速度傳感器的原理及應(yīng)用

速度傳感器的原理、分類及應(yīng)用速度傳感器定義：能感受被測(cè)速度并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的傳感器。速度的測(cè)量A.從物體運(yùn)動(dòng)的形式來(lái)看，速度的測(cè)量分為線速度測(cè)量和角速度測(cè)量；B.從運(yùn)動(dòng)速度的參考基準(zhǔn)來(lái)看分為絕對(duì)速度測(cè)量和相對(duì)速度的測(cè)量；C.從速度的數(shù)值特征來(lái)看分為平均速度測(cè)量和瞬時(shí)速度測(cè)量；D.從獲取物體運(yùn)動(dòng)速度的方式來(lái)看分為直接速度測(cè)量和間接速度測(cè)量。

線速度的計(jì)量單位通常用m/s；在工程上通常用km/s。（1）速度的測(cè)量方法時(shí)間、位移計(jì)算方法這種方法是根據(jù)速度的定義測(cè)量速度，即通過(guò)測(cè)量距離和行走該距離的時(shí)間，然后求得平均速度。取得越小，則求得速度越接近運(yùn)動(dòng)體的瞬時(shí)速度。由此原理，可以延伸出多種測(cè)量速度的方法，如：相關(guān)測(cè)速法和空間濾波器測(cè)速法。所謂相關(guān)測(cè)速法是利用求隨機(jī)過(guò)程互相關(guān)函數(shù)極值的方法來(lái)測(cè)量速度。設(shè)平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程觀察的時(shí)間為T，則它的互相關(guān)函數(shù)為：可以看一下信號(hào)分析相關(guān)書當(dāng)被測(cè)運(yùn)動(dòng)以速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)體表面總有些可以測(cè)得的痕跡變化或標(biāo)記。在固定的距離上裝兩個(gè)檢測(cè)器，如圖a所示。A和B是用于檢測(cè)痕跡變化的。轉(zhuǎn)換輸出信號(hào)波形如圖b所示。這兩個(gè)信號(hào)是測(cè)量獲得的物體表面變化的隨機(jī)過(guò)程在測(cè)量條件基本相同的情況下，這兩個(gè)隨機(jī)信號(hào)只是在時(shí)間上滯后。即就是物體上某點(diǎn)從A運(yùn)動(dòng)到B的時(shí)間，測(cè)量后就可以求得物體運(yùn)動(dòng)速度，即，計(jì)算的方法就是利用數(shù)學(xué)上求互相關(guān)函數(shù)極值的方法。在測(cè)量足夠長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，互相關(guān)函數(shù)為

它和相比，相當(dāng)于把自相關(guān)函數(shù)延時(shí)的值。當(dāng)時(shí)，有極大值，也就是互相關(guān)函數(shù)有極大值，此時(shí)就是所求的值。將送到模擬相關(guān)分析儀中，改變滯后時(shí)間，可以得到相互關(guān)函數(shù)隨滯后時(shí)間變化時(shí)的圖形，求得最大值時(shí)所對(duì)應(yīng)時(shí)間就是，即可求得速度。在工程上用這種方法可以測(cè)量軋鋼時(shí)板材速度、流體流動(dòng)速度、汽車車速等。

所謂空間濾波器測(cè)速法是利用可選擇一定空間頻率段的空間濾波器件與被測(cè)物體同步運(yùn)動(dòng)，然后在單位空間內(nèi)測(cè)量相應(yīng)的時(shí)間頻率，求得運(yùn)動(dòng)體的運(yùn)動(dòng)速度。

