轉(zhuǎn)速傳感器種類、原理及發(fā)展趨勢(shì)

柴油機(jī)測(cè)試技術(shù)PAGE6轉(zhuǎn)速傳感器種類、原理及發(fā)展趨勢(shì)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(cè)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。前者的輸出信號(hào)值是轉(zhuǎn)速的線性函數(shù),后者的輸出信號(hào)頻率與轉(zhuǎn)速成正比,或其信號(hào)峰值間隔與轉(zhuǎn)速成反比。轉(zhuǎn)速傳感器的種類繁多、應(yīng)用極廣，其原因是在自動(dòng)控制系統(tǒng)和自動(dòng)化儀表中大量使用各種電機(jī)，在不少場(chǎng)合下對(duì)低速（如每小時(shí)一轉(zhuǎn)以下）、高速（如每分鐘數(shù)十萬(wàn)轉(zhuǎn)）、穩(wěn)速（如誤差僅為萬(wàn)分之幾）和瞬時(shí)速度的精確測(cè)量有嚴(yán)格的要求。常用的轉(zhuǎn)速傳感器有光電式、電容式、變磁阻式以及測(cè)速發(fā)電機(jī)。下面淺析這幾種傳感器。光電式轉(zhuǎn)速傳感器光電式轉(zhuǎn)速傳感器對(duì)轉(zhuǎn)速的測(cè)量，主要是通過(guò)將光線的發(fā)射與被測(cè)物體的轉(zhuǎn)動(dòng)相關(guān)聯(lián)，再以光敏元件對(duì)光線的進(jìn)行感應(yīng)來(lái)完成的。光電式轉(zhuǎn)速傳感器從工作方式角度劃分，分為透射式光電轉(zhuǎn)速傳感器和反射式光電轉(zhuǎn)速傳感器兩種。1、投射式光電轉(zhuǎn)速傳感器投射式光電轉(zhuǎn)速傳感器設(shè)有讀數(shù)盤和測(cè)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(cè)量物體轉(zhuǎn)速時(shí)，測(cè)量盤會(huì)隨著被測(cè)物體轉(zhuǎn)動(dòng)，光線則隨測(cè)量盤轉(zhuǎn)動(dòng)不斷經(jīng)過(guò)各條縫隙，并透過(guò)縫隙投射到光敏元件上。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)。投射式光電轉(zhuǎn)速傳感器的脈沖信號(hào)，通過(guò)在一段時(shí)間內(nèi)的計(jì)數(shù)和計(jì)算，就可以獲得被測(cè)量對(duì)象的轉(zhuǎn)速狀態(tài)。2、反射式光電轉(zhuǎn)速傳感器反射式光電轉(zhuǎn)速傳感器是通過(guò)在被測(cè)量轉(zhuǎn)軸上設(shè)定反射記號(hào)，而后獲得光線反射信號(hào)來(lái)完成物體轉(zhuǎn)速測(cè)量的。反射式光電轉(zhuǎn)速傳感器的光源會(huì)對(duì)被測(cè)轉(zhuǎn)軸發(fā)出光線，光線透過(guò)透鏡和半透膜入射到被測(cè)轉(zhuǎn)軸上，而當(dāng)被測(cè)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，反射記號(hào)對(duì)光線的反射率就會(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)，反射光線會(huì)通過(guò)透鏡投射到光敏元件上，反射式光電轉(zhuǎn)速傳感器即可發(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(wú)法感應(yīng)，即不會(huì)發(fā)出脈沖信號(hào)。二、變磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器它屬于\o"變磁阻式傳感器"變磁阻式傳感器。變磁阻式傳感器的三種基本類型，\o"電感式傳感器"電感式傳感器、\o"變壓器式傳感器"變壓器式傳感器和\o"電渦流式傳感器"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(shì)，其電勢(shì)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(kāi)磁路式和閉磁路式兩種。開(kāi)磁路式轉(zhuǎn)速傳感器（圖4a）結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，輸出信號(hào)較小，不宜在振動(dòng)劇烈的場(chǎng)合使用。