速度传感器及工程应用.

第8章速度传感器及工程应用第8章速度传感器及工程应用8.1磁电式速度传感器8.2霍尔式转速传感器8.3涡流式转速传感器8.4超声波流速传感器8.5光电式转速传感器8.6转速传感器工程应用案例返回主目录第8章速度传感器及工程应用8.1磁电式速度传感器它主要有恒磁通、变磁通和测速发电机三种。8.1.1恒磁通式磁电速度传感器1.恒磁通式恒磁通式磁电速度传感器的典型结构如图8-1所示，它主要由永久磁铁、线圈、弹簧、金属骨架和壳体等组成。其运动部分可以是磁铁，也可以是线圈。因此它又分为动圈式（见图8-1(a)）和动铁式（见图8-1(b)）两种结构类型，但它们的工作原理是完全相同的。在动圈式中，永久磁铁4与传感器壳体5固定，线圈组件（包括线圈3和金属骨架1）由柔软弹簧2支撑。第8章速度传感器及工程应用1——金属骨架2——弹簧3——线圈4——永久磁铁5——壳体NSNS1234512345(b)动铁式(a)动圈式uu图8-1恒磁通式磁电速度传感器的基本结构在动铁式中，线圈组件与壳体5固定，永久磁铁4用柔软弹簧2支撑。两者的阻尼都是由金属骨架1和磁场发生相对运动而产生的电磁阻尼。第8章速度传感器及工程应用式中，W为线圈处于工作气隙磁场中的匝数，称为工作匝数；Φ为穿过线圈的磁通量；B为工作气隙内的磁感应强度；l为每匝线圈的平均长度。由式(8-1)可知，当传感器的结构参数确定后，则W、B、l均为定值，这时感应电动势e与振动速度υ成正比。2.测速原理使用时，将它与被测物体固定在一起。当被测物体振动时，它的外壳随之一起振动。这时永久磁铁4与线圈3之间的相对运动速度接就等于振动速度υ。根据法拉第电磁感应定律，则线圈在磁场中做切割磁力线运动产生的感生电动势e为uWBldtdWe(8-1)第8章速度传感器及工程应用8.1.2变磁通式磁电转速传感器1.基本结构变磁通式磁电转速传感器的结构如图8-2所示。它由永久磁铁、线圈、软铁、测量齿轮和壳体等组成。其中，图8-2(a)为开磁路转速传感器结构示意图，图8-2(b)为闭磁路转速传感器结构示意图。图8-2变磁通式磁电转速传感器的结构(b)闭磁路(a)开磁路1——被测转轴2——测量齿轮3——线圈4——软铁5——永久磁铁NS23451NS34512第8章速度传感器及工程应用1.测速原理测转速时，把它固定在支架上，测量齿轮安装在被测转轴上，随转轴一起转动。显然，齿轮每转过一个齿，它的磁阻就变化一次，磁通也就变化一次。根据法拉第电磁感应定律可知，线圈中产生的感应电动势e大小也变化一次。其变化频率就等于测量齿轮的齿数与转速的乘积。即60Znf(8-2)式中：Z为齿轮的齿数；n为被测轴的转速(r/min)；f为感生电动势的频率(Hz)。由式(8-2)可知，该传感器的感应电动势变化频率与转速n成正比。第8章速度传感器及工程应用8.1.3测速发电机根据输出电压的类型，它又分为直流和交流两大类。1.直流测速发电机按定子的励磁方式可分为电磁式和永磁式两种。1）测速原理永磁式直流测速发电机的测速原理如图8-3所示。图中N、S是永久磁铁，abcd是转子上的其中一个线圈，线圈的两端分别接在换向器的两个半圆形铜环上，而铜环又分别与电刷J、K滑动接触。+-NSKJadbc图8-3直流测速发电机的测速原理第8章速度传感器及工程应用可以证明，在恒定的磁场Ф中，测速发电机转轴带动电枢以转速n旋转时，电枢绕组切割磁力线，从而在电刷间产生感应电动势E为式中Ce称为电动势常数，它是由测速发电机结构决定。2）输出特性当空载时，直流测速发电机的输出电压Uo就是电枢感应电动势E，即nCEe(8-3)nCEUeo(8-4)第8章速度传感器及工程应用aLaRRUEIREU00KnRRnCULae/10式中，K称作直流测速发电机的灵敏系数LaeRRCK/10若电枢电阻为Ra，负载电阻为RL，不计电刷与换向器间的接触电阻，则直流测速发电机的输出电压U为(8-5)整理后得KnUo令(8-6)(8-7)(8-8)则第8章速度传感器及工程应用当测速发电机结构确定后，则Ce、Ф、Ra都为常数。