TZ=6010i（i=0，1，2，3，）。最后計算電路把式(8 14)計算出的結(jié)果送給顯示電路，就可把轉(zhuǎn)速n(r/min)顯示出來。(8 14)第8章 速度傳感器及工程應(yīng)用8.4 超聲波流速傳感器超聲波流速傳感器8.4.1 超聲波的基本特性超聲波的基本特性質(zhì)點(diǎn)振動的傳播過程稱作機(jī)械波。能為人耳聽到的稱為聲波，其頻率在162104Hz之間；低于16Hz的稱

19、為次聲波；介于2104 3108 Hz間的稱為超聲波(見圖8 13)。圖圖8 13 機(jī)械波的頻率劃分機(jī)械波的頻率劃分第8章 速度傳感器及工程應(yīng)用1. 超聲波的波形及速度超聲波的波形及速度由于聲源在介質(zhì)中的施力方向與聲波在介質(zhì)中的傳播方向不同,聲波的波形也不同。聲波的波形通常有下列三種1) 縱波縱波質(zhì)點(diǎn)振動方向與波的傳播方向一致的波稱作縱波。這種波能在固體、液體及氣體中傳播。2) 橫波橫波質(zhì)點(diǎn)振動方向垂直傳播方向的波稱作橫波。它只能在固體介質(zhì)中傳播。3) 表面波表面波質(zhì)點(diǎn)的振動方向與波的傳播方向介于橫波和縱波之間，其振幅隨著深度增加而迅速衰減的波稱作表面波。它只能在固體表面?zhèn)鞑ァ５?章 速度傳感

20、器及工程應(yīng)用2. 超聲波的反射和折射超聲波的反射和折射超聲波與光波一樣，在傳播的過程中遇到障礙物時存在反射與折射現(xiàn)象。如圖8 14所示。圖圖8 14 超聲波的反射與折射超聲波的反射與折射1) 反射定律當(dāng)波在兩種不同介質(zhì)的分界面上產(chǎn)生反射時，入射角的正弦與反射角的正弦之比等于波速之比。由于入射波和反射波都是在同一種介質(zhì)中傳播，故波速相等。由此可知：入射角等于反射角。第8章 速度傳感器及工程應(yīng)用2) 折射定律當(dāng)波在兩種不同介質(zhì)的分界面上產(chǎn)生折射時，入射角的正弦與折射角的正弦之比等于入射波在介質(zhì)1中的波速c1與折射波在介質(zhì)2中的波速c2之比，即3. 超聲波的衰超聲波的衰減減超聲波在介質(zhì)中傳播時，隨著

21、傳播距離的增加，能量逐漸衰減。其聲壓和聲強(qiáng)的衰減規(guī)律為式中，x為聲波到聲源處的距離；a為衰減系數(shù)；Px、Ix分別為距聲源x處的聲壓和聲強(qiáng)。21sinsinccaxxPPe0axxII20e(8-15)(8-17)第8章 速度傳感器及工程應(yīng)用8.4.2超聲波傳感器超聲波傳感器超聲波傳感器又稱作超聲波換能器。習(xí)慣上人們把它稱作超聲波探頭。它的主要功能是發(fā)射和接收超聲波。超聲波探頭按其工作原理可分為壓電式、磁致伸縮式、電磁式等多種形式，其中以壓電式最為常用。1. 壓電式超聲波探頭壓電式超聲波探頭電式超聲波探頭的結(jié)構(gòu)如圖8 15所示，它主要由壓電晶片、吸收塊（阻尼塊）、保護(hù)膜、引線、外殼等組成。 圖圖

22、8 15 壓電式超聲波探頭結(jié)構(gòu)壓電式超聲波探頭結(jié)構(gòu)第8章 速度傳感器及工程應(yīng)用2. 壓電式超聲波探頭的主要指標(biāo)壓電式超聲波探頭的主要指標(biāo)1）工作頻率f0工作頻率就是壓電晶片的固有振蕩頻率。其值與壓電晶片的厚度成反比。即式中，E11為晶片沿x軸方向的彈性模量；為晶片的密度。常見的超聲波探頭工作頻率有40、100kHz和200kHz等多種。2）工作溫度工作溫度是超聲波探頭能可靠長時間工作的環(huán)境要求。3）靈敏度靈敏度也是超聲波探頭的一個重要指標(biāo)。靈敏度越高越好。11021Ef (8-18)第8章 速度傳感器及工程應(yīng)用3. 壓電式超聲波探頭的優(yōu)點(diǎn)壓電式超聲波探頭的優(yōu)點(diǎn) 無任何機(jī)械傳動部件，可實(shí)現(xiàn)非接觸

