第5章速度的测试

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1、1,第5章 速度的测试,5.1线速度的测试,2,多普勒效应,前进方向的频率升高,如果波源和观察者之间有相对运动，那么观察者接收到的频率和波源的频率就不相同了，这种现象叫做多普勒效应。测出f 就可得到运动速度。,51 线速度的测试,3,5.1.1 激光多普勒测速 光波的多普勒效应是一种物理现象，如图4-1所示，由于物体反射表面的运动速度v。使光束A、B的光程较原来物体表面静止时的光束A、B的光程缩短，有关系式,4,5.1.2相关法测速,相关法测量运动物体的线速度是基于相关原理，即当两个平稳的随机信号1(t）和2(t）的波形完全一致时，其互相关函数获得极大值。测量时，在固定间距为L的两处安置两个特

2、性相同的传感器，如光电式传感器（或电容式传感器，或超声波发射和接收传感器等）,分别接收所在位置物体运动时的随机信号。当后一个传感器接收的信号波形与前一个相似时，信号则延迟了,由此测出两信号互相关函数取极大值的延迟时间即可求得运动物体的线速度 .,5,如图是一测量轧钢过程中热轧钢带直线运动速度的相关测速系统。它是通过检测轧制钢带表面微小凹凸不平在运动过程中产生的随机信号，经互相关处理后计算出其瞬时速度的。,6,52 转速的测量,5.2.1机械式转速计 永久磁铁与旋转轴相固联，当它随被测轴一起旋转时，就等于一个旋转磁场，使临近的与指针相固联的金属导体件铝盘内产生涡流，电涡流产生的磁场与旋转磁场相互

3、作用而产生与转轴转速成正比的电磁力矩，此力矩由游丝扭转变形的反作用力矩 相平衡，指针轴的转角即对应于被测轴的转速,即,7,离心式转速表是利用离心力的作用将转速转变成转角的机械式仪表 ,如图：,8,5.2.2 闪光测转速法,用一个频率连续可调的闪光灯照射被测旋转体上的某一固定标记，并调节闪光频率f，当该频率是被测旋转频率的倍或1/n时（n为整数），标记就会在每转到同一位置时被照亮一次，当照亮次数大于每秒10次时，由于人眼视觉的滞留现象，该旋转的标记看上去就停留在固定位置上不动。然而，只有当=1，即闪光频率f等于被测旋转频率时，标记图像才最清晰。因此，可通过闪光灯的闪光频率来测定转速。 通常，闪光

4、灯每分钟闪烁11025000次。对大于2500r/min转速的测量，可通过下述方法进行。首先，从最高闪光频率往下调，当第一次看到标记不动时，记下闪光频率f，接着继续减小闪光频率，直到再次看到标记不动时，记下闪光频率f，重复上述过程，当第m次看到标记不动时，记下闪光频率fm，则被测转速可通过下式计算,9,5.2.3 数字式转速测量系统,频率测量原理和测量误差 （1）计数测频法 计数测频法的基本思想是在某一选定的时间间隔0内对被测信号进行计数，然后将计数值N除以时间间隔（时基）就得到所测频率，即,10,计数测频法电路原理图,11,（2）周期测频法 周期测频法是利用测量周期再求其倒数的方法来测量频率

5、 被测信号的频率为f=1/T,12,霍尔式传感器,导体和磁场发生相对运动时，在导体两端有感应电动势输出；磁电式传感器就是利用电磁感应原理，将运动速度、位移等物理量转换成线圈中的感应电动势输出。 磁电感应式传感器工作时不需要外加电源，可直接将被测物体的机械能转换为电量输出。是典型的有源传感器。 特点：输出功率大，稳定可靠，可简化二次仪表，但频率响应低，通常在10100HZ，适合作机械振动测量、转速测量。传感器尺寸大、重。,13,电感式传感器是把被测量转换成电感量的变化，磁电式传感器通过检测磁场的变化测量被测量。,磁电传感器,霍尔传感器测转速,概述,14,(一) 工作原理与结构,根据电磁感应定律，

