转速传感器

模块五转速传感器教学情境一磁电式转速传感器教学情境二光电式转速传感器教学情境三霍尔转速传感器教学情境一磁电式转速传感器知识点一磁电式传感器工作原理知识点二磁电感应式传感器基本特性转速传感器是用于将旋转物体转速状态转换为电信号的一种传感器。转速传感器可以应用在各种转速测量场合，能适应对旋转物体的低速、高速、稳速和瞬时速度等多种转速状态测量工作，并可将信号传导给控制部门。转速传感器的种类繁多，可对低速（如每小时一转以下）、高速（如每分钟数十万转）、稳速（如误差仅为万分之几）和瞬时速度进行精确的测量。转速电量机械、电气、磁、光、混合式模拟式数字式输出信号的频率与转速成正比或信号峰值间隔与转速成反比输出信号值与转速成正比磁电、光电、霍尔、电容式、变磁阻式、测速发电机知识点一磁电式传感器工作原理磁电感应式传感器：利用电磁感应定律将被测量（如振动、位移、转速等）转换成电信号的一种传感器。无源传感器：不需要辅助电源，就能把被测对象的机械量转换成易于测量的电信号。特点：输出功率大，性能稳定，具有一定的工作带宽（10～1000Hz）。转速电量电磁感应知识点一磁电式传感器工作原理一、原理根据电磁感应定律，当N匝线圈在恒定磁场内运动时，设穿过线圈的磁通为Φ，则线圈内的感应电势e与磁通变化率dΦ/dt，有如下关系：dtdNe法拉第电磁感应定律dtdNe二、分类恒磁通式和变磁通式。即动圈式传感器和磁阻式传感器。由上述工作原理可知，磁电感应式传感器只适用于动态测量。恒磁通式变磁通式分类动生电动势原理感生电动势原理动圈式磁阻式磁路系统产生恒定的磁场，磁路中的工作气隙固定不变，因而气隙中磁通也是恒定不变的。弹簧较软，运动部件质量相对较大。当壳体随被测振动体一起振动频率足够高（远大于传感器固有频率）时，运动部件惯性很大，来不及随振动体一起振动，近乎静止不动，振动能量几乎全被弹簧吸收。永久磁铁与线圈之间的相对运动速度接近于振动体振动速度，磁铁与线圈的相对运动切割磁力线，从而产生感应电势。感应电势大小与振动速度成正比。1、恒磁通式工作原理传感器壳体与被测振动体相连，当壳体随被测振动体一起振动时，运动部件（弹簧和线圈）来不及随振动体一起振动，近乎静止不动。线圈切割磁力线，产生感应电势。感应电势大小与振动速度成正比。1、恒磁通式工作原理（a）动圈式；（b）动铁式图5-3恒磁通式磁电传感器结构原理图1、恒磁通式：动圈式、动铁式1.动圈式磁电感应式传感器（恒磁通式）动圈式磁电感应式传感器：这类传感器的基本形式是速度传感器，能直接测量线速度或角速度,还可以用来测量位移或加速度。可以分为线速度型和角速度型等。图5-1动圈式传感器的线速度型和角速度型1-永久磁铁；2-软磁铁；3-感性线圈；4-测量齿轮；5内齿轮；6-外齿轮；7-转轴（a）开磁通；（b）闭磁通图5-2变磁通式磁电传感器结构图2.磁阻式传感器（变磁通式传感器或变气隙式传感器）可分为开磁路变磁通式传感器和闭合磁路变磁通式传感器。变磁通式传感器对环境条件要求不高，能在-150～＋90℃的温度下工作，也能在油、水雾、灰尘等条件下工作。但它的工作频率下限较高，约为50Hz，上限可达100Hz。1—永久磁铁；2—软磁铁；3—感应线圈；4—测量齿轮；开磁路变磁通式：线圈、磁铁静止不动，测量齿轮安装在被测旋转体上，随被测体一起转动。每转动一个齿，齿的凹凸引起磁路磁阻变化一次，磁通也就变化一次，线圈中产生感应电势。60nzf当齿轮的齿数z=60时，nf结构简单，但输出信号较小，且因高速轴上加装齿轮比较危险而不宜测量高转速。1-永久磁铁；2-软磁铁；3-感性线圈；4-测量齿轮；5内齿轮；6-外齿轮；7-转轴（b）闭磁通图5-2变磁通式磁电传感器结构图闭磁路变磁通式：它由装在转轴上的内齿轮和外齿轮、永久磁铁和感应线圈组成，内外齿轮齿数相同。当转轴连接到被测转轴上时，外齿轮不动，内齿轮随被测轴而转动，内、外齿轮的相对转动使气隙磁阻产生周期性变化，从而引起磁路中磁通的变化，使线圈内产生周期性变化的感生电动势。感应电势的频率与被测转速成正比。