楊亮亮,李 婧

(鹽城師范學院 物理與電子工程學院，江蘇 鹽城 224007)

近年來，隨著工業(yè)自動化程度的不斷提高，發(fā)動機、機床主軸等旋轉(zhuǎn)設(shè)備對齒輪轉(zhuǎn)速的測量提出了越來越高的要求。轉(zhuǎn)速不單是發(fā)動機一個簡單的工作參數(shù)，還是自動控制系統(tǒng)中其它參數(shù)計算的依據(jù)和正確基準。對于轉(zhuǎn)速的測量多采用非接觸式測量方式，目前廣泛使用的方法有電渦流、光電、霍爾傳感器等。

本文針對轉(zhuǎn)速這一參數(shù)，基于CSY2001B傳感器綜合實驗箱，選取電渦流、光電、霍爾三種傳感器進行了實驗測試[1-5]。利用MATLAB軟件進行輸入輸出參數(shù)的實測曲線描繪[6-8]，并計算了工作在不同量程范圍時三種傳感器的線性度和靈敏度。通過實際操作，鍛煉了學生理論和實踐結(jié)合的能力、分析和解決問題的能力，為以后從事相關(guān)領(lǐng)域的工作和研究奠定基礎(chǔ)。

1 傳感器的靜態(tài)特性指標

實際使用時，通常根據(jù)實測要求和傳感器的特性指標來選擇合適的傳感器。線性度和靈敏度是傳感器最受關(guān)注的兩個特性指標。

1.1 線性度

線性度，又稱非線性誤差，如圖1所示，是指傳感器的輸出量與輸入量之間的實際特性曲線偏離擬合直線的程度[9]。線性度一般采用相對誤差的形式表示，即：

圖1 傳感器的輸入輸出特性曲線

(1)

式中Δmax為傳感器的實際曲線與擬合直線之間的最大偏差，YFS表示滿量程輸出值。

從公式(1)中可以看出，線性度的大小與擬合直線有關(guān)，擬合直線的不同會導致最大偏差Δmax不同。擬合直線可以選擇端點連接擬合、切線擬合、最小二乘法擬合等等。

1.2 靈敏度

靈敏度是傳感器在穩(wěn)態(tài)下輸出增量與輸入增量的比值。對于非線性傳感器，靈敏度是一個變量，通常表示某一工作點的靈敏度。對于線性傳感器，靈敏度為靜態(tài)輸出特性曲線的斜率，即

(2)

式中Δy為傳感器對應(yīng)輸入增量Δx的輸出增量。

2 實驗測量

2.1 電渦流傳感器

電渦流傳感器是基于電渦流效應(yīng)的原理工作的，由平面線圈和被測物體(金屬渦流片)組成。實驗操作時，將電渦流傳感器的探頭(線圈面)安裝在電機葉片之上，并盡量靠近葉片，以不碰擦為標準，線圈面與葉片保持平行。當電渦流線圈與金屬渦流片的位置周期性地接近或脫離時，電渦流傳感器的輸出信號也轉(zhuǎn)換為相同周期的脈沖信號。利用頻率表即可測得電機頻率f，由于有兩個葉片，所以，轉(zhuǎn)速n=60f/2=30f。改變控制電壓，葉片以不同速度轉(zhuǎn)動，整理得到電壓和轉(zhuǎn)速的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 電渦流傳感器測量轉(zhuǎn)速的實驗數(shù)據(jù)

2.2 光電傳感器

實驗箱中的光電轉(zhuǎn)速傳感器采用透射型的結(jié)構(gòu)，傳感器端部內(nèi)側(cè)分別安裝有發(fā)光管和光電管，發(fā)光管發(fā)出的光透過轉(zhuǎn)盤上的通孔后由光電管接收，再轉(zhuǎn)換為電信號。由于轉(zhuǎn)盤上有均勻間隔分布的6個孔，轉(zhuǎn)動時將獲得與轉(zhuǎn)速有關(guān)的脈沖數(shù)，脈沖經(jīng)處理后記錄頻率f，整理得到轉(zhuǎn)速n=60f/6=10f。數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 光電傳感器測量轉(zhuǎn)速的實驗數(shù)據(jù)

2.3 霍爾傳感器

霍爾傳感器是一種磁敏傳感器，是基于霍爾效應(yīng)原理工作的。測量轉(zhuǎn)速時一般采用開關(guān)式霍爾傳感器?；魻栐妮敵鲂盘柦?jīng)放大器放大，再經(jīng)施密特電路整形成矩形波(開關(guān)信號)輸出。被測圓盤上裝有6只磁性體，圓盤每轉(zhuǎn)一周磁場變化6次，霍爾傳感器就同頻率f相應(yīng)變化輸出。經(jīng)頻率表讀得f，即可得到轉(zhuǎn)速n=10f。記錄實驗數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 霍爾式傳感器測量轉(zhuǎn)速的實驗數(shù)據(jù)

3 數(shù)據(jù)處理與分析

根據(jù)上述的實際測量數(shù)據(jù)，分別以電壓和轉(zhuǎn)速為橫縱坐標，得到實測數(shù)據(jù)曲線如圖2(a)所示，轉(zhuǎn)速在300～4 500之間。基于最小二乘法擬合直線，計算得到三種傳感器滿量程工作時的線性度和靈敏度如表4所示。當轉(zhuǎn)速比較小時，例如2 250 r/min半量程范圍以內(nèi)，實測數(shù)據(jù)曲線和擬合直線如圖2(b)所示，此時傳感器的線性度和靈敏度如表5所示。

電壓/V

從圖2和表4、5中可以看到，無論是大量程還是小量程測量，霍爾傳感器的線性度都是最好的，電渦流傳感器的靈敏度都是最高的。通常轉(zhuǎn)速測量時，對于靈敏度的要求要高一些。對比表4和表5可以看到，當傳感器工作在不同量程范圍時，電渦流傳感器的靈敏度差異最大，為12.58；霍爾傳感器的靈敏度差異最小，僅有0.27。

表4 三種傳感器滿量程工作時的特性

表5 三種傳感器半量程工作時的特性

4 結(jié) 語

對電渦流、光電、霍爾三種常用測量轉(zhuǎn)速的傳感器進行實驗測量，基于最小二乘法計算了不同傳感器不同量程范圍工作時的線性度和靈敏度。通過對比分析可知，傳感器的靈敏度和線性度會隨量程范圍的變化而變化。學生通過實測加深了對傳感器特性的理解，在課程實踐和課程設(shè)計等環(huán)節(jié)中能夠根據(jù)不同應(yīng)用場合實現(xiàn)傳感器的合理使用。