毛 敏

（陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西西安，710300）

非接觸測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器綜述

毛 敏

（陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西西安，710300）

闡述了最新轉(zhuǎn)速測(cè)量傳感器的工作原理、工作過(guò)程及設(shè)計(jì)方法，通過(guò)比較各種測(cè)速傳感器的特點(diǎn), 說(shuō)明了測(cè)速傳感器的發(fā)展方向。

測(cè)速傳感器；單片機(jī)；轉(zhuǎn)速測(cè)量

0 引言

在工業(yè)生產(chǎn)中，需要對(duì)一些產(chǎn)品的速度進(jìn)行在線測(cè)量，例如鋼板在生產(chǎn)線上需要測(cè)量其轉(zhuǎn)速，或者是時(shí)刻監(jiān)控金屬板的轉(zhuǎn)速，預(yù)防生產(chǎn)過(guò)程的誤差。

傳統(tǒng)的測(cè)量方法是使用接觸式測(cè)量，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)升級(jí)的需求，各種產(chǎn)品的類別越來(lái)越復(fù)雜，接觸式測(cè)量很難對(duì)新的產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)量。尤其在生產(chǎn)企業(yè)中要嚴(yán)格控制成本，傳統(tǒng)的測(cè)量方法誤差大，很難控制成本。

本文綜述了國(guó)內(nèi)外比較典型的非接觸測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速的傳感器，并闡述各傳感器的基本原理、設(shè)計(jì)方法和技術(shù)特點(diǎn)。

1 電機(jī)測(cè)速傳感器

1.1 磁電式測(cè)速傳感器

采用磁電感應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)測(cè)速，測(cè)量對(duì)象轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速傳感器的線圈會(huì)產(chǎn)生磁力線，齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)切割磁力線，磁路由于磁阻變化，在感應(yīng)線圈內(nèi)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，磁電式傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)速示意圖如圖1所示：

圖1 磁電式傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)速

磁電式轉(zhuǎn)速傳感器的感應(yīng)電勢(shì)產(chǎn)生的電壓大小，和被測(cè)對(duì)象轉(zhuǎn)速有關(guān)，被測(cè)物體的轉(zhuǎn)速越快輸出的電壓也就越大，輸出電壓和轉(zhuǎn)速成正比。但是在被測(cè)物體的轉(zhuǎn)速超過(guò)磁電式轉(zhuǎn)速傳感器的測(cè)量范圍時(shí)，磁路損耗會(huì)過(guò)大，使得輸出電勢(shì)銳減。

當(dāng)測(cè)量對(duì)象轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，觸發(fā)輪與傳感器之間的間隙周期性變化，磁通量也會(huì)以同樣的周期變化，從而在線圈中感應(yīng)出近似正弦波的電壓信號(hào)，傳感器的輸出峰值電壓與轉(zhuǎn)速關(guān)系為：

式中, V 為傳感器輸出峰值電壓,V；n 為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速,r/ s；d 為傳感器與觸發(fā)輪間的間隙,mm；K 為與傳感器有關(guān)的參數(shù)。

1.2 霍爾測(cè)速傳感器

金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)方向垂直于薄片，當(dāng)有電流I通過(guò)薄片時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，，為霍爾元件的靈敏度，維持、不變，則。

圖2 霍爾傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)速

圖2 為霍爾傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)速示意圖。在被測(cè)轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)軸上安裝一個(gè)齒盤，也可選取機(jī)械系統(tǒng)中的一個(gè)齒輪，將線性型霍爾器件及磁路系統(tǒng)靠近齒盤。齒盤的轉(zhuǎn)動(dòng)使磁路的磁阻隨氣隙的改變而周期性地變化，當(dāng)齒對(duì)準(zhǔn)霍爾元件時(shí)，磁力線集中穿過(guò)霍爾元件，可產(chǎn)生較大的霍爾電動(dòng)勢(shì)，放大、整形后輸出低電平；反之，當(dāng)齒輪的空擋對(duì)準(zhǔn)霍爾元件時(shí)，磁力線從上下側(cè)通過(guò)，輸出為高電平。

霍爾器件輸出的微小脈沖信號(hào)經(jīng)隔直、放大、整形，將脈沖信號(hào)送入單片機(jī)，單片機(jī)完成對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速脈沖計(jì)數(shù)的控制，讀取寄存器完成轉(zhuǎn)速頻率的確定。電機(jī)脈沖信號(hào)連接到中斷引腳，中斷對(duì)轉(zhuǎn)速脈沖計(jì)數(shù)，每到1s讀一次外部中斷計(jì)數(shù)值，此值即為脈沖信號(hào)的頻率。根據(jù)下式可計(jì)算出電機(jī)的轉(zhuǎn)速，電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算公式：