閉磁路式轉(zhuǎn)速傳感器由裝在轉(zhuǎn)軸上的外齒輪、內(nèi)齒輪、線圈和永久磁鐵構(gòu)成（圖4b）。內(nèi)、外齒輪有相同的齒數(shù)。當(dāng)轉(zhuǎn)軸連接到被測(cè)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(shì)。測(cè)出電勢(shì)的大小便可測(cè)出相應(yīng)轉(zhuǎn)速值。三．電容式轉(zhuǎn)速傳感器它屬于電容式傳感器，有面積變化型和介質(zhì)變化型兩種。1、面積變化型圖3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^(guò)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(cè)量信號(hào)。2、介質(zhì)變化型介質(zhì)變化型是在電容器的兩個(gè)固定電極板之間嵌入一塊高介電常數(shù)的可動(dòng)板而構(gòu)成的。可動(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。圖中齒輪外沿面作為電容器的動(dòng)極板,當(dāng)電容器定極板與齒頂相對(duì)時(shí),電容量最大,而與齒隙相對(duì)時(shí),電容量最小。因此,電容量的變化頻率應(yīng)與齒輪的轉(zhuǎn)頻成正比。四、霍爾轉(zhuǎn)速傳感器霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的主要工作原理是霍爾效應(yīng)，也就是當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)的金屬部件通過(guò)霍爾傳感器的磁場(chǎng)時(shí)會(huì)引起電勢(shì)的變化，通過(guò)對(duì)電勢(shì)的測(cè)量就可以得到被測(cè)量對(duì)象的轉(zhuǎn)速值?；魻栟D(zhuǎn)速傳感器的主要組成部分是傳感頭和齒圈，而傳感頭又是由霍爾元件、永磁體和電子電路組成的。1、霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的工作原理霍爾轉(zhuǎn)速傳感器在測(cè)量機(jī)械設(shè)備的轉(zhuǎn)速時(shí)，被測(cè)量機(jī)械的金屬齒輪、齒條等運(yùn)動(dòng)部件會(huì)經(jīng)過(guò)傳感器的前端，引起磁場(chǎng)的相應(yīng)變化，當(dāng)運(yùn)動(dòng)部件穿過(guò)霍爾元件產(chǎn)生磁力線較為分散的區(qū)域時(shí)，磁場(chǎng)相對(duì)較弱，而穿過(guò)產(chǎn)生磁力線較為幾種的區(qū)域時(shí)，磁場(chǎng)就相對(duì)較強(qiáng)?；魻栟D(zhuǎn)速傳感器就是通過(guò)磁力線密度的變化，在磁力線穿過(guò)傳感器上的感應(yīng)元件時(shí)，產(chǎn)生霍爾電勢(shì)。霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的霍爾元件在產(chǎn)生霍爾電勢(shì)后，會(huì)將其轉(zhuǎn)換為交變電信號(hào)，最后傳感器的內(nèi)置電路會(huì)將信號(hào)調(diào)整和放大，輸出矩形脈沖信號(hào)。2、霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的測(cè)量方法霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的測(cè)量必須配合磁場(chǎng)的變化，因此在霍爾轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量非鐵磁材質(zhì)的設(shè)備時(shí)，需要事先在旋轉(zhuǎn)物體上安裝專門的磁鐵物質(zhì)，用以改變傳感器周圍的磁場(chǎng)，這樣霍爾轉(zhuǎn)速傳感器才能準(zhǔn)確的捕捉到物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。霍爾轉(zhuǎn)速傳感器主要應(yīng)用于齒輪、齒條、凸輪和特質(zhì)凹凸面等設(shè)備的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)速測(cè)量。