若RL不变，则输出电压Uo与转速呈线性关系，但对于不同的负载电阻RL，测速发电机的灵敏系数K是不同的；负载电阻RL越小，灵敏系数K也越小，即输出电压就越小。直流测速发电机的输出特性如图8-4所示。0UonRL=∞RL1RL2RL1RL2图8-4直流测速发电机的输出特性另外，直流测速发电机的输出电压存在着波纹，其交流分量对速度反馈控制系统和高精确度的解算装置有一定影响，使用时需要注意。第8章速度传感器及工程应用2.交流测速发电机交流测速发电机有同步测速发电机和异步测速发电机两种。下面介绍常见的交流异步测速发电机。1)异步测速发电机的结构杯形转子外定子内定子轴定子绕组图8-5空心杯形异步测速发电机结构它由定子和转子两部分组成。其中在定子上嵌放着两个绕组，一个为励磁绕组，另一个为输出绕组，它们在空间上互差90°电角度。按其转子结构又有鼠笼形和空心杯形两种，空心杯形的结构如图8-5所示。第8章速度传感器及工程应用2)异步测速发电机的测速原理它的测速原理如图8-6所示。由于励磁绕组D置于d轴上，输出绕组Q置于与d轴垂直的q轴上；当励磁绕组外接频率为f的交流电源时，就在d轴方向上产生以频率为f的脉动磁通。d(a)转子静止时n(b)转子转动时q0U1IrIrEdq1U0U1U1I2I2EqddDQDQ图8-6异步测速发电机的测速原理d第8章速度传感器及工程应用当转子不动时，输出绕组Q上电压为零。当转子转动时，因转子切割d轴方向的磁通，故在杯型转子中感应出旋转电动势，其大小正比于转子转速n和励磁磁通，其频率与相同。其有效值Er为nkEdErr(8-9)式中：kEr为比例系数。又因空心杯转子相当于短路绕组，故旋转电动势在杯型转子中将产生交流短路电流，其大小正比于，其频率与相同。则短路电流有效值Ir可表示为式中，kIr为旋转电势对其电流的转换系数。rErErIddrErEnkkEkIdErIrrIrr(8-10)第8章速度传感器及工程应用式(8-12)表明，在励磁磁通恒定时，输出绕组的感应电动势有效值E正比于转速n，其频率为励磁电源的频率f，而输出绕组的感应电势有效值E实际就是异步测速发电机的空载输出电压有效值Uo，即Uo=E=Kn。若忽略杯型转子的漏抗影响，那么电流所产生的脉动磁通的大小正比于，设比例系数为kq，则其有效值为因为在空间位置上与输出绕组Q的轴线q一致，因此转子因转动产生的脉动磁通与输出绕组Q相交链，从而在输出绕组Q上产生正比于的感应电势，其有效值E为rIqrInkkkIkdErIrqrqqqnKnkkkkkEddErIrqwqw(8-11)(8-12)d第8章速度传感器及工程应用注：式(8-12)是在输出绕组空载时推出的，当输出绕组接上负载后，其输出特性的线性度要变差。为了提高它的线性度，异步测速发电机的负载阻抗一般不低于100KΩ。励磁电源频率大多采用400Hz。第8章速度传感器及工程应用8.1.4常见磁电式速度传感器及应用1.磁电式振动速度传感器现以CD-1型振动速度传感器为例介绍它的结构和工作原理。它属于动圈式恒磁通型，其结构如图8-7所示。图8-7CD-1型振动速度传感器第8章速度传感器及工程应用使用时将传感器固定在被测振动物体上，永久磁铁、铝架和壳体一起随被测物体振动，由于质量块有一定质量，产生惯性力，而弹簧片又非常柔软，因此当振动频率远大于传感器固有频率时，线圈在磁路系统的环形气隙中相对永久磁铁运动，以振动物体的振动速度切割磁力线，产生感应电动势。显然，这个感应电动势与物体的振动速度成正比。通过引线9接到测量电路，就可以测量计算出物体的振动速度。第8章速度传感器及工程应用2.磁电式转速传感器图8-8是一种磁电感应式转速传感器的结构原理图。