其中n為電機(jī)轉(zhuǎn)速，f為電機(jī)脈沖信號(hào)頻率，z為轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)一圈霍爾傳感器產(chǎn)生的脈沖數(shù)。

1.3 電渦流測(cè)速傳感器

系統(tǒng)中前置器中高頻振蕩電流通過(guò)延伸電纜流入探頭線圈，在探頭頭部的線圈中產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)。當(dāng)被測(cè)金屬體靠近這一磁場(chǎng)，則在此金屬表面產(chǎn)生感應(yīng)電流，與此同時(shí)該電渦流場(chǎng)也產(chǎn)生一個(gè)方向與頭部線圈方向相反的交變磁場(chǎng)，由于其反作用，使頭部線圈高頻電流的幅度和相位得到改變（線圈的有效阻抗），這一變化與金屬體磁導(dǎo)率μ、電導(dǎo)率δ、金屬體的形狀、表面因素r（粗糙度、溝痕、裂紋等）、電渦流線圈的激勵(lì)源頻率?、激勵(lì)電流i1以及頭部線圈到金屬導(dǎo)體表面的距離x等參數(shù)有關(guān)。

通常假定金屬導(dǎo)體材質(zhì)均勻且是線性的，則線圈和金屬導(dǎo)體系統(tǒng)的物理性質(zhì)可由金屬導(dǎo)體的電導(dǎo)率δ、磁導(dǎo)率μ、表面因素r、頭部體線圈與金屬導(dǎo)體表面的距離x、電流強(qiáng)度i1和頻率?參數(shù)來(lái)描述。則線圈特征阻抗可用Z=R+jωL=F(i1,?,μ,δ,r,x)函數(shù)來(lái)表示。如果控制i1,?,μ,δ,r這幾個(gè)參數(shù)在一定范圍內(nèi)不變，則線圈的特征阻抗Z就成為距離x的單值函數(shù)，雖然它整個(gè)函數(shù)是一非線性的，但可以選取它近似為線性的一段。通過(guò)前置器電子線路的處理，將線圈阻抗Z的變化，即頭部體線圈與金屬導(dǎo)體的距離x的變化轉(zhuǎn)化成電壓或電流的變化，輸出信號(hào)的大小隨探頭到被測(cè)體表面之間的間距而變化，根據(jù)這一原理實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬物體的位移的測(cè)量。

在被測(cè)物體旁邊安裝一個(gè)電渦流傳感器，當(dāng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，傳感器周期地改變著與旋轉(zhuǎn)體表面之間的距離，它的輸出電壓也周期性地發(fā)生改變，此脈沖電壓信號(hào)經(jīng)放大、變換后，可用單片機(jī)完成對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速脈沖的計(jì)數(shù)，讀取寄存器完成轉(zhuǎn)速頻率的確定，從而測(cè)出轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速。若轉(zhuǎn)軸上開z 個(gè)槽(或齒)，頻率f（單位為Hz），則轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速n（單位為r/min）的計(jì)算公式同（2-2）。

電渦流傳感器轉(zhuǎn)速測(cè)量示意圖如圖3所示：

圖3 電渦流傳感器轉(zhuǎn)速測(cè)量

1.4 光電傳感器測(cè)速

電路原理圖如圖4所示：

圖4 光電傳感器測(cè)速電路

光源發(fā)出的光線經(jīng)聚焦透鏡2會(huì)聚成平行光束，照射到被測(cè)旋轉(zhuǎn)物3上，光線經(jīng)事先粘貼在旋轉(zhuǎn)物體上的反光紙4反射回來(lái)，經(jīng)透鏡6聚焦后落在光敏二極管7上。旋轉(zhuǎn)物體每轉(zhuǎn)一圈，光敏二極管就產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào),經(jīng)放大整形電路得到TTL電平的脈沖信號(hào)，單片機(jī)完成對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速脈沖的計(jì)數(shù)，讀取寄存器完成轉(zhuǎn)速頻率的確定，最后由電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算公式（2-2）得到轉(zhuǎn)速。

1.5 線陣CCD傳感器測(cè)速

CCD將光敏二極管陣列集成為一體，把入射到傳感器光敏面上按空間分布的光強(qiáng)信息，轉(zhuǎn)換為按時(shí)序串行輸出的電信號(hào)。

在被測(cè)軸表而貼上明暗相間的條紋，其中陰影部分為鍍有反光材料的細(xì)螺旋紋，反射率較高；而周邊區(qū)域?yàn)楹谏?，基本不反光。光束照射到轉(zhuǎn)軸表面，反射后成像在CCD感光區(qū)，形成一條明亮細(xì)窄的條紋，而周邊相對(duì)較暗，線陣CCD傳感器測(cè)速原理如圖6所示：