空間濾波器是能夠選擇一定空間頻率段的器件?？臻g頻率是指單位空間線度內(nèi)物理量周期性變化的次數(shù)，它可以用右圖來(lái)表示。在柵格板上刻有透明的相間狹縫，高在空間長(zhǎng)度L內(nèi)有N個(gè)等距狹縫，當(dāng)柵格板移動(dòng)時(shí)，光檢測(cè)器件便可感受到光源的明暗變化。明暗變化的空間頻率u=N/L。如果柵格板的移動(dòng)速度為v，移動(dòng)L所需要的時(shí)間為t，則光檢測(cè)器檢測(cè)到的時(shí)間頻率為f=N/t。由于N=u*L，時(shí)間頻率和空間頻率的關(guān)系為由此可知，速度V可用空間頻率來(lái)描述。右圖為空間濾波器的測(cè)速原理圖。當(dāng)點(diǎn)光源沿著圖中y的方向以一定速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，點(diǎn)光源的光通過(guò)光學(xué)透鏡成像在叉指式光電池柵格上，光電池便會(huì)輸出頻率為f的脈沖串。選擇光電池柵格尺寸和形狀能使柵格對(duì)一定空間頻率有選擇性，那么物體運(yùn)動(dòng)的速度就可以換為時(shí)間頻率信號(hào)。空間濾波器輸出信號(hào)的中心頻率跟速度成正比，因此，通過(guò)測(cè)頻即可測(cè)量速度。但是在實(shí)際應(yīng)用時(shí)使用的光源不是點(diǎn)光源，而是具有任意輝度分布的光源。利用這種方法可以用來(lái)檢測(cè)傳送帶、鋼板、車輛等的運(yùn)動(dòng)速度，也可以用于轉(zhuǎn)動(dòng)物體為背景的角速度測(cè)量，它的檢測(cè)范圍為1.5~250km/h，測(cè)量精度可達(dá)0.5%。2）加速度積分法和位移微分測(cè)量法測(cè)量到運(yùn)動(dòng)體的加速度信號(hào)，并對(duì)時(shí)間t積分，就可得到運(yùn)動(dòng)體的速度；測(cè)量運(yùn)動(dòng)體的位移信號(hào)，并將其對(duì)時(shí)間微分，也可以得到速度，這兩種方法完全相同。利用該方法典型實(shí)例是振動(dòng)測(cè)量中，利用加速度計(jì)測(cè)量振動(dòng)體的加速度振動(dòng)信號(hào)經(jīng)電路積分獲得振動(dòng)速度；應(yīng)用振幅計(jì)測(cè)量振動(dòng)體位移信號(hào)再進(jìn)行微分得到振動(dòng)的速度。3）利用物理參數(shù)測(cè)量速度利用速度大小與某些物理量間的已知關(guān)系間接地測(cè)量物體運(yùn)動(dòng)的速度。如：電動(dòng)式速度傳感器和電磁式速度傳感器。電動(dòng)式速度傳感器的結(jié)構(gòu)原理如右圖所示，它由軛鐵、永久磁鐵、線圈及支承彈簧等組成。永久磁鐵和軛鐵產(chǎn)生一個(gè)均勻磁場(chǎng)，線圈安裝在這個(gè)磁場(chǎng)中。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，穿過(guò)線圈的磁通量隨時(shí)間發(fā)生變化時(shí)，在線圈兩端將產(chǎn)生與磁通量的減少速率成正比的電壓，即如果傳感器中的線圈沿與磁場(chǎng)垂直方向運(yùn)動(dòng)，在線圈中便可產(chǎn)生與線圈速度成正比的感應(yīng)電壓，由此可從輸出電壓中測(cè)得速度。這種傳感器的靈敏度與磁通密度、線圈的匝數(shù)及其展開面積的乘積成正比。但線圈的面積越大，傳感器的體積也越大，且會(huì)使其動(dòng)態(tài)特性變壞。當(dāng)接入負(fù)載電阻時(shí)，線圈位移產(chǎn)生的電流會(huì)產(chǎn)生與磁場(chǎng)作用的反作用力，這種反作用力可用在測(cè)量中起阻尼作用。該型傳感器的測(cè)量范圍為。

電磁式速度傳感器的結(jié)構(gòu)原理如右圖所示，它由永久磁鐵和線圈等構(gòu)成。永久磁鐵和運(yùn)動(dòng)物體相連，線圈處于固定狀態(tài)。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，當(dāng)永久磁鐵從線圈旁邊經(jīng)過(guò)時(shí)，線圈便會(huì)產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電勢(shì)，如果磁鐵經(jīng)過(guò)的路徑不變，那么這個(gè)感應(yīng)脈沖的電壓峰值與磁鐵運(yùn)動(dòng)的速度成正比。因此，可以通過(guò)這個(gè)脈沖電壓的峰值來(lái)確定永久磁鐵的運(yùn)動(dòng)速度。將永久磁鐵固定在被測(cè)物體上，即可測(cè)得物體的運(yùn)動(dòng)速度。轉(zhuǎn)速測(cè)量數(shù)字式轉(zhuǎn)速傳感器：把轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)變成電脈沖信號(hào)最主要頻率法測(cè)轉(zhuǎn)速式中，z為旋轉(zhuǎn)體每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)傳感器發(fā)出的電脈沖信號(hào)數(shù)；t為采樣時(shí)間(s)。n=60xN/zt電子計(jì)數(shù)器：在采樣時(shí)間內(nèi)對(duì)轉(zhuǎn)速傳感器輸出的電脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。利用標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間控制計(jì)數(shù)器閘門。當(dāng)計(jì)數(shù)器的顯示值為N時(shí)，被測(cè)量的轉(zhuǎn)速為n,則有轉(zhuǎn)速傳感器

