轉速傳感器種類、原理及發(fā)展趨勢

柴油機測試技術PAGE6轉速傳感器種類、原理及發(fā)展趨勢將旋轉物體的轉速轉換為電量輸出的傳感器。轉速傳感器屬于間接式測量裝置，可用機械、電氣、磁、光和混合式等方法制造。按信號形式的不同，轉速傳感器可分為模擬式和數字式兩種。前者的輸出信號值是轉速的線性函數,后者的輸出信號頻率與轉速成正比,或其信號峰值間隔與轉速成反比。轉速傳感器的種類繁多、應用極廣，其原因是在自動控制系統(tǒng)和自動化儀表中大量使用各種電機，在不少場合下對低速（如每小時一轉以下）、高速（如每分鐘數十萬轉）、穩(wěn)速（如誤差僅為萬分之幾）和瞬時速度的精確測量有嚴格的要求。常用的轉速傳感器有光電式、電容式、變磁阻式以及測速發(fā)電機。下面淺析這幾種傳感器。光電式轉速傳感器光電式轉速傳感器對轉速的測量，主要是通過將光線的發(fā)射與被測物體的轉動相關聯，再以光敏元件對光線的進行感應來完成的。光電式轉速傳感器從工作方式角度劃分，分為透射式光電轉速傳感器和反射式光電轉速傳感器兩種。1、投射式光電轉速傳感器投射式光電轉速傳感器設有讀數盤和測量盤，兩者之間存在間隔相同的縫隙。投射式光電轉速傳感器在測量物體轉速時，測量盤會隨著被測物體轉動，光線則隨測量盤轉動不斷經過各條縫隙，并透過縫隙投射到光敏元件上。投射式光電轉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。投射式光電轉速傳感器的脈沖信號，通過在一段時間內的計數和計算，就可以獲得被測量對象的轉速狀態(tài)。2、反射式光電轉速傳感器反射式光電轉速傳感器是通過在被測量轉軸上設定反射記號，而后獲得光線反射信號來完成物體轉速測量的。反射式光電轉速傳感器的光源會對被測轉軸發(fā)出光線，光線透過透鏡和半透膜入射到被測轉軸上，而當被測轉軸轉動時，反射記號對光線的反射率就會發(fā)生變化。反射式光電轉速傳感器內裝有光敏元件，當轉軸轉動反射率增大時，反射光線會通過透鏡投射到光敏元件上，反射式光電轉速傳感器即可發(fā)出一個脈沖信號，而當反射光線隨轉軸轉動到另一位置時，反射率變小光線變弱，光敏元件無法感應，即不會發(fā)出脈沖信號。二、變磁阻式轉速傳感器它屬于\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。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。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、外齒輪有相同的齒數。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。三．電容式轉速傳感器它屬于電容式傳感器，有面積變化型和介質變化型兩種。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?？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量信號。2、介質變化型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。四、霍爾轉速傳感器霍爾轉速傳感器的主要工作原理是霍爾效應，也就是當轉動的金屬部件通過霍爾傳感器的磁場時會引起電勢的變化，通過對電勢的測量就可以得到被測量對象的轉速值。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。1、霍爾轉速傳感器的工作原理霍爾轉速傳感器在測量機械設備的轉速時，被測量機械的金屬齒輪、齒條等運動部件會經過傳感器的前端，引起磁場的相應變化，當運動部件穿過霍爾元件產生磁力線較為分散的區(qū)域時，磁場相對較弱，而穿過產生磁力線較為幾種的區(qū)域時，磁場就相對較強?；魻栟D速傳感器就是通過磁力線密度的變化，在磁力線穿過傳感器上的感應元件時，產生霍爾電勢?；魻栟D速傳感器的霍爾元件在產生霍爾電勢后，會將其轉換為交變電信號，最后傳感器的內置電路會將信號調整和放大，輸出矩形脈沖信號。2、霍爾轉速傳感器的測量方法霍爾轉速傳感器的測量必須配合磁場的變化，因此在霍爾轉速傳感器測量非鐵磁材質的設備時，需要事先在旋轉物體上安裝專門的磁鐵物質，用以改變傳感器周圍的磁場，這樣霍爾轉速傳感器才能準確的捕捉到物質的運動狀態(tài)?；魻栟D速傳感器主要應用于齒輪、齒條、凸輪和特質凹凸面等設備的運動轉速測量。高轉速磁敏電阻轉速傳感器除了可以測量轉速以外，還可以測量物體的位移、周期、頻率、扭矩、機械傳動狀態(tài)和測量運行狀態(tài)等?；魻栟D速傳感器目前在工業(yè)生產中的應用很是廣泛，例如電力、汽車、航空、紡織和石化等領域，都采用霍爾轉速傳感器來測量和監(jiān)控機械設備的轉速狀態(tài)，并以此來實施自動化管理與控制。五、測速發(fā)電機測速發(fā)電機是自動控制系統(tǒng)中的信號元件，它可以把轉速信號轉換成電氣信號。測速發(fā)電機有直流測速發(fā)電機和異步測速發(fā)電機。直流測速發(fā)電機是一種微型直流發(fā)電機，按勵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，在使用時必須注意電機的轉速不得超過規(guī)定的最高轉速，負載電阻不小于給定值。在精度要求嚴格的場合，還需要對測速機進行溫度補償。紋波電壓造成了輸出電壓不穩(wěn)定，降低了測速發(fā)電機的精度。異步測速發(fā)電機的結構與空心杯轉子交流伺服電動機完全相同。當異步測速發(fā)電機的勵磁繞組產生的磁通dΦ&保持不變，轉子不轉時輸出電壓為零，轉子旋轉時切割勵磁磁通產生感應電動勢和電流，建立橫軸方向的磁通，在輸出繞組中產生感應電動勢，從而產生輸出電壓。輸出電壓的大小與轉速成正比，但其頻率與轉速無關，等于電源的頻率。理想的輸出特性也是一條直線，但實際上并非如此。引起誤差的主要原因是：dΦ&的大小和相位都隨著轉速而變化，負載阻抗的大小和性質，勵磁電源的性能，溫度以及剩余電壓，其中剩余電壓是誤差的主要部分。表征異步測速發(fā)電機性能的主要技術指標有線性誤差、相位誤差和剩余電壓。引起剩余電壓的原因很多，如磁路不對稱、氣隙不均勻、輸出繞組和勵磁繞組在空間不是嚴格相差90°電角度、繞組匝間短路、鐵芯片間短路、轉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，除了改進電機的制造材料和工藝外，還可采用外接補償裝置。在實際中為了提高異步測速發(fā)電機的性能通常采用四極電機。為了減小誤差，應增大轉子電阻和負載阻抗，減小勵磁繞組和輸出繞組的漏阻抗，提高勵磁電源的頻率（采用400HZ的中頻勵磁電源）。使用時電機的工作轉速不應超過規(guī)定的轉速范圍。為了滿足控制系統(tǒng)的要求，對測速發(fā)電機