霍爾式傳感器轉速測量系統(tǒng)的設計ppt課件

1、霍爾式轉速傳感器設計工程實踐中，經常會遇到各種需要測量轉速的場合，例如在發(fā)電機、電動機、卷揚機、機床主軸等旋轉設備的試驗、運轉和控制中，常需要分時或連續(xù)測量和顯示其轉速和瞬時轉速。 轉速測量的應用系統(tǒng)在工業(yè)生產、科技教育、民用電器等各領域的應用極為廣泛，往往成為某一產品或控制系統(tǒng)的核心部分，其各種參數(shù)在不同的應用中有其側重，但轉速測量系統(tǒng)普遍的應用在國民經濟中，有著重要的意義。目前國內外測量轉速的方法很多，按照不同的設計理論可分為以下幾種。模擬測速法同步測速法計數(shù)測速法型式測量方法使用范圍特點備注計數(shù)式機械式通過齒輪轉動數(shù)字輪中、低速簡單、價廉 光電式來自被測旋轉體上的光線使光電管產生電脈沖中

2、、高速 數(shù)字式電磁式利用磁電轉換器將轉速變換成脈沖中、高速 數(shù)字式模擬式機械式利用離心力與轉速的平方成正比的關系中、低速簡單 發(fā)電機式利用電機電流或交流電壓與轉速成正比關系高速可遠距離指示測速發(fā)電機不同測量方法的比較如下表所示不同測量方法的比較如下表所示型式測量方法使用范圍特點備注模擬式電容式利用電容充、放電與轉速成正比的關系中、高速 同步式機械式轉動帶槽的圓盤，觀察旋轉體的同步關系中速 閃光式用已知頻率閃光測出旋轉體同步的頻率中、高速 幾種常用的轉速測量方法 （1直射式光電轉速傳感器：直射式光電轉速傳感器： 它由開孔圓盤、光源、光敏元它由開孔圓盤、光源、光敏元件及縫隙板等組成。開孔圓盤件及縫

3、隙板等組成。開孔圓盤的輸入軸與被測軸相連接，光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縫隙板照射到光敏元件上被光敏元件所接收，將光信號轉為敏元件所接收，將光信號轉為電信號輸出。開孔圓盤上有許電信號輸出。開孔圓盤上有許多小孔，開孔圓盤旋轉一周，多小孔，開孔圓盤旋轉一周，光敏元件輸出的電脈沖個數(shù)等光敏元件輸出的電脈沖個數(shù)等于圓盤的開孔數(shù)，因此，可通于圓盤的開孔數(shù)，因此，可通過測量光敏元件輸出的脈沖頻過測量光敏元件輸出的脈沖頻率，得知被測轉速率，得知被測轉速1.光電式轉速測量：光電傳感器是采用光電元件作為檢測元件，首光電式轉速測量：光電

4、傳感器是采用光電元件作為檢測元件，首先把被測量的變化轉變?yōu)樾盘柕淖兓缓蠼柚怆娫M一步將先把被測量的變化轉變?yōu)樾盘柕淖兓?，然后借助光電元件進一步將光信號轉換成電信號。光電傳感器一般由光源、光學通路和光電元光信號轉換成電信號。光電傳感器一般由光源、光學通路和光電元件件3部分組成。部分組成。 即 n=f/N式中：n - 轉速 f - 脈沖頻率 N - 圓盤開孔數(shù)。 （2反射式光電傳感器：反射式光電傳感器： 它主要由被測旋轉部它主要由被測旋轉部件、反光片或反光貼紙件、反光片或反光貼紙）、反射式光電傳感器組）、反射式光電傳感器組成，在可以進行精確定位成，在可以進行精確定位的情況下，在被測部件上的

