轉(zhuǎn)速傳感器

01光電轉(zhuǎn)速傳感器

　　光電式轉(zhuǎn)速傳感器對轉(zhuǎn)速的測量，主要是通過將光線的發(fā)射與被測物體的轉(zhuǎn)動相關(guān)聯(lián)，再以光敏元件對光線的進行感應來完成的。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)速傳感器在測量物體轉(zhuǎn)速時，測量盤會隨著被測物體轉(zhuǎn)動，光線則隨測量盤轉(zhuǎn)動不斷經(jīng)過各條縫隙，并透過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。投射式光電轉(zhuǎn)速傳感器的脈沖信號，通過在一段時間內(nèi)的計數(shù)和計算，就可以獲得被測量對象的轉(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)速傳感器是通過在被測量轉(zhuǎn)軸上設(shè)定反射記號，而后獲得光線反射信號來完成物體轉(zhuǎn)速測量的。反射式光電轉(zhuǎn)速傳感器的光源會對被測轉(zhuǎn)軸發(fā)出光線，光線透過透鏡和半透膜入射到被測轉(zhuǎn)軸上，而當被測轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時，反射記號對光線的反射率就會發(fā)生變化。

　　反射式光電轉(zhuǎn)速傳感器內(nèi)裝有光敏元件，當轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速傳感器即可發(fā)出一個脈沖信號，而當反射光線隨轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動到另一位置時，反射率變小光線變?nèi)?，光敏元件無法感應，即不會發(fā)出脈沖信號。

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實現(xiàn)測量的，它由線圈、鐵芯和銜鐵三部分組成。鐵芯和銜鐵由導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，傳感器的運動部分與銜鐵相連。當被測量變化時，使銜鐵產(chǎn)生位移，引起磁路中磁阻變化，從而導致電感線圈的電感量變化，因此只要能測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)速傳感器應用較廣，它利用磁通變化而產(chǎn)生感應電勢，其電勢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)比較簡單，輸出信號較小，不宜在振動劇烈的場合使用。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)。當轉(zhuǎn)軸連接到被測軸上一起轉(zhuǎn)動時，由于內(nèi)、外齒輪的相對運動，產(chǎn)生磁阻變化，在線圈中產(chǎn)生交流感應電勢。測出電勢的大小便可測出相應轉(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(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固定電極板之間嵌入一塊高介電常數(shù)的可動板而構(gòu)成的?？蓜咏橘|(zhì)板與轉(zhuǎn)動軸相連，隨著轉(zhuǎn)動軸的旋轉(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)動軸相連的可動金屬板構(gòu)成。如圖中所示可動金屬板處于電容量最大的位置，當轉(zhuǎn)動軸旋轉(zhuǎn)180°時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^直流激勵、交流激勵和用可變電容構(gòu)成振蕩器的振蕩槽路等方式得到轉(zhuǎn)速的測量信號。

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，也就是當轉(zhuǎn)動的金屬部件通過霍爾傳感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對象的轉(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)速傳感器在測量機械設(shè)備的轉(zhuǎn)速時，被測量機械的金屬齒輪、齒條等運動部件會經(jīng)過傳感器的前端，引起磁場的相應變化，當運動部件穿過霍爾元件產(chǎn)生磁力線較為分散的區(qū)域時，磁場相對較弱，而穿過產(chǎn)生磁力線較為集中的區(qū)域時，磁場就相對較強。霍爾轉(zhuǎn)速傳感器就是通過磁力線密度的變化，在磁力線穿過傳感器上的感應元件時，產(chǎn)生霍爾電勢?；魻栟D(zhuǎn)速傳感器的霍爾元件在產(chǎn)生霍爾電勢后，會將其轉(zhuǎn)換為交變電信號，最后傳感器的內(nèi)置電路會將信號調(diào)整和放大，輸出矩形脈沖信號。

　　霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的測量必須配合磁場的變化，因此在霍爾轉(zhuǎn)速傳感器測量非鐵磁材質(zhì)的設(shè)備時，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，這樣霍爾轉(zhuǎn)速傳感器才能準確的捕捉到物質(zhì)的運動狀態(tài)。霍爾轉(zhuǎn)速傳感器主要應用于齒輪、齒條、凸輪和特質(zhì)凹凸面等設(shè)備的運動轉(zhuǎn)速測量。高轉(zhuǎn)速磁敏電阻轉(zhuǎn)速傳感器除了可以測量轉(zhuǎn)速以外，還可以測量物體的位移、周期、頻率、扭矩、機械傳動狀態(tài)和測量運行狀態(tài)等?；魻栟D(zhuǎn)速傳感器目前在工業(yè)生產(chǎn)中的應用很是廣泛，例如電力、汽車、航空、紡織和石化等領(lǐng)域，都采用霍爾轉(zhuǎn)速傳感器來測量和監(jiān)控機械設(shè)備的轉(zhuǎn)速狀態(tài)，并以此來實施自動化管理與控制。