23、式測量。不怕電磁干擾，不怕酸堿等強(qiáng)腐蝕性液體等。 既可以測流速、流量，也可以測料位、液位、物距及無損探傷等；并且對黏稠、腐蝕性、渾濁等各種液體的液位測量，效果最佳。 性能穩(wěn)定、可靠性高、壽命長、響應(yīng)時問短，可以方便地實(shí)現(xiàn)無滯后實(shí)時測量。4. 壓電式超聲波探頭的型號壓電式超聲波探頭的型號它有多種不同的結(jié)構(gòu)形式，按其用途可分為直探頭（縱波）、斜探頭（橫波）、表面波探頭（表面波）、蘭姆波探頭（蘭姆波）、一體式探頭和分體式探頭等多種。第8章 速度傳感器及工程應(yīng)用5. 超聲波傳感器檢測原理超聲波傳感器檢測原理通常超聲波傳感器的檢測方式有反射式和直射式兩種。反射式是將發(fā)射探頭和接收探頭放置在被測物體的同一

24、側(cè)；直射式是將發(fā)射探頭和接收探頭放置在被測物體的兩側(cè)。它們的基本原理都是通過超聲波的發(fā)射和接收來實(shí)現(xiàn)檢測的。圖8 16是超聲波發(fā)射/接收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。圖圖8 16 超聲波發(fā)射超聲波發(fā)射/接收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖接收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖第8章 速度傳感器及工程應(yīng)用1）超聲波產(chǎn)生發(fā)射電路超聲波發(fā)射電路種類繁多，下面介紹幾個常用電路。圖8 17是一個由CD4069門電路組成的超聲波產(chǎn)生發(fā)射電路。圖中H1、H2與RP、C1組成RC振蕩電路，適當(dāng)選擇RP可使它產(chǎn)生40KHz的電壓信號。H3H6組成超聲波探頭驅(qū)動電路，再經(jīng)過C2給超聲波探頭UCM40T提供40KHz的超聲波電壓信號。圖圖8 17 由門電路組成的超聲波產(chǎn)生

25、發(fā)射電路由門電路組成的超聲波產(chǎn)生發(fā)射電路第8章 速度傳感器及工程應(yīng)用圖8 18是由脈沖變壓器構(gòu)成的超聲波產(chǎn)生發(fā)射電路。圖中OSC為頻率可調(diào)的振蕩器，晶體管VT和脈沖變壓器T構(gòu)成驅(qū)動電路。適當(dāng)調(diào)整Rp，可使OSC產(chǎn)生40KHz的輸出電壓信號，經(jīng)脈沖變壓器T進(jìn)一步升壓后加給超聲波探頭MA40S2S。圖圖8 18 由脈沖變壓器組成的超聲波產(chǎn)生發(fā)射電路由脈沖變壓器組成的超聲波產(chǎn)生發(fā)射電路第8章 速度傳感器及工程應(yīng)用2）超聲波接收放大電路超聲波接收放大電路種類繁多，下面介紹幾個常用電路。圖8 19是一個由晶體管VT構(gòu)成的超聲波接收放大電路。圖中MA40S2R是超聲波接收探頭，用于接收反射超聲波；晶體管V

26、T負(fù)責(zé)把超聲波探頭輸出的微弱模擬電壓信號放大成較大的電壓信號，共測量和顯示使用。圖圖8 19 由晶體管構(gòu)成的超聲波接收放大電路由晶體管構(gòu)成的超聲波接收放大電路第8章 速度傳感器及工程應(yīng)用若要使輸出信號為脈沖信號，可采用圖8 20所示的接收電路。圖中LM393是集成比較器，它把超聲波探頭輸出的微弱電壓信號轉(zhuǎn)變成同頻率的脈沖電壓信號，屬于數(shù)字輸出，可直接作為計算機(jī)的輸入信號使用，方便與計算機(jī)連接。圖圖8 20 由比較器組成的超聲波接收電路由比較器組成的超聲波接收電路第8章 速度傳感器及工程應(yīng)用8.4.3 超聲波流速傳感器超聲波流速傳感器1. 超聲波測量流速原理超聲波測量流速原理如果在流體中安置兩個

27、一體式超聲波探頭B1和B2，它們既可以發(fā)射超聲波又可以接收超聲波，一個裝在上游，另一個裝在下游，其距離為l，如圖8 21所示。圖圖8-14 超聲波測流速原理圖超聲波測流速原理圖第8章 速度傳感器及工程應(yīng)用 假設(shè)流體靜止時，超聲波在它中的傳播速度為c，流體流動速度為，順流方向的傳播時間為t1，逆流方向的傳播時間為t2，則clt1clt2(8-19)(8-21)(8-20)(8-23)超聲波在流體中的傳播時間差為22122clttttlc22一般來說，c，則c2-2c2 ，式（8-8）可寫成 第8章 速度傳感器及工程應(yīng)用2. 超聲波流速傳感器的結(jié)構(gòu)超聲波流速傳感器的結(jié)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用中，超聲波傳感器都