圖5 線陣CCD傳感器轉(zhuǎn)速測(cè)量

隨著轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，CCD感光區(qū)上的亮紋會(huì)水平連續(xù)移動(dòng)，移動(dòng)范圍為L(zhǎng)，CCD可精確記錄亮紋移動(dòng)位移變化，只要得到已知時(shí)間間隔內(nèi)亮紋位置的變化，即可獲得條紋水平軸向移動(dòng)的速度，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為待測(cè)軸的轉(zhuǎn)速，

設(shè)轉(zhuǎn)軸垂直于光軸，成像系統(tǒng)的放大系數(shù)為β，轉(zhuǎn)軸的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速為ω（rad/s），轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)一圈，暗條紋移動(dòng)距離為L(zhǎng)（m），移動(dòng)速度為V（m/s），對(duì)應(yīng)像瞬時(shí)移動(dòng)速度為V'（m/s 通過(guò)CCD及同步控制電路迅速檢測(cè)出條紋微小移動(dòng)位移及產(chǎn)生此微小位移所需的時(shí)間間隔，可得到條紋像的移動(dòng)速度V'），轉(zhuǎn)速公式為：

2 性能比較及其發(fā)展方向發(fā)展

1）磁電式測(cè)速傳感器利用電磁感應(yīng)原理，體積小、靈敏度低，其輸出靈敏度隨間隙而變化，輸入輸出是非線性關(guān)系。永磁體對(duì)被測(cè)鐵磁物的吸力較大，影響被測(cè)系統(tǒng)原始狀態(tài)。

2）電渦流式測(cè)速傳感器是利用在被測(cè)物上設(shè)置等距標(biāo)記，如凸齒來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)速，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，可靠性好。

3）光電式測(cè)速傳感器利用擋光盤或反光黑白條紋，以輸出脈沖，選用精確時(shí)鐘，測(cè)速精度高，制作某種特殊標(biāo)記線，還可從脈沖形狀上判斷移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)方向，或提供轉(zhuǎn)軸位置的信號(hào)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，測(cè)轉(zhuǎn)速范圍寬。

隨著現(xiàn)今精密制造業(yè)的崛起和節(jié)省成本的需求，非接觸測(cè)速傳感器會(huì)慢慢取代現(xiàn)在市場(chǎng)上的接觸式測(cè)速傳感器，通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)與測(cè)量技術(shù)相結(jié)合，對(duì)被測(cè)物進(jìn)行自動(dòng)化、智能化的測(cè)量控制，這也是測(cè)量技術(shù)的一種發(fā)展趨勢(shì)。

3 結(jié)論

本文對(duì)當(dāng)前轉(zhuǎn)速測(cè)量傳感器作了系統(tǒng)的闡述,并對(duì)其工作原理、工作過(guò)程和設(shè)計(jì)方法作了論述。本文所介紹的轉(zhuǎn)速測(cè)量傳感器采用新型的信息獲取和處理技術(shù)，與傳統(tǒng)的測(cè)速傳感器相比，具有非接觸、靈敏度高、分辨率高、響應(yīng)速度快、抗干擾力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)中應(yīng)用廣泛。

[1] 孫圣和. 現(xiàn)代傳感器發(fā)展方向[C].第一屆儀器儀表與測(cè)控技術(shù)學(xué)術(shù)大會(huì),2007,成都.

[2] 梁森，王侃夫.自動(dòng)檢測(cè)與轉(zhuǎn)換技術(shù)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,2011.

[3] 徐鼎新.開關(guān)型霍爾效應(yīng)集成傳感器的原理與應(yīng)用[ J].計(jì)量與測(cè)試技術(shù)，2003(4).

[4] 王元慶. 新型傳感器原理及應(yīng)用[M].北京: 機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[5] 張福學(xué). 傳感器應(yīng)用及其電路精選[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社，2000.

[6] 阮智利，黃杭美. 自動(dòng)檢測(cè)與轉(zhuǎn)換技術(shù)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社，1990.

Discussing of non - contact measuring motor speed sensors

Mao Min
(Shaanxi Institute of Technology,Xi'an，710300,china)

This paper describes the working principle, working process and design method of the latest speed measurement sensors,and compares the characteristics of various speed sensors,and explains the development direction of the speed sensor.

Speed sensor；microcontroller；Speed Measurement

毛敏（1976—），女，陜西省西安市，陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，碩士研究生。研究方向：電子信息