6、N匝线圈在磁场中运动切割磁力线，线圈内产生感应电动势e的大小与穿过线圈的磁通变化率有关。,式中：B 磁感应强度， N0线圈匝数， L 每匝线圈长度， V 运动速度,15,由 磁电式传感器灵敏度：,电流灵敏度:,电压灵敏度：,根据以上原理有两种磁电感应式传感器： 恒磁通式：磁路系统恒定磁场，运动部件可以是线圈也可以是磁铁。 变磁通式：线圈、磁铁静止不动，转动物体引起磁阻、磁通变化。,(一) 工作原理与结构,16,图为开磁路变磁通式：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，其变化频率等

7、于被测转速与测量齿轮上齿数的乘积。这种传感器结构简单，但输出信号较小，且因高速轴上加装齿轮较危险而不宜测量高转速的场合。,(一) 工作原理与结构,17,霍尔传感器属于磁敏元件，磁敏元件也是基于磁电转换原理，磁敏传感器是把磁学物理量转换成电信号。 随着半导体技术的发展，磁敏元件得到应用和发展，广泛用于自动控制、信息传递、电磁场、生物医学等方面的电磁、压力、加速度、振动测量。 特点：结构简单、体积小、动态特性好、寿命长。,18,(一)霍尔效应,1878年美国物理学家霍尔首先发现金属中的霍尔效应，因为太弱没有得到应用。随着半导体技术的发展，人们发现半导体材料的霍尔效应非常明显，并且体积小有利于集成化

8、。霍尔传感器是基于霍尔效应。,把一个导体（半导体薄片）两端通以电流I，在垂直方向施加磁感强度B的磁场，在薄片的另外两侧会产生一个与控制电流I和磁场强度B的乘积成比例的电动势 。 或通电的导体（半导体）放在磁场中，电流I与磁场B方向垂直，在导体另外两侧会产生感应电动势，这种现象称霍尔效应。,19,霍尔效应演示,当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，向内侧偏移，在半导体薄片c、d方向的端面之间建立起霍尔电势。,20,在磁场作用下导体中的自由电子做定向运动。 每个电子受洛仑兹力作用被推向导体的另一侧：,霍尔电场作用于电子的力,霍尔电场,当两作用力相等时电荷不再 向两边积累达到动态平衡：,21,

9、磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势,若磁感应强度B不垂直于霍尔元件，而是与其法线成某一角度 时，实际上作用于霍尔元件上的有效磁感应强度是其法线方向（与薄片垂直的方向）的分量，即Bcos，这时的霍尔电势为 UH=KHIBcos,结论：霍尔电势与输入电流I、磁感应强度B成正比，且当B的方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变。如果所施加的磁场为交变磁场，则霍尔电势为同频率的交变电势。,22,(二) 霍尔元件的基本结构与基本测量电路,1. 霍尔元件基本结构,霍尔元件的结构很简单，它是由霍尔片、四根引线和壳体组成的， 如图（a）所示。 霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片， 引出四根引线： 1、 1两根引线加激

10、励电压或电流，称激励电极（控制电极）； 2、 2引线为霍尔输出引线， 称霍尔电极。 霍尔元件的壳体是用非导磁金属、 陶瓷或环氧树脂封装的。 在电路中， 霍尔元件一般可用两种符号表示， 如图（b）所示。,23,国产霍尔元件别号的命名方法如下：,常见的国产霍尔元件型号有HZ1、HZ2、HZ3、HT1、HT2、HS1等。,5.2 霍尔式传感器,24,2. 霍尔传感器基本测量电路,霍尔晶体的外形为矩形薄片有四根引线， 两端加激励，两端为输出，RL为负载电阻 ； 电源E通过R控制激励电流I； B 磁场与元件面垂直（向里） 实测中可把I*B作输入， 也可把I或B单独做输入； 通过霍尔电势输出测量结果。 输

11、出Uo与I或B成正比关系，或与I*B成正比关系。,25,霍尔元件的转换效率较低，实际应用中，为了获得较大的霍尔电压，可将几个霍尔元件的输出串联起来，如图所示，在这种连接方法中，激励电流极应该是并联的，如果将其接成串联，霍尔元件将不能正常工作，虽然霍尔元件的串联可以增加输出电压，但其输出电阻也将增大。,2. 霍尔传感器基本测量电路,26,(三)霍尔元件的主要技术参数,(1) 额定激励电流和最大允许激励电流 当霍尔元件自身温升10时所流过的激励电流称为额定激励电流。 以元件允许最大温升为限制所对应的激励电流称为最大允许激励电流。因霍尔电势随激励电流增加而线性增加，所以使用中希望选用尽可能大的激励电