高轉(zhuǎn)速磁敏電阻轉(zhuǎn)速傳感器除了可以測(cè)量轉(zhuǎn)速以外，還可以測(cè)量物體的位移、周期、頻率、扭矩、機(jī)械傳動(dòng)狀態(tài)和測(cè)量運(yùn)行狀態(tài)等?；魻栟D(zhuǎn)速傳感器目前在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用很是廣泛，例如電力、汽車、航空、紡織和石化等領(lǐng)域，都采用霍爾轉(zhuǎn)速傳感器來(lái)測(cè)量和監(jiān)控機(jī)械設(shè)備的轉(zhuǎn)速狀態(tài)，并以此來(lái)實(shí)施自動(dòng)化管理與控制。五、測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)速發(fā)電機(jī)是自動(dòng)控制系統(tǒng)中的信號(hào)元件，它可以把轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)換成電氣信號(hào)。測(cè)速發(fā)電機(jī)有直流測(cè)速發(fā)電機(jī)和異步測(cè)速發(fā)電機(jī)。直流測(cè)速發(fā)電機(jī)是一種微型直流發(fā)電機(jī)，按勵(lì)磁方式分為它激式和永磁式兩大類。在理想情況下，輸出特性為一條直線，而實(shí)際上輸出特性與直線有誤差。引起誤差的主要原因是：電樞反應(yīng)的去磁作用，電刷與換向器的接觸壓降，電刷偏離幾何中性線，溫度的影響等。因此，在使用時(shí)必須注意電機(jī)的轉(zhuǎn)速不得超過(guò)規(guī)定的最高轉(zhuǎn)速，負(fù)載電阻不小于給定值。在精度要求嚴(yán)格的場(chǎng)合，還需要對(duì)測(cè)速機(jī)進(jìn)行溫度補(bǔ)償。紋波電壓造成了輸出電壓不穩(wěn)定，降低了測(cè)速發(fā)電機(jī)的精度。異步測(cè)速發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與空心杯轉(zhuǎn)子交流伺服電動(dòng)機(jī)完全相同。當(dāng)異步測(cè)速發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的磁通dΦ&保持不變，轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)時(shí)輸出電壓為零，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)切割勵(lì)磁磁通產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電流，建立橫軸方向的磁通，在輸出繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，從而產(chǎn)生輸出電壓。輸出電壓的大小與轉(zhuǎn)速成正比，但其頻率與轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)，等于電源的頻率。理想的輸出特性也是一條直線，但實(shí)際上并非如此。引起誤差的主要原因是：dΦ&的大小和相位都隨著轉(zhuǎn)速而變化，負(fù)載阻抗的大小和性質(zhì)，勵(lì)磁電源的性能，溫度以及剩余電壓，其中剩余電壓是誤差的主要部分。表征異步測(cè)速發(fā)電機(jī)性能的主要技術(shù)指標(biāo)有線性誤差、相位誤差和剩余電壓。引起剩余電壓的原因很多，如磁路不對(duì)稱、氣隙不均勻、輸出繞組和勵(lì)磁繞組在空間不是嚴(yán)格相差90°電角度、繞組匝間短路、鐵芯片間短路、轉(zhuǎn)子杯材料和厚度不均勻以及寄生電容的存在等等。在控制系統(tǒng)中，剩余電壓的同相分量引起系統(tǒng)誤差，正交和高次諧波分量將使放大器飽和。消除剩余電壓的方法很多，除了改進(jìn)電機(jī)的制造材料和工藝外，還可采用外接補(bǔ)償裝置。在實(shí)際中為了提高異步測(cè)速發(fā)電機(jī)的性能通常采用四極電機(jī)。為了減小誤差，應(yīng)增大轉(zhuǎn)子電阻和負(fù)載阻抗，減小勵(lì)磁繞組和輸出繞組的漏阻抗，提高勵(lì)磁電源的頻率（采用400HZ的中頻勵(lì)磁電源）。使用時(shí)電機(jī)的工作轉(zhuǎn)速不應(yīng)超過(guò)規(guī)定的轉(zhuǎn)速范圍。為了滿足控制系統(tǒng)的要求，對(duì)測(cè)速發(fā)電機(jī)