5、情況下，在被測部件上對稱安裝多個反光片或反對稱安裝多個反光片或反光貼紙會取得較好的測量光貼紙會取得較好的測量效果。在本實驗中，由于效果。在本實驗中，由于測試距離近且測試要求不測試距離近且測試要求不高，僅在被測部件上只安高，僅在被測部件上只安裝了一片反光貼紙，因此裝了一片反光貼紙，因此，當旋轉部件上的反光貼，當旋轉部件上的反光貼紙通過光電傳感器前時，紙通過光電傳感器前時，光電傳感器的輸出就會跳光電傳感器的輸出就會跳變一次。通過測出這個跳變一次。通過測出這個跳變頻率變頻率f，就可知道轉速，就可知道轉速n。 即 n=f 如果在被測部件上對稱安裝多個反光片或反光貼紙，那么，n=f/N。N-反光片或反光

6、貼紙的數(shù)量反射式光電轉速傳感器的結構圖 （1面積變化型：面積變化型： 圖圖3中是面積變化型的原理，圖中電容式轉速傳感器由兩塊固定金屬板和中是面積變化型的原理，圖中電容式轉速傳感器由兩塊固定金屬板和與轉動軸相連的可動金屬板構成?？蓜咏饘侔逄幱陔娙萘孔畲蟮奈恢?，當轉與轉動軸相連的可動金屬板構成?？蓜咏饘侔逄幱陔娙萘孔畲蟮奈恢茫斵D動軸旋轉動軸旋轉180時則處于電容量最小的位置。電容量的周期變化速率即為轉速時則處于電容量最小的位置。電容量的周期變化速率即為轉速?？赏ㄟ^直流激勵、交流激勵和用可變電容構成振蕩器的振蕩槽路等方式得?？赏ㄟ^直流激勵、交流激勵和用可變電容構成振蕩器的振蕩槽路等方式得到轉速的測

7、量信號。到轉速的測量信號。2.電容式轉速測量：電容式轉速傳感器是一種常用于小負荷轉速測電容式轉速測量：電容式轉速傳感器是一種常用于小負荷轉速測量和瞬態(tài)轉速測量的電參數(shù)型數(shù)字式傳感器。它同其它數(shù)字式轉速量和瞬態(tài)轉速測量的電參數(shù)型數(shù)字式傳感器。它同其它數(shù)字式轉速傳感器一樣傳感器一樣,主要是由預變換元件和變換元件兩測量中應用較多。主要是由預變換元件和變換元件兩測量中應用較多。 介質變化型是在電容器的兩個固定電極板之間嵌入一塊高介電常數(shù)的可動板而構成的。 可動介質板與轉動軸相連，隨著轉動軸的旋轉，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，其速率等于轉動軸的轉速。 圖中齒輪外沿面作為電

8、容器的動極板,當電容器定極板與齒頂相對時,電容量最大,而與齒隙相對時,電容量最小。因此,電容量的變化頻率應與齒輪的轉頻成正比 。（2介質變化型：變磁阻式轉速傳感器 它屬于變磁阻式傳感器。變磁阻式傳感器的三種基本類型，電感式傳感器、變壓器式傳感器和電渦流式傳感器都可制成轉速傳感器。 電感式轉速傳感器應用較廣，它利用磁通變化而產生感應電勢，其電勢大小取決于磁通變化的速率。這類傳感器按結構不同又分為開磁路式和閉磁路式兩種。 （1開磁路式轉速傳感器圖4a結構比較簡單，輸出信號較小，不宜在振動劇烈的場合使用。 （2閉磁路式轉速傳感器由裝在轉軸上的外齒輪、內齒輪、線圈和永久磁鐵構成圖4b）。內、外齒輪有相

9、同的齒數(shù)。當轉軸連接到被測軸上一起轉動時，由于內、外齒輪的相對運動，產生磁阻變化，在線圈中產生交流感應電勢。測出電勢的大小便可測出相應轉速值?；魻柺睫D速傳感器 原理：是一種采用霍爾原理的的轉速傳感器。它的感應對原理：是一種采用霍爾原理的的轉速傳感器。它的感應對象為磁鋼。當被測體上嵌入磁鋼，隨著被測物體轉動時，象為磁鋼。當被測體上嵌入磁鋼，隨著被測物體轉動時，傳感器輸出與旋轉頻率相關的脈沖信號，達到測速目的。傳感器輸出與旋轉頻率相關的脈沖信號，達到測速目的。優(yōu)點：安裝使用方便，通用性好優(yōu)點：安裝使用方便，通用性好 可執(zhí)行性高、易操作、精度高可執(zhí)行性高、易操作、精度高 同時誤差比較小，適應于各種復