知识点二磁电感应式传感器基本特性三、磁电感应式传感器测量电路图5-5磁电传感器测量电路框图磁电感应式传感器直接输出电动势，且通常具有高的灵敏度，一般不需要高增益放大器。磁电感应式传感器是速度传感器，若要获得被测位移或加速度信号，则需配用积分电路或微分电路。教学情境二光电式转速传感器光电转速传感器是根据光敏二极管工作原理制造的一种感应接收光强度变化的电子器件，当发出的光被目标反射或阻断时，则接收器感应出相应的电信号。它包含调制光源、由光敏元件等组成的光学系统、放大器、开关或模拟量输出装置。光电器件被测非电量电信号测量电路U、I光波：波长10~106nm电磁波。可见光波长：380~780nm；紫外线波长：10~380nm；红外线波长：780~106nm。一、光的特性光的特性与光源hE光具有反射、折射、散射、衍射、干涉和吸收等性质。光的粒子性：光是以光速运动着的粒子（光子）流，一束频率为的光由能量相同的光子所组成，每个光子的能量为光的频率愈高（即波长愈短），光子的能量愈大。电磁波谱图一、光的特性光的特性与光源电磁波谱图二、常用光源光的特性与光源常用光源发光器件物体辐射光白炽光源气体放电光源发光二极管激光器GaP、SiC可见光LEDGaAs红外LED二、常用光源光的特性与光源808nm大功率LD650nmLD1.55umLD模块一、光电效应基本概念光电效应金属金属氧化物半导体光照电子光电效应是光电传感器的基本转换原理。外光电效应和内光电效应。内光电效应光照半导体电子在物体内部运动外光电效应金属金属氧化物光照电子逸出物体表面外光电效应：物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。二、外光电效应02021Amh（3）逸出的光电子具有动能。（4）从光照至发射电子，时间10-9s。爱因斯坦光电效应方程：（1）光电子能否产生，取决于光子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功。（2）入射光频谱成分一定时，产生的光电流和光强成正比。光电效应光敏电阻：内光电效应器件。三、光敏电阻基本结构：在玻璃底版上涂一层对光敏感的半导体物质，两端有梳状金属电极，在半导体上覆盖一层漆膜。光电器件梳状电极光电导梳状电极光电导透光窗口外壳绝缘基体玻璃支柱引脚AA1、基本结构与工作原理工作原理：光电导效应。当光敏电阻受到光照时，光生电子—空穴对增加，阻值减小，电流增大。光敏电阻的使用寿命在密封良好、使用合理的情况下几乎是无限长的。光电器件三、光敏电阻2、主要参数和基本特性（1）光敏二极管结构与一般二极管相似。在透明玻璃外壳中，PN结装在管的顶部，可直接受到光照射。光敏二极管在电路中一般处于反向工作状态，在没有光照射时反向电流很小，称为暗电流；光照射在PN结上，PN结附近产生光生电子—空穴对，在PN结处内电场作用下定向运动，形成光电流。光的照度越大，光电流越大。光敏晶体管工作原理：基于光生伏特效应。光电器件四、光敏二极管和光敏三极管1、结构与原理入射光玻璃透镜管壳引脚管芯PNLR因此，光敏二极管在不受光照射时处于截止状态，受光照射时处于导通状态。光电器件光电开关：利用感光元件对变化的入射光加以接收，并进行光电转换，同时加以某种形式的放大和控制，从而获得最终的控制输出“开”、“关”信号的器件。光电器件七、光电开关透射式光电开关：发光元件和接收元件的光轴是重合的。当不透明的物体经过时，会阻断光路，使接收元件接收不到来自发光元件的光，起到了检测作用。反射式光电开关：发光元件和接收元件的光轴在同一平面且以某一角度相交，交点一般即为待测物所在处。当有物体经过时，接收元件将接收到从物体表面反射的光，没有物体时则接收不到。光电开关的特点：小型、高速、非接触，与TTL、MOS等电路容易结合。一、直射式光电转速传感器Nfn式中：N为圆盘开孔数；n为转速；f为脉冲频率图5-6直射式光电转速传感器结构示意图光电式传感器由独立且相对放置的光发射器和收光器组成。当目标通过光发射器和收光器之间并阻断光线时，传感器输出信号。它是效率最高、最可靠的检测装置。