轉(zhuǎn)速傳感器的種類很多，有磁電式、光電式、離心式、霍爾式等轉(zhuǎn)速傳感器。隨著高速鐵路飛速發(fā)展，在時(shí)速超過(guò)350km/h的高速鐵路線路上，列車的測(cè)速定位問(wèn)題顯得越來(lái)越重要。其中輪軸脈沖轉(zhuǎn)速傳感器在高速鐵路中應(yīng)用較為廣泛。輪軸脈沖轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)速的基本工作原理：利用車輪的周長(zhǎng)作為“尺子”測(cè)量列車走行距離，根據(jù)所測(cè)距離測(cè)算列車運(yùn)行速度。其基本公式為：V=πDn/3.6式中，π=3.14，D為車輪直徑，n為車輪轉(zhuǎn)速。

從上式可知，測(cè)量列車速度就是檢測(cè)列車車輪轉(zhuǎn)速和列車輪徑。脈沖轉(zhuǎn)速傳感器安裝在輪軸上，輪軸每轉(zhuǎn)動(dòng)一周，傳感器輸出一定數(shù)目的脈沖，使脈沖頻率與輪軸轉(zhuǎn)速成正比。輸出的脈沖經(jīng)隔離和整形后直接輸入計(jì)算機(jī)CPU進(jìn)行頻率測(cè)量，再經(jīng)換算從而得出車組速度和走行距離。其原理框圖如下圖。脈沖轉(zhuǎn)速傳感器隔離整形頻率測(cè)量與計(jì)算脈沖轉(zhuǎn)速傳感器原理框圖車組速度和走行距離2）磁電感應(yīng)式轉(zhuǎn)速傳感器

當(dāng)安裝在被測(cè)轉(zhuǎn)軸上的齒輪(導(dǎo)磁體)旋轉(zhuǎn)時(shí)，其齒依次通過(guò)永久磁鐵兩磁極間的間隙，使磁路的磁阻和磁通發(fā)生周期性變化，從而在線圈上感應(yīng)出頻率和幅值均與軸轉(zhuǎn)速成此例的交流電壓信號(hào)u0。隨著轉(zhuǎn)速下降輸出電壓幅值減小，當(dāng)轉(zhuǎn)速低到一定程度時(shí)，電壓幅值將會(huì)減小到無(wú)法檢測(cè)出來(lái)的程度。故這種傳感器不適合于低速測(cè)量。轉(zhuǎn)速傳感器在車輪上的安裝霍爾轉(zhuǎn)速傳感器在汽車防抱死裝置（ABS）中的應(yīng)用

若汽車在剎車時(shí)車輪被抱死，將產(chǎn)生危險(xiǎn)。用霍爾轉(zhuǎn)速傳感器來(lái)檢測(cè)車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)有助于控制剎車力的大小。帶有微型磁鐵的霍爾傳感器鋼質(zhì)霍爾光電轉(zhuǎn)速傳感器231231(a)(b)光電數(shù)字式轉(zhuǎn)速表工作原理圖下圖是光電數(shù)字式轉(zhuǎn)速表的工作原理圖。圖(a)是在待測(cè)轉(zhuǎn)速軸上固定一帶孔的轉(zhuǎn)速調(diào)置盤，在調(diào)置盤一邊由白熾燈產(chǎn)生恒定光，透過(guò)盤上小孔到達(dá)光敏二極管組成的光電轉(zhuǎn)換器上，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大整形電路輸出整齊的脈沖信號(hào)，轉(zhuǎn)速由該脈沖頻率決定。在待測(cè)轉(zhuǎn)速的軸上固定一個(gè)涂上黑白相間條紋的圓盤，它們具有不同的反射率。當(dāng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，反光與不反光交替出現(xiàn)，光電敏感器件間斷地接收光的反射信號(hào)，轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)。3）電渦流位移傳感器—轉(zhuǎn)速測(cè)量