12、流，因而需要知道元件的最大允许激励电流。改善霍尔元件的散热条件，可以使激励电流增加。,27,(2） 输入电阻和输出电阻 激励电极间的电阻值称为输入电阻。霍尔电极输出电势对电路外部来说相当于一个电压源，其电源内阻即为输出电阻。 以上电阻值是在磁感应强度为零，且环境温度在205时所确定的。,(三)霍尔元件的主要技术参数,28,(3） 不等位电势和不等位电阻 当霍尔元件的激励电流为I时，若元件所处位置磁感应强度为零， 则它的霍尔电势应该为零，但实际不为零。这时测得的空载霍尔电势称为不等位电势。 产生这一现象的原因有： 霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上； ,(三)霍尔元件的主要技术参数,29

13、, 半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不均匀； , 激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等。,(三)霍尔元件的主要技术参数,30,(4） 寄生直流电势 在外加磁场为零、霍尔元件用交流激励时，霍尔电极输出除了交流不等位电势外，还有一直流电势，称为寄生直流电势。 其产生的原因有： 激励电极与霍尔电极接触不良， 形成非欧姆接触， 造成整流效果； 两个霍尔电极大小不对称，则两个电极点的热容不同， 散热状态不同而形成极间温差电势。 寄生直流电势一般在1mV以下，它是影响霍尔片温漂的原因之一。,(三)霍尔元件的主要技术参数,31,霍尔集成电路可分为线性型和开关型两大类。,线性型集成电路是将霍

14、尔元件和恒流源、线性差动放大器等做在一个芯片上，输出电压为伏级，比直接使用霍尔元件方便得多。较典型的线性型霍尔器件如UGN3501等。,线性型三端 霍尔集成电路,(五)霍尔集成传感器,32,开关型霍尔集成电路的外形及内部电路,OC门,施密特 触发电路,双端输入、 单端输出运放,霍尔 元件,.,Vcc,33,(六)霍尔传感器的应用,霍尔电势是关于I、B、 三个变量的函数，即 EH=KHIBcos 。利用这个关系可以使其中两个量不变，将第三个量作为变量，或者固定其中一个量，其余两个量都作为变量。这使得霍尔传感器有许多用途。,34,霍尔转速表,在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可选取机械系统中的一个

15、齿轮，将线性型霍尔器件及磁路系统靠近齿盘。齿盘的转动使磁路的磁阻随气隙的改变而周期性地变化，霍尔器件输出的微小脉冲信号经隔直、放大、整形后可以确定被测物的转速。,S,N,线性霍尔,磁铁,霍尔式传感器应用实例,35,霍尔转速表原理,当齿对准霍尔元件时，磁力线集中穿过霍尔元件，可产生较大的霍尔电动势，放大、整形后输出高电平；反之，当齿轮的空挡对准霍尔元件时，输出为低电平。,36,霍尔转速传感器在汽车防抱死装置（ABS）中的应用,若汽车在刹车时车轮被抱死，将产生危险。用霍尔转速传感器来检测车轮的转动状态有助于控制刹车力的大小。,带有微型磁铁的霍尔传感器,钢质,霍尔,37,霍尔式无触点汽车电子点火装置

16、,采用霍尔式无触点电子点火装置能较好地克服汽车合金触点点火时间不准确、触点易烧坏、高速时动力不足等缺点。,汽车点火线圈,高压输出接头,12V低压电源输入接头,38,霍尔式无触点汽车电子点火装置工作原理,采用霍尔式无触点电子点火装置无磨损、点火时间准确、高速时动力足。,桑塔纳汽车霍尔式分电器示意图,1-触发器叶片 2-槽口 3-分电器转轴 4-永久磁铁 5-霍尔集成电路（PNP型霍尔IC）,a）带缺口的触发器叶片 b）触发器叶片与永久磁铁及霍尔集成电路之间的安装关系 c）叶片位置与点火正时的关系,39,霍尔式无刷电动机,霍尔式无刷电动机取消了换向器和电刷，而采用霍尔元件来检测转子和定子之间的相对位置，其输出信号经放大、整形后触发电子线路，从而控制电枢电流的换向，维持电动机的正常运转。由于无刷电动机不产生电火花及电刷磨损等问题，所以它在录像机、CD唱机、光驱等家用电器中得到越来