二、反射式光电转速传感器图5-7反射式光电转速传感器结构示意图当被测物体旋转时，粘贴在物体上的发射纸和物体一起旋转，红外接收管则随感受到反射光的强弱而产生相应变化的信号，该信号经电路处理后便可以由显示电路显示出被测对象转速的大小。红外发射管红外接收管光学系统（透镜、半透镜）红外发射纸光电式传感器应用光纤式光电开关缺料检测或计数机械手控制螺丝长度和有无的检测断线监测光电式传感器应用光电开关应用鉴别不同高度物体高度判别缺件剔除料位控制光电式传感器应用光电开关应用自动扶梯自动启停汽车通过检测汽车喷涂控制门窗防盗控制光电式传感器应用光幕传感器应用自动装配机的侵入检测机器人工作区安全检测涡流效应三、电涡流式转速传感器电磁炉内部的励磁线圈电磁炉的工作原理线圈置于金属导体附近线圈中通以高频信号i1正弦交变磁场金属导体内就会产生涡流涡流产生电磁场反作用于线圈,改变了电感若线圈L外形尺寸、电流频率不变，则电感变化程度取决于线圈L至金属板之间的距离，金属板材料的电阻率和磁导率。基本工作原理电涡流传感器实物图在软磁性材料的输入轴上加工一个键槽，在距输入轴表面d0处设置电涡流式传感器，输入轴与被测旋转轴相连。当被测旋转轴转动时，输入轴跟随转动，从而使传感器与输入轴的距离发生电的变化。由于电涡流式，这种变化将导致振荡回路的品质因数变化，使传感器线圈电感随的变化而变化，它们将直接影响振荡器的电压幅值和振荡频率。随着输入轴的旋转，从振荡器输出的信号中包含与转速成正比的脉冲频率信号fn,。这种传感器可实现非接触式测量，最高测量转速可达。图5-8电涡流式转速传感器的工作原理图三、电涡流式转速传感器转速测量•若转轴上开z个槽（或齿），频率计的读数为f（单位为Hz），则转轴的转速n（单位为r/min）的计算公式为：n=60*f/n教学情境三霍尔转速传感器霍尔传感器具有无触点、长寿命、高可靠性、无火花、无自激振荡、温度性能好、抗污染能力强、构造简单、坚固、体积小、耐冲击等优点,所以选用霍尔效应接近式传感器作为柴油机转速传感器。min)/(60*riTjN式中，i—转速信号盘每转输出信号数；j—信号盘转1圈发动机转的圈数（信号盘安装在曲轴上时j=1，装在凸轮轴上则j=2）；T—单片机输入捕捉所计算出的相邻两个上升沿之间的时间差值。霍尔效应一块长为l、宽为b、厚为d的半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场(磁场方向垂直于薄片)中。当有电流I流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势U。霍尔效应演示cdab霍尔效应一块长为l、宽为b、厚为d的半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场(磁场方向垂直于薄片)中。当有电流I流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势U。HIBURd1IBned1UBInedkBIHRn霍尔系数的自由电子密度太大，霍尔系数小，霍尔电势也金属不宜制小，作霍尔元件。k霍尔元件灵敏度（灵敏系数）灵敏系数与霍尔厚度元件d成反比应制，所以成薄片。k：灵敏度系数；I：控制电流；B：磁感应强度；霍尔式传感器可以检测什么量？检测电流、磁场，检测能够随引起磁场变化的其他物理量（位移、压力、振动、转速）1=UBIkBIned霍尔式传感器的应用霍尔式位移传感器MSNNSa霍尔式加速度传感器霍尔式压力传感器(a)径向磁极(b)轴向磁极(c)遮断式由此，可对转动物体实施转数、转速、角度、角速度等物理量的检测。在转轴上固定一个叶轮和磁体，用流体（气体、液体）去推动叶轮转动，便可构成流速、流量传感器。在车轮转轴上装上磁体，在靠近磁体的位置上装上霍尔开关电路，可制成车速表，里程表等等.霍尔式转速传感器软铁分流翼片开关型霍尔ICn=60f4(r/min)转速测量演示教学情境三霍尔转速传感器霍尔传感器具有无触点、长寿命、高可靠性、无火花、无自激振荡、温度性能好、抗