轉(zhuǎn)速傳感器

01光電轉(zhuǎn)速傳感器

　　光電式轉(zhuǎn)速傳感器對(duì)轉(zhuǎn)速的測(cè)量，主要是通過(guò)將光線的發(fā)射與被測(cè)物體的轉(zhuǎn)動(dòng)相關(guān)聯(lián)，再以光敏元件對(duì)光線的進(jìn)行感應(yīng)來(lái)完成的。光電式轉(zhuǎn)速傳感器從工作方式角度劃分，分為透射式光電轉(zhuǎn)速傳感器和反射式光電轉(zhuǎn)速傳感器兩種。

圖示：投射式光電轉(zhuǎn)速傳感器原理示意圖

　　投射式光電轉(zhuǎn)速傳感器設(shè)有讀數(shù)盤和測(cè)量盤，兩者之間存在間隔相同的縫隙。投射式光電轉(zhuǎn)速傳感器在測(cè)量物體轉(zhuǎn)速時(shí)，測(cè)量盤會(huì)隨著被測(cè)物體轉(zhuǎn)動(dòng)，光線則隨測(cè)量盤轉(zhuǎn)動(dòng)不斷經(jīng)過(guò)各條縫隙，并透過(guò)縫隙投射到光敏元件上。投射式光電轉(zhuǎn)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(hào)。投射式光電轉(zhuǎn)速傳感器的脈沖信號(hào)，通過(guò)在一段時(shí)間內(nèi)的計(jì)數(shù)和計(jì)算，就可以獲得被測(cè)量對(duì)象的轉(zhuǎn)速狀態(tài)。

圖示：反射式光電轉(zhuǎn)速傳感器原理示意圖

　　反射式光電轉(zhuǎn)速傳感器是通過(guò)在被測(cè)量轉(zhuǎn)軸上設(shè)定反射記號(hào)，而后獲得光線反射信號(hào)來(lái)完成物體轉(zhuǎn)速測(cè)量的。反射式光電轉(zhuǎn)速傳感器的光源會(huì)對(duì)被測(cè)轉(zhuǎn)軸發(fā)出光線，光線透過(guò)透鏡和半透膜入射到被測(cè)轉(zhuǎn)軸上，而當(dāng)被測(cè)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，反射記號(hào)對(duì)光線的反射率就會(huì)發(fā)生變化。

　　反射式光電轉(zhuǎn)速傳感器內(nèi)裝有光敏元件，當(dāng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)反射率增大時(shí)，反射光線會(huì)通過(guò)透鏡投射到光敏元件上，反射式光電轉(zhuǎn)速傳感器即可發(fā)出一個(gè)脈沖信號(hào)，而當(dāng)反射光線隨轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)到另一位置時(shí)，反射率變小光線變?nèi)?，光敏元件無(wú)法感應(yīng)，即不會(huì)發(fā)出脈沖信號(hào)。

02變磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器

圖示：變磁阻式傳感器原理示意圖

　　變磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器屬于變磁阻式傳感器，它是利用線圈自感量的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量的，它由線圈、鐵芯和銜鐵三部分組成。鐵芯和銜鐵由導(dǎo)磁材料如硅鋼片或坡莫合金制成，在鐵芯和銜鐵之間有氣隙，傳感器的運(yùn)動(dòng)部分與銜鐵相連。當(dāng)被測(cè)量變化時(shí)，使銜鐵產(chǎn)生位移，引起磁路中磁阻變化，從而導(dǎo)致電感線圈的電感量變化，因此只要能測(cè)出這種電感量的變化，就能確定銜鐵位移量的大小和方向。

