轉速感測器種類 原理及發展趨勢

2022-08-22 09:36:02 字數 3547 閱讀 8093

將旋轉物體的轉速轉換為電量輸出的感測器。轉速感測器屬於間接式測量裝置,可用機械、電氣、磁、光和混合式等方法製造。按訊號形式的不同,轉速感測器可分為模擬式和數字式兩種。

前者的輸出訊號值是轉速的線性函式,後者的輸出訊號頻率與轉速成正比,或其訊號峰值間隔與轉速成反比。轉速感測器的種類繁多、應用極廣,其原因是在自動控制系統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。常用的轉速感測器有光電式、電容式、變磁阻式以及測速發電機。

下面**這幾種感測器。

一. 光電式轉速感測器

光電式轉速感測器對轉速的測量,主要是通過將光線的發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。光電式轉速感測器從工作方式角度劃分,分為透射式光電轉速感測器和反射式光電轉速感測器兩種。

1、投射式光電轉速感測器

投射式光電轉速感測器設有讀數盤和測量盤,兩者之間存在間隔相同的縫隙。投射式光電轉速感測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,並透過縫隙投射到光敏元件上。

投射式光電轉速感測器的光敏元件在接收光線並感知其明暗變化後,即輸出電流脈衝訊號。投射式光電轉速感測器的脈衝訊號,通過在一段時間內的計數和計算,就可以獲得被測量物件的轉速狀態。

2、反射式光電轉速感測器

反射式光電轉速感測器是通過在被測量轉軸上設定反射記號,而後獲得光線反射訊號來完成物體轉速測量的。反射式光電轉速感測器的光源會對被測轉軸發出光線,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生變化。

反射式光電轉速感測器內裝有光敏元件,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,反射式光電轉速感測器即可發出乙個脈衝訊號,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,即不會發出脈衝訊號。

二、變磁阻式轉速感測器

它屬於變磁阻式感測器。變磁阻式感測器的三種基本型別,電感式感測器、變壓器式感測器和電渦流式感測器都可製成轉速感測器。電感式轉速感測器應用較廣,它利用磁通變化而產生感應電勢,其電勢大小取決於磁通變化的速率。

這類感測器按結構不同又分為開磁路式和閉磁路式兩種。開磁路式轉速感測器(圖4a)結構比較簡單,輸出訊號較小,不宜在振動劇烈的場合使用。閉磁路式轉速感測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。當轉軸連線到被測軸上一起轉動時,由於內、外齒輪的相對運動,產生磁阻變化,**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.電容式轉速感測器

它屬於電容式感測器,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,圖中電容式轉速感測器由兩塊固定金屬板和與轉動軸相連的可動金屬板構成。可動金屬板處於電容量最大的位置,當轉動軸旋轉180°時則處於電容量最小的位置。電容量的週期變化速率即為轉速。

可通過直流激勵、交流激勵和用可變電容構成振盪器的振盪槽路等方式得到轉速的測量訊號。

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生週期性變化而引起電容量的週期性變化,其速率等於轉動軸的轉速。

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、霍爾轉速感測器

霍爾轉速感測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感測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物件的轉速值。霍爾轉速感測器的主要組成部分是感測頭和齒圈,而感測頭又是由霍爾元件、永磁體和電子電路組成的。

1、霍爾轉速感測器的工作原理

霍爾轉速感測器在測量機械裝置的轉速時,被測量機械的金屬齒輪、齒條等運動部件會經過感測器的前端,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域時,磁場相對較弱,而穿過產生磁力線較為幾種的區域時,磁場就相對較強。

霍爾轉速感測器就是通過磁力線密度的變化,在磁力線穿過感測器上的感應元件時,產生霍爾電勢。霍爾轉速感測器的霍爾元件在產生霍爾電勢後,會將其轉換為交變電訊號,最後感測器的內建電路會將訊號調整和放大,輸出矩形脈衝訊號。

2、霍爾轉速感測器的測量方法

霍爾轉速感測器的測量必須配合磁場的變化,因此在霍爾轉速感測器測量非鐵磁材質的裝置時,需要事先在旋轉物體上安裝專門的磁鐵物質,用以改變感測器周圍的磁場,這樣霍爾轉速感測器才能準確的捕捉到物質的運動狀態。

霍爾轉速感測器主要應用於齒輪、齒條、凸輪和特質凹凸麵等裝置的運動轉速測量。高轉速磁敏電阻轉速感測器除了可以測量轉速以外,還可以測量物體的位移、週期、頻率、扭矩、機械傳動狀態和測量執行狀態等。

霍爾轉速感測器目前在工業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,都採用霍爾轉速感測器來測量和監控機械裝置的轉速狀態,並以此來實施自動化管理與控制。

五、測速發電機

測速發電機是自動控制系統中的訊號元件,它可以把轉速訊號轉換成電氣訊號。測速發電機有直流測速發電機和非同步測速發電機。

直流測速發電機是一種微型直流發電機,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定的最高轉速,負載電阻不小於給定值。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定,降低了測速發電機的精度。

非同步測速發電機的結構與空心杯轉子交流伺服電動機完全相同。當非同步測速發電機的勵磁繞組產生的磁通d φ& 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,等於電源的頻率。

理想的輸出特性也是一條直線,但實際上並非如此。引起誤差的主要原因是: d φ& 的大小和相位都隨著轉速而變化,負載阻抗的大小和性質,勵磁電源的效能,溫度以及剩餘電壓,其中剩餘電壓是誤差的主要部分。

表徵非同步測速發電機效能的主要技術指標有線性誤差、相位誤差和剩餘電壓。引起剩餘電壓的原因很多,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、鐵晶元間短路、轉子杯材料和厚度不均勻以及寄生電容的存在等等。在控制系統中,剩餘電壓的同相分量引起系統誤差,正交和高次諧波分量將使放大器飽和。

消除剩餘電壓的方法很多,除了改進電機的製造材料和工藝外,還可採用外接補償裝置。

在實際中為了提高非同步測速發電機的效能通常採用四極電機。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(採用400hz 的中頻勵磁電源)。使用時電機的工作轉速不應超過規定的轉速範圍。

為了滿足控制系統的要求,對測速發電機的效能要求也越來越高。為此人們在普通測速發電機的基礎上,研製出了永磁高靈敏度直流測速發電機和無刷直流測速發電機。

測速發電機在自動控制系統中是乙個非常重要的元件,它可作為校正元件、阻尼元件、測量元件、解算元件和角加速度訊號元件等。

五、各公司轉速感測器外觀

華夏變速箱感測器外觀

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華夏雙路輸出感測器外觀

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