10、雜環(huán)境同時誤差比較小，適應于各種復雜環(huán)境 霍爾傳感器本身具有不怕灰塵、油污，安裝簡易，霍爾傳感器本身具有不怕灰塵、油污，安裝簡易，不易損壞不易損壞 所以霍爾轉速傳感器是轉速傳感器中的戰(zhàn)斗機。所以霍爾轉速傳感器是轉速傳感器中的戰(zhàn)斗機。霍爾效應：置于磁場中的靜止載流導體, 當它的電流方向與磁場方向不一致時, 載流導體上垂直于電流和磁場方向產生電動勢, 這種現(xiàn)象稱霍爾效應。該電勢稱霍爾電勢。利用霍爾效應可以設計制成多種傳感器。 霍爾電位差UH的基本關系為 UH=RHIB/d RH=1/nq金屬）式中 RH霍爾系數(shù)： n載流子濃度或自由電子濃度； q電子電量； I通過的電流； B垂直于I的磁感應強度；

11、 d導體的厚度。 霍爾元件敏感元件）： 根據(jù)霍爾效應，人們用半導體材料制成的元件叫霍爾元件。它具有對磁場敏感、結構簡單、體積小、頻率響應寬、輸出電壓變化大和使用壽命長等優(yōu)點，因此，在測量、自動化、計算機和信息技術等領域得到廣泛的應用?；魻栐疽鈭D 組成部分： 霍爾轉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?；魻栐D片霍爾元件圖片下面通過一個實際的測轉速例子來講解霍爾式轉速傳感器在設計中使用是Hal-12霍爾傳感器，Hal-12霍爾轉速傳感器,是一種采用霍爾原理的的轉速傳感器。它的感應對象為磁鋼。當被測體上嵌入磁鋼，隨著被測物體轉動時，傳感器輸出與

12、旋轉頻率相關的脈沖信號，達到測速或位移檢測的發(fā)訊目的。由于安裝使用方便，通用性好，已被廣泛應用于各種領域。技術參數(shù)：1.發(fā)訊頻率：010kHz2.供電電源：1225V(DC)3.負載電阻：1.0k4.檢測距離：14mm(磁鋼)6.輸出信號：矩形波幅值：近電源電壓7.環(huán)境條件：溫度：-20C80C 相對 濕度：85%Hal-12霍爾傳感器實物圖Hal-12霍爾傳感器結構參數(shù)霍爾轉速傳感器傳感頭當圓形磁盤旋轉時，磁盤上不同磁性的小磁鋼交替變化，引起磁力的交替簡化，磁力穿過傳感器上感應元件時產生霍爾電勢經過霍爾芯片的放大整形輸出，再輸入到轉換電路。注釋：磁盤每轉一圈，與感應元件就接觸一次，感應元件感

13、應磁注釋：磁盤每轉一圈，與感應元件就接觸一次，感應元件感應磁場的變化通過上拉電阻在輸出口會產生一個有效電平。場的變化通過上拉電阻在輸出口會產生一個有效電平?；魻栟D速傳感器內置電路圖傳感器內置電路對該信號進行放大、整形，輸出良好的矩形脈沖信號圓盤貼兩個磁鋼時，設每秒計數(shù)到N個值，則轉速=N/2 (r/s)。則N/2 (r/s)=30N(r/min)。即只要將計數(shù)值乘以30便可得到每分鐘電機的轉速模擬輸出的矩形脈沖圖理想的輸出圖 過程分析： 磁性轉盤的輸入軸與被測轉軸相連, 當被測轉軸轉動時, 磁性轉盤隨之轉動, 固定在磁性轉盤附近的霍爾傳感器便可在每一個小磁鐵通過時產生一個相應的脈沖, 檢測出單