　　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(zhuǎn)速傳感器。電感式轉(zhuǎn)速傳感器應(yīng)用較廣，它利用磁通變化而產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，其電勢(shì)大小取決于磁通變化的速率。這類傳感器按結(jié)構(gòu)不同又分為開磁路式和閉磁路式兩種。開磁路式轉(zhuǎn)速傳感器結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，輸出信號(hào)較小，不宜在振動(dòng)劇烈的場(chǎng)合使用。閉磁路式轉(zhuǎn)速傳感器由裝在轉(zhuǎn)軸上的外齒輪、內(nèi)齒輪、線圈和永久磁鐵構(gòu)成，內(nèi)、外齒輪有相同的齒數(shù)。當(dāng)轉(zhuǎn)軸連接到被測(cè)軸上一起轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于內(nèi)、外齒輪的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生磁阻變化，在線圈中產(chǎn)生交流感應(yīng)電勢(shì)。測(cè)出電勢(shì)的大小便可測(cè)出相應(yīng)轉(zhuǎn)速值。

03電容式轉(zhuǎn)速傳感器

　　電容式轉(zhuǎn)速傳感器屬于電容式傳感器，有面積變化型和介質(zhì)變化型兩種。

圖示：變面積型電容式轉(zhuǎn)速傳感器原理示意圖

　　如上圖所示是面積變化型的原理，圖中齒輪外沿面作為電容器的動(dòng)極板,當(dāng)電容器定極板與齒頂相對(duì)時(shí),電容量最大,而與齒隙相對(duì)時(shí),電容量最小。因此,電容量的變化頻率應(yīng)與齒輪的轉(zhuǎn)頻成正比。

圖示：介質(zhì)變化型電容式轉(zhuǎn)速傳感器原理示意圖

　　如上圖所示，介質(zhì)變化型是在電容器的兩個(gè)固定電極板之間嵌入一塊高介電常數(shù)的可動(dòng)板而構(gòu)成的?？蓜?dòng)介質(zhì)板與轉(zhuǎn)動(dòng)軸相連，隨著轉(zhuǎn)動(dòng)軸的旋轉(zhuǎn)，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(zhuǎn)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速。

　　圖中電容式轉(zhuǎn)速傳感器由兩塊固定金屬板和與轉(zhuǎn)動(dòng)軸相連的可動(dòng)金屬板構(gòu)成。如圖中所示可動(dòng)金屬板處于電容量最大的位置，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)180°時(shí)則處于電容量最小的位置，電容量的周期變化速率即為轉(zhuǎn)速?？赏ㄟ^(guò)直流激勵(lì)、交流激勵(lì)和用可變電容構(gòu)成振蕩器的振蕩槽路等方式得到轉(zhuǎn)速的測(cè)量信號(hào)。

04霍爾轉(zhuǎn)速傳感器

　　霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的主要工作原理是霍爾效應(yīng)，也就是當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)的金屬部件通過(guò)霍爾傳感器的磁場(chǎng)時(shí)會(huì)引起電勢(shì)的變化，通過(guò)對(duì)電勢(shì)的測(cè)量就可以得到被測(cè)量對(duì)象的轉(zhuǎn)速值?；魻栟D(zhuǎn)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。

圖示：霍爾轉(zhuǎn)速傳感器原理示意圖

　　霍爾轉(zhuǎn)速傳感器在測(cè)量機(jī)械設(shè)備的轉(zhuǎn)速時(shí)，被測(cè)量機(jī)械的金屬齒輪、齒條等運(yùn)動(dòng)部件會(huì)經(jīng)過(guò)傳感器的前端，引起磁場(chǎng)的相應(yīng)變化，當(dāng)運(yùn)動(dòng)部件穿過(guò)霍爾元件產(chǎn)生磁力線較為分散的區(qū)域時(shí)，磁場(chǎng)相對(duì)較弱，而穿過(guò)產(chǎn)生磁力線較為集中的區(qū)域時(shí)，磁場(chǎng)就相對(duì)較強(qiáng)。霍爾轉(zhuǎn)速傳感器就是通過(guò)磁力線密度的變化，在磁力線穿過(guò)傳感器上的感應(yīng)元件時(shí)，產(chǎn)生霍爾電勢(shì)?；魻栟D(zhuǎn)速傳感器的霍爾元件在產(chǎn)生霍爾電勢(shì)后，會(huì)將其轉(zhuǎn)換為交變電信號(hào)，最后傳感器的內(nèi)置電路會(huì)將信號(hào)調(diào)整和放大，輸出矩形脈沖信號(hào)。