28、安裝在管道的外部，從管道的外面透過管壁發(fā)射和接收超聲波，而不會給管道內(nèi)流動的流體帶來影響，其安裝位置如圖8-22所示。圖圖8 22 超聲波流速傳感器測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖超聲波流速傳感器測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖第8章 速度傳感器及工程應(yīng)用 此時超聲波的傳輸時間將由下式確定：sincos1cDtsincos2cDt(8-24)tDctan22(8-25)式中，D為管道的直徑；為探頭B1和B2連線與管道直徑D的夾角。令t=t2-t1，則流體的流速可由下式算出式中，t為超聲波在流體中從B1到B2往返一次的時間差。第8章 速度傳感器及工程應(yīng)用8.5 光電式轉(zhuǎn)速傳感器光電式轉(zhuǎn)速傳感器 8.5.1 基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)圖8

29、 23是兩種常見的光電式轉(zhuǎn)速傳感器結(jié)構(gòu)，它由調(diào)制盤和光電開關(guān)組成。圖圖8-23 常見的光電式轉(zhuǎn)速傳感器結(jié)構(gòu)常見的光電式轉(zhuǎn)速傳感器結(jié)構(gòu)第8章 速度傳感器及工程應(yīng)用8.5.2 測速原理測速原理當(dāng)被測轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時，發(fā)光元件發(fā)出的光被調(diào)制盤調(diào)制成隨時間變化的斷續(xù)光照射到光電元件上，而光電元件又把這些斷續(xù)光轉(zhuǎn)換成一系列的電脈沖信號。顯然，這時光電元件輸出的電脈沖信號頻率與被測轉(zhuǎn)速成正比。假設(shè)調(diào)制盤上有Z個缺口（或Z條黑白相間的條紋），光電元件輸出的電脈沖信號頻率為f，則被測轉(zhuǎn)速n為 由此可知，只要測量出光電元件的輸出電脈沖信號頻率f，就可計算出被測轉(zhuǎn)速n(r/min)。Zfn60(8 27)第8章 速度傳

30、感器及工程應(yīng)用8.5.3 8.5.3 光電式轉(zhuǎn)速傳感器的應(yīng)用光電式轉(zhuǎn)速傳感器的應(yīng)用一般來說，光電器件輸出的信號都比較小，為了便于測量計數(shù)，通常都需要對該信號進(jìn)行放大整形，使它變成標(biāo)準(zhǔn)矩形脈沖，然后再對該脈沖進(jìn)行計數(shù)和顯示，一個實(shí)際的光電式轉(zhuǎn)速傳感器測速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖8-24所示。Zfn60圖圖8-24 光電式轉(zhuǎn)速傳感器測速系統(tǒng)光電式轉(zhuǎn)速傳感器測速系統(tǒng)第8章 速度傳感器及工程應(yīng)用假設(shè)調(diào)制盤上有Z個缺口（或Z條黑白相間的條紋），數(shù)字頻率計的輸出為M，則被測轉(zhuǎn)速n為由此可知，只要知道了數(shù)字頻率計的讀數(shù)M就可計算出被測轉(zhuǎn)速n(r/min)。由于不同的光電元件具有不同的光譜特性，若自己設(shè)計這樣的光電式轉(zhuǎn)速

31、傳感器，在選擇發(fā)光元件和光電元件時，必須保證兩個器件的光譜特性相吻合，否則將得不到想要的結(jié)果。為了保證發(fā)光器件和光電元件的光譜特性一致，最好選擇合適的光電開關(guān)作為檢測器件。ZMn60(8 28)第8章 速度傳感器及工程應(yīng)用8.6 轉(zhuǎn)速測量與控制系統(tǒng)應(yīng)用案例轉(zhuǎn)速測量與控制系統(tǒng)應(yīng)用案例8.6.1 轉(zhuǎn)速測量顯示系統(tǒng)案例轉(zhuǎn)速測量顯示系統(tǒng)案例圖8 25是一個電機(jī)轉(zhuǎn)速測量顯示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。它由直流電動機(jī)、霍爾轉(zhuǎn)速傳感器、定時選通電路、通用十進(jìn)制計數(shù)器和通用數(shù)字顯示器等部件組成。圖圖8-25 電機(jī)轉(zhuǎn)速測量顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖電機(jī)轉(zhuǎn)速測量顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖第8章 速度傳感器及工程應(yīng)用 1. 霍爾轉(zhuǎn)速傳感器霍爾轉(zhuǎn)速傳感器 霍爾轉(zhuǎn)速傳感器是該轉(zhuǎn)速測量顯示系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，它由轉(zhuǎn)盤、小磁鐵和霍爾開關(guān)(比如UGN3020)組成。當(dāng)電動機(jī)轉(zhuǎn)動時，每轉(zhuǎn)一圈就通過小磁鐵給霍爾開關(guān)一個磁場的作用，從而在霍爾開關(guān)元件的輸出端得到一個矩形脈沖電壓信號，并且這個矩形脈沖信號的頻率與電動機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比。 2. 定時選通電路定時選通電路 該電路的作用是產(chǎn)生一定時長，并在該時段內(nèi)讓霍爾傳感器產(chǎn)生的脈沖通過，而在該時段外不讓霍爾開關(guān)產(chǎn)生的脈沖通過。該時段最簡單的取法是1分鐘。但測量時間比較長，取得