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1、第8章 速度传感器及其应用案例,8.1 磁电感应式速度传感器 8.2 测速发电机 8.3 霍尔式转速传感器 8.4 涡流式转速传感器 8.5 超声波速度传感器 8.6 光电式转速传感器 8.7 转速检测与控制系统应用案例,返回主目录,8.1 磁电式速度传感器,8.1.1 磁电式速度传感器的工作原理,磁电式速度传感器是利用法拉第电磁感应定律制作的一种传感器，它的工作原理如图8-1所示。,图8-1 磁电式速度传感器的工作原理,根据法拉第电磁感应定律，线圈中所产生的感应电动势e，其大小取决于穿过线圈磁通量的变化率，即,当线圈沿垂直于磁场方向运动时，设线圈相对于磁场运动的速度为或角速度为，则上式可写成
2、,(8-2),(8-1),当传感器的结构确定后，B、l、N、S均为定值，由式(8-2)可知，感应电动势e与线圈相对磁场的运动速度（或）成正比。只要能测量出感应电动势e的大小，就能计算出运动速度或，这就是磁电式传感器的测量原理。,8.1.2 磁电式速度传感器的类型,根据上述原理，人们设计出两种磁电式速度传感器：即恒磁通式和变磁通式。,1.恒磁通式,恒磁通式磁电速度传感器的典型结构主要是由永久磁铁、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（见下图8-2(a)）和动铁式（见下图8-2(b)）两种结构类型，但它们的工作原理是完全相同的 。,将它的壳体固定
3、在被测振动物体上。当物体振动时，线圈切割磁力线产生感生电动势为,(8-3),图8-2 恒磁通式磁电速度传感器的结构,2.变磁通式,变磁通式又称为变磁阻式，常用来测量旋转物体的角速度，其典型结构如图8-3所示。,图8-3 变磁通式磁电转速传感器的结构,图8-3(a)为开磁路变磁通式结构示意图。线圈3中产生感应电动势的变化频率等于测量齿轮2上齿轮齿数与转速的乘积。即,图8-3(b)为闭磁路变磁通式结构示意图。线圈3中产生的感应电动势频率f与被测转速n成正比，即,(8-4),(8-5),式中：Z齿轮的齿数； N被测轴的转速（r/min）； f感生电动势的频率（Hz）。,8.1.3 常见磁电式速度传感
4、器的应用,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8-4所示。,图8-4 CD-1型振动速度传感器,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。,2.磁电感应式转速传感器,图8-5是一种磁电感应式转速传感器的结
5、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8-5 磁电式转速传感器,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8-6所示。,图8-6 磁电式传感器测量位移和加速度电路方框图,8.2 测速发电机 测速发电机是一种能测量转速的微型发电机，根据测速发电机发出的电压类型，测速发电机又分为直流和交流两大类。下面介绍
6、它们的测速原理。,8.2.1 直流测速发电机 直流测速发电机按定子磁极的励磁方式可分为电磁式和永磁式两种。永磁式直流测速发电机的测速原理如图8-7所示。,图8-7 直流测速发电机的测速原理,可以证明，在恒定的磁场0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E0为 (8-6) 式中Ce称为电动势常数，它是由测速发电机结构决定。 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,式中 称作直流测速发电机的灵敏系数,8.2.2 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。交流异步测速发
7、电机由定子和转子两部分组成。,图8-9 空心杯形异步测速发电机结构,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8-9所示。,异步测速发电机的测速原理如图8-10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；,图8-10 异步测速发电机的测速原理,当转子不动时，输出绕组Q上电压为零。 当转子转动时 ，在输出绕组Q上产生正比于的感应电动势，其有效值E为,式中：K为比例系数。,式(8-15)表明，在励磁磁通恒定时，输出绕组的感应电动势E正比于转速n， 注：式(8-15)是在输
8、出绕组空载时推出的，要用(8-15)计算速度，异步测速发电机的负载阻抗一般应不低于100K。励磁电源频率大多采用400Hz。,(8-15),8.3 霍尔式转速传感器,8.3.1 霍尔式转速传感器的结构 霍尔式转速传感器通常由霍尔开关、转盘和小磁铁组成。下图8-11给出了几种常用的结构形式。当在圆盘上嵌装多块小磁铁时，相邻两块的极性要相反，如图8-11(d)所示。,图8-11 霍尔式转速传感器的常见结构形式,8.3.1 霍尔式转速传感器的工作原理 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