14、位時間的脈沖數(shù), 便可知被測轉速。 磁性轉盤上小磁鐵數(shù)目的多少決定了傳感器測量轉速的分辨率。輸入輸出關系圖OH137AT89C5110K20pfVCC+5VSNNSUO霍爾式轉速測量系統(tǒng)硬件電路圖轉速測量電路1轉速測量儀的基本組成：2轉速測量基本方法定數(shù)采樣：這種方法其實是測量單個脈沖的周期定數(shù)采樣：這種方法其實是測量單個脈沖的周期或指定個數(shù)脈沖的總周期。這種測量脈沖的方法或指定個數(shù)脈沖的總周期。這種測量脈沖的方法又叫做測周法。又叫做測周法。 定時采樣。這種方法其實是測量單位時間的脈沖定時采樣。這種方法其實是測量單位時間的脈沖個數(shù)。這種測量脈沖的方法又叫做測頻法。個數(shù)。這種測量脈沖的方法又叫做

15、測頻法。頻率電壓轉換(f/V)頻率轉速N=f/分頻數(shù)單位r/min r/s電機霍爾傳感器LED顯示信號處理單片機采用“M法的轉速測量測頻法）1m在一定的測量時間內，測量輸入脈沖產生的脈沖數(shù)M1來測量轉速，如下圖T硬件仿真圖誤差分析預計的實物效果預計的實物效果霍爾元件的補償電路 1.零位誤差： 就是指在無外加磁場或無控制電流的情況下,霍爾元件產生輸出電壓并由此而產生的誤差稱為零位誤差。要表現(xiàn)為以下幾種具體形式： 1)不等位電動勢： 不等位電動勢是零位誤差中最主要的一種,它是當霍爾元件在額定控制電流(元件在空氣中溫升10所對應的電流)作用下,不加外磁場時,霍爾輸出端之間的空載電勢。不等位電動勢產生

16、的原因是由于制造工藝不可能保證將兩個霍爾電極對稱地焊在霍爾片的兩側,致使兩電極點不能完全位于同一等位面上。此外霍爾片電阻率不均勻或片厚薄不均勻或控制電流極接觸不良都將使等位面歪斜,致使兩霍爾電極不在同一等位面上而產生不等位電動勢。 2)寄生直流電勢 在無磁場的情況下,通入交流電流,輸出端除交流不等位電壓以外的直流分量是寄生直流電勢。產生寄生直流電勢的原因大致上有兩個方面:由于控制極焊接處歐姆接觸不良而造成一種整流效應,使控制電流因正、反向電流大小不等而具有一定的直流分量。輸出極焊點熱容量不相等產生溫差電動勢。 3)感應零電勢感應零電勢是在未通電流的情況下,由于脈動或交變磁場的作用,在輸出端產生

17、的電動勢。根據(jù)電磁感應定律,感應電動勢的大小與霍爾元件輸出電極引線構成的感應面積成正比。 4)自激場零電勢霍爾元件控制電流產生自激場，由于元件的左右兩半場相等,故產生的電勢方向相反而抵消。實際應用時由于控制電流引線也產生磁場,使元件左右兩半場強不等,因而有霍爾電勢輸出,這一輸出電勢即是自激場零電勢。在上述的四種零位誤差中,寄生直流電勢、感應零電勢和自激場零電勢,是由于制作工藝上的原因而造成的誤差,可以通過工藝水平的提高加以解決,而不等位電動勢所造成的零位誤差,則必須通過補償電路給予克服。2.零位誤差的補償電路 在實驗中發(fā)現(xiàn),對于霍爾元件來說,不等位電動勢與不等位電阻是一致的,因此,可以將霍爾元件等效為一個電橋,并通過調整其電阻的方法來進行補償圖4為霍爾元件的結構,其中A、B為控制電極,C、D為霍爾電極,在極間分布的電阻用R1、R2、R3、R4表示,等效電路如圖5所示。 在理想情況,R1=R2=R3=R4,即可取得零位電動勢為零(或零位電阻為零),從而消除不等位電動勢。實際上,若存在零位電動勢,則說明此4個電阻不完