05測速發(fā)電機

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

圖示：空心杯異步測速發(fā)電機原理示意圖

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

　　當轉(zhuǎn)子靜止（n=0）時，轉(zhuǎn)子杯導條與脈振磁通Φd相匝鏈，并產(chǎn)生感應電動勢。這時勵磁繞組與轉(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，脈振磁場在勵磁繞組和轉(zhuǎn)子杯中分別產(chǎn)生的感應電動勢稱為變壓器電動勢。

　　若忽略勵磁繞組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與勵磁繞組中的感應電動勢Ef相平衡，電源電壓的大小近似地等于感應電動勢的大小，即

　　又因為Ef∝Φd，故：

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

　　當轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速n轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)子杯中除了上述變壓器電動勢外，轉(zhuǎn)子杯導條切割磁通Φd而產(chǎn)生切割電動勢Er（或稱旋轉(zhuǎn)電動勢）。電于磁通Φd為脈振磁通，所以電動勢Er亦為交變電動勢。其交變的頻率為磁通Φd的脈振頻率?。它的大小為

　　式中：C2為電動勢比例常數(shù)。

　　若磁通Φ&d的幅值為恒定時，則電動勢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，電動勢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，其大小正比于電動勢Er。若忽略轉(zhuǎn)子杯中漏抗的影響，電流Ir在時間相位上與轉(zhuǎn)子杯電動勢Er同相位，即在任一瞬時，轉(zhuǎn)子杯中的電流方向與電動勢方向一致。

　　當然，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

　　無論轉(zhuǎn)速如何，由于轉(zhuǎn)子杯上半周導體的電流方向與下半周導體的電流方向總相反，而轉(zhuǎn)子導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出頻率為?的電動勢E2，從而產(chǎn)生測速發(fā)電機的輸出電壓U2，它的大小正比與Φq，即

　　因此，當測速發(fā)電機勵磁繞組加上電壓Uf，電機以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)時，測速發(fā)電機的輸出繞組將產(chǎn)生輸出電壓U2。它的頻率和電源頻率?相同，與轉(zhuǎn)速n的大小無關(guān)；輸出電壓的大小與轉(zhuǎn)速n成正比。當電機反轉(zhuǎn)時，由于轉(zhuǎn)子杯中的電動勢、電流及其產(chǎn)生的磁通的相位都與原來相反，因而輸出電壓U2的相位也與原來相反。這樣，異步測速發(fā)電機就可以很好地將轉(zhuǎn)速信號變換成電壓信號，實現(xiàn)測速的目的。

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量的信號電機，由定子和轉(zhuǎn)子組成，其中定子繞組作為變壓器的原邊，接受勵磁電壓，勵磁頻率通常用400、3000及5000HZ等；轉(zhuǎn)子繞組作為變壓器的副邊，通過電磁耦合得到感應電壓。

　　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)變壓器在同步隨動系統(tǒng)及數(shù)字隨動系統(tǒng)中可用于傳遞轉(zhuǎn)角或電信號；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)子各有一對磁極，四極繞組則各有兩對磁極，主要用于高精度的檢測系統(tǒng)。除此之外，還有多極式旋轉(zhuǎn)變壓器，用于高精度絕對式檢測系統(tǒng)。

07新型感應式轉(zhuǎn)速計

　　湖南銀河電氣有限公司開展了采用感應法測量電潛泵機組轉(zhuǎn)速新方法的研究，并成功研制了DM4022感應式轉(zhuǎn)速計。經(jīng)過多次對比試驗，新研制的測速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速測量精度可達到0.1%，這套系統(tǒng)的研制成功，為電潛泵機組的測速提供了最為準確和可行的方法。

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

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

圖示：新型感應式轉(zhuǎn)速計應用示意圖

　　轉(zhuǎn)速傳感器的種類繁多、應用極廣，自動控制系統(tǒng)和自動化儀表中大量使用各種電機，在各種場合下對低速（如每小時一轉(zhuǎn)以下）、高速（如每分鐘數(shù)十萬轉(zhuǎn)）、穩(wěn)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，都需要應用到轉(zhuǎn)速傳感器測量。