　　霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的測(cè)量必須配合磁場(chǎng)的變化，因此在霍爾轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量非鐵磁材質(zhì)的設(shè)備時(shí)，需要事先在旋轉(zhuǎn)物體上安裝專門的磁鐵物質(zhì)，用以改變傳感器周圍的磁場(chǎng)，這樣霍爾轉(zhuǎn)速傳感器才能準(zhǔn)確的捕捉到物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)?；魻栟D(zhuǎn)速傳感器主要應(yīng)用于齒輪、齒條、凸輪和特質(zhì)凹凸面等設(shè)備的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)速測(cè)量。高轉(zhuǎn)速磁敏電阻轉(zhuǎn)速傳感器除了可以測(cè)量轉(zhuǎn)速以外，還可以測(cè)量物體的位移、周期、頻率、扭矩、機(jī)械傳動(dòng)狀態(tài)和測(cè)量運(yùn)行狀態(tài)等。霍爾轉(zhuǎn)速傳感器目前在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用很是廣泛，例如電力、汽車、航空、紡織和石化等領(lǐng)域，都采用霍爾轉(zhuǎn)速傳感器來(lái)測(cè)量和監(jiān)控機(jī)械設(shè)備的轉(zhuǎn)速狀態(tài)，并以此來(lái)實(shí)施自動(dòng)化管理與控制。

05測(cè)速發(fā)電機(jī)

　　測(cè)速發(fā)電機(jī)是一種檢測(cè)機(jī)械轉(zhuǎn)速的電磁裝置，它能把機(jī)械轉(zhuǎn)速變換成電壓信號(hào)，其輸出電壓與輸入的轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系，在自動(dòng)控制系統(tǒng)和計(jì)算裝置中通常作為測(cè)速元件、校正元件、解算元件和角加速度信號(hào)元件等。常見(jiàn)的測(cè)速發(fā)電機(jī)有直流測(cè)速發(fā)電機(jī)、空心杯轉(zhuǎn)子異步測(cè)速發(fā)電機(jī)、籠式轉(zhuǎn)子異步測(cè)速發(fā)電機(jī)和同步測(cè)速發(fā)電機(jī)幾種，尤其是空心杯轉(zhuǎn)子異步測(cè)速發(fā)電機(jī)是目前最為廣泛應(yīng)用的測(cè)速發(fā)電機(jī)，下面對(duì)空心杯轉(zhuǎn)子異步測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)速原理介紹。

圖示：空心杯異步測(cè)速發(fā)電機(jī)原理示意圖

　　空心杯轉(zhuǎn)子可以看成一個(gè)鼠籠導(dǎo)條數(shù)目很多的鼠籠轉(zhuǎn)子。當(dāng)電機(jī)的勵(lì)磁繞組加上頻率為?的交流電壓Uf，則在勵(lì)磁繞組中就會(huì)有電流If通過(guò)，并在內(nèi)外定子間的氣隙中產(chǎn)生脈振磁場(chǎng)。脈振的頻率與電源頻率?相同，脈振磁場(chǎng)的軸線與勵(lì)磁繞組Wf的軸線一致。

　　當(dāng)轉(zhuǎn)子靜止（n=0）時(shí)，轉(zhuǎn)子杯導(dǎo)條與脈振磁通Φd相匝鏈，并產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。這時(shí)勵(lì)磁繞組與轉(zhuǎn)子杯之間的電磁耦合情況和變壓器一次側(cè)和二次側(cè)的情況完全一樣。因此，脈振磁場(chǎng)在勵(lì)磁繞組和轉(zhuǎn)子杯中分別產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)稱為變壓器電動(dòng)勢(shì)。