9、路检测出该脉冲的频率fn，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1104r/s内。广泛应用于汽车速度和行车里程的测量显示系统中。,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。,用霍尔转速传感器设计的出租车计价器结构如图8-12所示。,图8-12 出租车计价器结构框图,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，
10、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。,8.4 涡流式转速传感器,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8-13中虚线框所示。,图8-13 涡流式转速传感器测量系统方框图,8.5 超声波速度传感器,8.5.1 超声波流速传感器,如果在流体中安置两个超声波传感器B1和B2，它们既可以发射超声波又可以接收超声波，一个装在上游，另一个装在下游，其距离为L
11、，如图8-14所示。,图8-14 超声波测流速原理图,假设流体静止时，超声波在它中的传播速度为c，流体流动速度为，顺流方向的传播时间为t1，逆流方向的传播时间为t2，则,(8-6),(8-8),(8-7),(8-9),超声波在流体中的传播时间差为,一般来说，c，则c2-2c2 ，式（8-8）可写成,在实际应用中，超声波传感器都安装在管道的外部，从管道的外面透过管壁发射和接收超声波，而不会给管道内流动的流体带来影响，其安装位置如图8-15所示。,图8-15 超声波传感器的安装位置,此时超声波的传输时间将由下式确定：,(8-10),(8-11),一般来说，c，则c2-2sin2c2 ，由式（8-1
12、1）可写出流体的流速计算公式为,(8-12),8.6 光电式转速传感器,8.6.1 光电式转速传感器的结构 图8-16是两种常见的光电式转速传感器结构，它由调制盘和光电开关组成。,图8-16 常见的光电式转速传感器结构,8.6.2 光电式转速传感器的测速原理 当转轴旋转时，发光元件发出的光被调制盘调制成随时间变化的断续光，而被光电器件接收到，光每照射到光电器件上一次，光电器件就会产生一个电信号脉冲。显然,这时光电器件输出的脉冲数量与被测转速成正比。 如果调制盘上有Z个缺口(或Z条黑白相间的条纹)，在时间T秒内测的光电器件输出的脉冲数为N，则被测转速n(r/min)为,为了读数方便，一般取TZ=
13、6010i (i=0，1，2，3，)。,一般来说，光电器件输出的信号都比较小，为了便于测量计数，通常都需要对该信号进行放大整形，使它变成标准矩形脉冲，然后再对该脉冲进行计数和显示，一个实际的光电式转速传感器测速系统结构如图8-17所示。,图8-17 光电式转速传感器测速系统,8.7 转速测量与控制系统应用案例,8.7.1 电机转速测量显示系统案例,如图8-18所示，是一个用霍尔转速传感器测量显示直流电动机转速的电动机转速测量显示系统结构框图。,图8-18 电机转速测量显示系统结构框图,1. 霍尔转速传感器 霍尔转速传感器是该转速测量显示系统的关键部件，它由转盘、小磁铁和霍尔开关(比如UGN30
14、20)组成。当电动机转动时，每转一圈就通过小磁铁给霍尔开关一个磁场的作用，从而在霍尔开关元件的输出端得到一个矩形脉冲电压信号，并且这个矩形脉冲信号的频率与电动机的转速成正比。 2. 定时选通电路 该电路的作用是产生一定时长，并在该时段内让霍尔传感器产生的脉冲通过，而在该时段外不让霍尔开关产生的脉冲通过。该时段最简单的取法是1分钟。但测量时间比较长，取得时间过短误差较大。通常取6秒钟足以。,3. 通用十进制计数电路 本计数电路采用了四片十进制计数器芯片及联而成，它的计数范围是09999转/分。它可以对定时选通电路输出的脉冲个数进行累加计数。假定转盘每转一周可使霍尔传感器输出N1个脉冲信号，而在一
15、秒钟内霍尔转速传感器共输出N个脉冲，则被测转速n（r/min）为 4. 数字显示电路 本案例采用数字显示译码器来实现，它的作用是将通用十进制计数电路的数值用四位七段数码显示器把测量的转速数值显示出来。,8.7.2 电机转速检测控制系统案例,下面介绍一个直流电机转速检测控制的案例。它的工作原理如图8-19所示。,图8-19 直流电机转速检测控制系统,本案例选择的是测速发电机，它是把转速转换成直流电压的设备，并且该电压Ufn与被测转速n成正比。即 Ufn=Kn。,1. 测速传感器,该系统由直流电动机、测速传感器、转速设定电位器、放大器、转换器和晶闸管整流电路等部件组成。,转速给定电位器的作用是设定
16、电动机的转速，它是通过调整电位器Rp滑动端的位置来实现转速设定的。,2. 转速给定电位器,3. 放大器、转换器和晶闸管整流电路,放大器的作用是将给定转速和实际转速之差进行放大;转换器的作用是将直流电压Uc转换成脉冲信号; 晶闸管整流电路的作用是将交流电压转换成一个输出电压可调的直流电源，共电动机工作时用。,4. 直流电机的调速原理,直流电机的调速原理很简单，即它的输出转速n与输入电压Ud成正比。只要改变电动机的输入电压Ud的大小，就可以改变它的转速n。,5.调速过程,首先由电位器Rp给定一个电压Ug，然后把它与测速发电机发出的电压Ufn相减，得到偏差U=Ug-Ufn，经放大器放大后作为转换器的控制电压Uc，使转换器输出的脉冲产生延迟角为的触发脉冲，该脉冲触发晶闸管，使晶闸管整流电路输出直流电压Ud，加到电动机电枢上，使电动机旋转，当电动机的电磁转矩与负载转矩相等时，电动机便以给定的转速n旋转。若调节给定电压Ug的大小，可改变电动机的转速n。这就是电机转速检测控