测量转速时，传感器的转轴1与被测物转轴相连接，当被测物体转动时，就会在线圈中感应出近似正弦波的电压信号，其频率与转速成正比。通过测量电路把频率测量出来，就可计算出转速。图8-8磁电式转速传感器第8章速度传感器及工程应用3.交流测速发电机的应用交流测速发电机的作用是将机械转速转换为电压信号，常用作转动物体的测速元件、校正元件。若与伺服电机配合，可应用于转速控制或位置控制系统中。在恒速控制系统中，测速发电机将转速转换为电压信号作为速度反馈信号，可达到较高的稳定性和准确度。在计算解答装置中，常作为微分、积分元件使用。第8章速度传感器及工程应用4.磁电式速度传感器的其他应用由磁电感应原理可知，磁电式速度传感器只适用于动态测量，它能直接测量的是振动物体的速度或旋转体的角速度。但如果在测量电路中接入积分电路或微分电路。那么，它也可用来测量(角)位移或(角)加速度，见图8-9所示。图8-9磁电式传感器测量位移和加速度电路方框图第8章速度传感器及工程应用8.2霍尔式转速传感器8.2.1常见结构霍尔式转速传感器的结构形式很多，图8-10是几种常见的结构形式。当在圆盘上嵌装多块小磁铁时，相邻两块磁铁的极性要相反，如图8-10(d)所示。图8-10霍尔式转速传感器的常见结构形式第8章速度传感器及工程应用8.2.2测速原理当输入轴转动时，转盘及安装在上面的小磁铁随之一块转动。由于转盘上的小磁铁经过固定在转盘附近的霍尔集成传感器时，使霍尔传感器输出一个矩形电脉冲，经测量电路检测出该脉冲的频率f，根据转盘上放置小磁铁的数量多少，便可计算出被测转速。若在转盘上安装了Z块小磁铁，则转速n为这种测量方法对被测轴影响小，输出信号的幅值又与转速无关，因此测量精度高，测速范围大致在1~104r/s内。广泛应用于汽车速度和行车里程的测量显示系统中。Zfn60(8-13)第8章速度传感器及工程应用8.2.3霍尔转速传感器的应用由于霍尔转速传感器具有非接触、体积小、重量轻、耐振动、寿命长、工作温度范围宽、检测不受灰尘、油污、水汽等因素的影响和测量精度高等优点。因此，它在测速方面被广泛采用。霍尔传感器单片机微型打印机变速箱输出转轴显示电路n霍尔转速传感器小磁钢按键电路用霍尔转速传感器设计的出租车计价器结构如图8-11所示。图8-11出租车计价器结构框图第8章速度传感器及工程应用使用时把霍尔转速传感器安装在变速箱输出轴上。按下开始按钮，当汽车行走时，霍尔转速传感器把变速箱输出轴的转数信号送单片机，通过计算机编程，可使单片机根据变速箱输出轴与车轮转轴的传动比和车轮胎的周长，自动计算出汽车的行车里程和乘车费用，并送给显示器进行显示。到达目的地后按下结束按钮，即可将乘车里程数和缴费数打印出来。实现乘车里程和缴费的自动结算。第8章速度传感器及工程应用8.3涡流式转速传感器8.3.1基本结构利用电涡流效应也可以构成涡流式转速传感器，它的结构如图8-12中虚线框所示。图8-12涡流式转速传感器测量系统方框图nfn60第8章速度传感器及工程应用8.3.2测速原理由图8-12可知，当转盘的键槽与涡流传感器不相对时，转盘与涡流传感器的距离为d0，当转盘上的键槽转到与涡流传感器相对时，转盘与涡流传感器的距离变为d0+⊿d。由于电涡流效应，使涡流传感器的线圈阻抗随转盘的转动而变化。显然，涡流传感器线圈阻抗的变化频率与被测转速成正比。假设这个转盘上有Z个键槽，转盘的转速为n，线圈阻抗变化的频率为f，则Zfn60由此可知，如果能把线圈阻抗变化的频率测量出来就可以知道转盘的转速n(r/min)。(8-13)第8章速度传感器及工程应用8.3.3涡流式转速传感器的应用图8-12是涡流式速度传感器测量转速时的结构框图。显然，转盘每转过一个键槽，就输出一个脉冲信号。通过高频放大器和检波电路把这个脉冲信号检波出来，再通过整形电路把它变成标准矩形脉冲信号，送入计数电路进行脉冲计数。假设这个转盘上有Z个键槽，在T秒内计数电路获得M个脉冲，则被测转速ZTMn60为了计