　　若忽略勵(lì)磁繞組Wf的電阻R1及漏抗X1，則根據(jù)變壓器的電壓平衡方程式，電源電壓Uf與勵(lì)磁繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Ef相平衡，電源電壓的大小近似地等于感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小，即

　　又因?yàn)镋f∝Φd，故：

　　所以電源電壓Uf一定時(shí)，磁通Φd也基本保持不變。由于輸出繞組的軸線與勵(lì)磁繞組的軸線相差90°電角度。因此，磁通Φd與輸出繞組無(wú)匝鏈，不會(huì)在輸出繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，輸出電壓U2為零。

　　當(dāng)轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速n轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子杯中除了上述變壓器電動(dòng)勢(shì)外，轉(zhuǎn)子杯導(dǎo)條切割磁通Φd而產(chǎn)生切割電動(dòng)勢(shì)Er（或稱旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)）。電于磁通Φd為脈振磁通，所以電動(dòng)勢(shì)Er亦為交變電動(dòng)勢(shì)。其交變的頻率為磁通Φd的脈振頻率?。它的大小為

　　式中：C2為電動(dòng)勢(shì)比例常數(shù)。

　　若磁通Φ&d的幅值為恒定時(shí)，則電動(dòng)勢(shì)Er與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n成正比關(guān)系。 由于轉(zhuǎn)子杯為短路繞組，電動(dòng)勢(shì)Er在轉(zhuǎn)子杯中產(chǎn)生短路電流Ir，電流Ir也是頻率為?的交變電流，其大小正比于電動(dòng)勢(shì)Er。若忽略轉(zhuǎn)子杯中漏抗的影響，電流Ir在時(shí)間相位上與轉(zhuǎn)子杯電動(dòng)勢(shì)Er同相位，即在任一瞬時(shí)，轉(zhuǎn)子杯中的電流方向與電動(dòng)勢(shì)方向一致。

　　當(dāng)然，轉(zhuǎn)子杯中的電流rIr也要產(chǎn)生脈振磁通Φq，其脈振頻率仍為?，而大小則正比于電流Ir，即

　　無(wú)論轉(zhuǎn)速如何，由于轉(zhuǎn)子杯上半周導(dǎo)體的電流方向與下半周導(dǎo)體的電流方向總相反，而轉(zhuǎn)子導(dǎo)條沿著圓周又是均勻分布的。因此，轉(zhuǎn)子杯中的電流Ir產(chǎn)生的脈振磁通Φq在空間的方向總是與磁通Φd垂直，而與輸出繞組W2的軸線方向一致。Φq將在輸出繞組中感應(yīng)出頻率為?的電動(dòng)勢(shì)E2，從而產(chǎn)生測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出電壓U2，它的大小正比與Φq，即

　　因此，當(dāng)測(cè)速發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組加上電壓Uf，電機(jī)以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)時(shí)，測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出繞組將產(chǎn)生輸出電壓U2。它的頻率和電源頻率?相同，與轉(zhuǎn)速n的大小無(wú)關(guān)；輸出電壓的大小與轉(zhuǎn)速n成正比。當(dāng)電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，由于轉(zhuǎn)子杯中的電動(dòng)勢(shì)、電流及其產(chǎn)生的磁通的相位都與原來(lái)相反，因而輸出電壓U2的相位也與原來(lái)相反。這樣，異步測(cè)速發(fā)電機(jī)就可以很好地將轉(zhuǎn)速信號(hào)變換成電壓信號(hào)，實(shí)現(xiàn)測(cè)速的目的。

06旋轉(zhuǎn)變壓器

　　旋轉(zhuǎn)變壓器（resolver/transformer）是一種電磁式傳感器，又稱同步分解器。它是一種角度或速度測(cè)量的信號(hào)電機(jī)，由定子和轉(zhuǎn)子組成，其中定子繞組作為變壓器的原邊，接受勵(lì)磁電壓，勵(lì)磁頻率通常用400、3000及5000HZ等；轉(zhuǎn)子繞組作為變壓器的副邊，通過(guò)電磁耦合得到感應(yīng)電壓。