若轉(zhuǎn)軸上開z個(gè)槽(或齒)，頻率計(jì)的讀數(shù)為f（單位為Hz），則轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速n（單位為r/min）的計(jì)算公式為

4）閃光測(cè)轉(zhuǎn)速法利用人眼的視覺(jué)暫留現(xiàn)象（0.05s~0.2s）來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)速。視覺(jué)暫留：一個(gè)閃光目標(biāo)，當(dāng)閃動(dòng)頻率大于10Hz時(shí)，人眼看上去就是連續(xù)發(fā)亮的。用一個(gè)頻率連續(xù)可調(diào)的閃光燈照射被測(cè)旋轉(zhuǎn)軸上的某一固定標(biāo)記(如齒輪的齒，圓盤的輻條或在旋轉(zhuǎn)軸上涂以黑白點(diǎn))，并調(diào)節(jié)閃光頻率f，直到旋轉(zhuǎn)軸上出現(xiàn)一個(gè)單定象為止，即達(dá)到n=f的條件。

若在連續(xù)兩次閃光的時(shí)間間隔內(nèi)，旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過(guò)整數(shù)倍時(shí)，即n＝k0f時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)單定象。式中的k0為單定象停留的次數(shù)(1、2、3、…)。

當(dāng)閃光頻率比被測(cè)轉(zhuǎn)速高二倍、三倍、…、m倍時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)二重象、三重象以至于m重象。f=m×n閃光測(cè)速法需要注意（1）若已知被測(cè)轉(zhuǎn)速范圍，則將閃光頻率從略大于n的高頻逐漸下降，直到第一次出現(xiàn)不動(dòng)的頻閃像，則n=f；（2）若無(wú)法預(yù)知范圍，則從低頻上調(diào)，直至出現(xiàn)多重像；

線速度傳感器是用來(lái)測(cè)量直線運(yùn)動(dòng)速度的傳感器，它的輸出電壓和被測(cè)物體運(yùn)動(dòng)速度成線性關(guān)系，因而它被廣泛用于航空、兵器、機(jī)械、儀器儀表、地質(zhì)石油、核工業(yè)等部門的自動(dòng)控制和自動(dòng)測(cè)量。該傳感器具有極高的頻率響應(yīng)，可檢測(cè)小模數(shù)齒輪和其它物體的轉(zhuǎn)速，具有穩(wěn)定的工作性能。輸出為方波信號(hào)，能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。本產(chǎn)品有雙路相位差信號(hào)輸出，可測(cè)量物體的正、反轉(zhuǎn)，能替代旋轉(zhuǎn)編碼器。

線速度傳感器

如，ZLS-C50測(cè)速傳感器是特別定制高精度的一款測(cè)速傳感器，其精度小于0.05%。它是非接觸精密測(cè)量物體運(yùn)行速度的利器。它不僅能測(cè)運(yùn)行速度，還能測(cè)量運(yùn)行物體左右擺動(dòng)量，以及運(yùn)動(dòng)方向和停機(jī)狀態(tài)。它不僅能測(cè)量大物體，也能測(cè)量細(xì)小物體,是目前一款性能非常優(yōu)異的在線測(cè)速度傳感器。激光測(cè)速儀（Dopplereffect）就是當(dāng)聲音，光和無(wú)線電波等振動(dòng)源與觀測(cè)者以相對(duì)速度V相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀測(cè)者所收到的振動(dòng)頻率與振動(dòng)源所發(fā)出的頻率有所不同的現(xiàn)象。由多普勒效應(yīng)所形成的頻率變化叫做多普勒頻移，它與相對(duì)速度V成正比，與振動(dòng)的頻率成反比。多普勒效應(yīng)有興趣的可以看看《傳感器與現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)》清華大學(xué)出版社，陶艷紅等編●觀察者接收到的頻率等于觀察者在單位時(shí)間內(nèi)接收到的完全波的個(gè)數(shù)，當(dāng)波以速度v通過(guò)接收者時(shí)，時(shí)間t內(nèi)通過(guò)的完全波的個(gè)數(shù)為N＝vt／λ因而單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)接收者的完全波的個(gè)數(shù)，即接收的頻率f＝v／λ。

●若波源不動(dòng)時(shí)，觀察著朝向波源以速度V2運(yùn)動(dòng)，由