　　旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理和普通變壓器基本相似，區(qū)別在于普通變壓器的原邊、副邊繞組是相對(duì)固定的，所以輸出電壓和輸入電壓之比是常數(shù)，而旋轉(zhuǎn)變壓器的原邊、副邊繞組則隨轉(zhuǎn)子的角位移發(fā)生相對(duì)位置的改變，因而其輸出電壓的大小隨轉(zhuǎn)子角位移而發(fā)生變化,輸出繞組的電壓幅值與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成正弦、余弦函數(shù)關(guān)系，或保持某一比例關(guān)系，或在一定轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)與轉(zhuǎn)角成線性關(guān)系。旋轉(zhuǎn)變壓器在同步隨動(dòng)系統(tǒng)及數(shù)字隨動(dòng)系統(tǒng)中可用于傳遞轉(zhuǎn)角或電信號(hào)；在解算裝置中可作為函數(shù)的解算之用，故也稱為解算器。

　　旋轉(zhuǎn)變壓器一般有兩極繞組和四極繞組兩種結(jié)構(gòu)形式。兩極繞組旋轉(zhuǎn)變壓器的定子和轉(zhuǎn)子各有一對(duì)磁極，四極繞組則各有兩對(duì)磁極，主要用于高精度的檢測(cè)系統(tǒng)。除此之外，還有多極式旋轉(zhuǎn)變壓器，用于高精度絕對(duì)式檢測(cè)系統(tǒng)。

07新型感應(yīng)式轉(zhuǎn)速計(jì)

　　湖南銀河電氣有限公司開展了采用感應(yīng)法測(cè)量電潛泵機(jī)組轉(zhuǎn)速新方法的研究，并成功研制了DM4022感應(yīng)式轉(zhuǎn)速計(jì)。經(jīng)過(guò)多次對(duì)比試驗(yàn)，新研制的測(cè)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速測(cè)量精度可達(dá)到0.1%，這套系統(tǒng)的研制成功，為電潛泵機(jī)組的測(cè)速提供了最為準(zhǔn)確和可行的方法。

　　DM4022感應(yīng)式轉(zhuǎn)速計(jì)的設(shè)計(jì)思路為：異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中由切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電流的頻率，是電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子頻率和電動(dòng)機(jī)定子電壓頻率的差頻。此差頻乘以60就得到異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差，由電網(wǎng)頻率也乘以60得到電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，由同步轉(zhuǎn)速減去轉(zhuǎn)差就得到了電動(dòng)機(jī)的異步轉(zhuǎn)速。

　　以工頻潛水泵機(jī)組為例，感應(yīng)式傳感器感應(yīng)的差頻即為電潛泵電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子電流頻率，當(dāng)電動(dòng)機(jī)不旋轉(zhuǎn)時(shí)，其轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的感應(yīng)電流的頻率就是電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子頻率和電動(dòng)機(jī)定子電壓頻率的差頻，即50Hz，再乘以60，得到異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差為3000r/min，電網(wǎng)頻率50Hz乘以60得到電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，3000r/min減去轉(zhuǎn)差3000r/min，就得到了電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速0r/min，表明潛水泵電動(dòng)機(jī)不旋轉(zhuǎn)。

圖示：新型感應(yīng)式轉(zhuǎn)速計(jì)應(yīng)用示意圖

　　轉(zhuǎn)速傳感器的種類繁多、應(yīng)用極廣，自動(dòng)控制系統(tǒng)和自動(dòng)化儀表中大量使用各種電機(jī)，在各種場(chǎng)合下對(duì)低速（如每小時(shí)一轉(zhuǎn)以下）、高速（如每分鐘數(shù)十萬(wàn)轉(zhuǎn)）、穩(wěn)速（如誤差僅為萬(wàn)分之幾）和瞬時(shí)速度的精確測(cè)量有嚴(yán)格的要求，都需要應(yīng)用到轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量。