機械傳動試驗臺的轉速傳感器研究

劉杰 史書全 方云峰

摘 要：本文將對機械傳動試驗臺的結構和各種轉速傳感器進行分析，分析各種轉速傳感器是否適合應用于這種試驗臺測量機械傳動性能和各自的特點。

關鍵詞：轉速；傳感器；機械傳動；傳動性能

機械傳動在機械工程中應用非常廣泛，對其研究具有重要意義，而衡量機械傳動性能的有轉速、扭矩、功率、效率等參數。 這些參數之間又有相互關系，所以一般機械傳動試驗臺在測量機械傳動性能時，只需測量轉矩、轉速這兩個參數即可，其他參數可由這兩個參數推導得到。本文主要研究在該裝置中測轉速的方法和相應的傳感器。

一般的機械傳動試驗臺的結構如圖1：

圖1 傳動試驗臺的基本結構

由圖1可知：被測的傳動機構，在輸入端有驅動裝置，在輸出端有加載裝置，而輸入端輸出端的測量裝置分別在它們之間。驅動裝置提供動力，加載裝置模擬載荷。測量裝置即是各種傳感器，采集參數。根據這個結構，選擇傳感器時需要注意幾點：傳感器實際測量的是傳動裝置兩端的輸入軸和輸出軸的轉速，在被測裝置兩端可以是驅動或加載裝置也可以是測量裝置，為了減少傳動中的摩擦，傳動軸需要水平安裝。現在，再分析轉速傳感器，是否適合這些要求。

轉速傳感器是將旋轉物體的轉速轉換為電量輸出的傳感器。按其物理特性大致可以分為以下幾種：光電式、電容式、變磁阻式、霍爾式等。

光電式轉速傳感器，主要是通過將光線的發射與被測物體的轉動相關聯，再以光敏元件對光線的進行感應來完成的。按其工作方式又分為透射式光電轉速傳感器和反射式光電轉速傳感器兩種。透射式設有讀數盤和測量盤，兩者之間存在著間隔相同的縫隙。在測量轉速時，測量盤會隨著轉動軸轉動，光線隨測量盤轉動不斷經過各條縫隙投射到光敏元件上，隨著光線的明暗變化，光敏元件輸出電流脈沖信號，就可以獲得轉速。反射式的光源透過透鏡和半透膜入射到轉動軸上，當被測轉軸轉動時，在轉動軸上設定的反射記號對光線的反射率就會發生變化，傳感器內部的光敏元件就會有脈沖信號輸出，就可得到轉速了。

電容式轉速傳感器，主要通過電容的改變與被測物體的轉動相關聯，測量電容的改變量來完成。根據變化的物理量又分為面積變化型和介質變化型兩種。前者是由兩塊固定金屬板和與轉動軸相連的可動金屬板構成。可動金屬板處于電容量最大的位置，當轉動軸旋轉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速。后者是在電容器的兩個固定電極板之間嵌入一塊高介電常數的可動板而構成的。可動介質板與轉動軸相連，隨著轉動軸的旋轉，電容器板間的介電常數發生周期性變化而引起電容量的周期性變化，其速率等于轉動軸的轉速。

變磁阻式轉速傳感器，多采用的是電感式轉速傳感器，通過磁通的變化產生感應電勢，其電勢大小取決于磁通變化的速率，從而求出轉速。按結構不同又分為開磁路式和閉磁路式兩種。開磁路式由永磁鐵、感應線圈，隨轉動軸轉動的齒輪組成，閉磁路式由裝在轉軸上的外齒輪、內齒輪、線圈和永久磁鐵組成。兩者都是利用齒輪有齒頂和齒底的結構，在旋轉時，兩者間隙會變，從而引起磁阻的變化，在線圈中產生感應電動勢。測出電勢大小便測出轉速。

霍爾轉速傳感器，主要工作原理是霍爾效應，當轉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速值。應用比較廣泛的是讓齒輪信號盤隨轉動軸轉動，在信號盤垂直方向有霍爾元件，霍爾元件通有電流，并置于磁場中，在霍爾元件兩側測其霍爾電壓，從而測出轉速。也可在軸上安放不同介質的磁鐵材料代替信號齒輪。

上面對各種傳感器的原理、結構進行了分析，現在再分析他們的特點。由于他們應用的物理特性不一樣，就決定了他們的差異。光電式，光源經特殊調制，有極強的抗干擾性，采用光纖封裝，可于測量微小的物體，特別是微小旋轉體的測量，特別適用于高精密、小元件的機械設備測量。電容式，其電容值一般與電極材料無關，僅取決于電極的幾何尺寸，且空氣等介質損耗很小，穩定性好，動態響應好，但同時受制于尺寸，輸出阻抗高，負載能力差。磁電式轉，其工作方式決定了它有很強的抗干擾性，輸出的信號強，測量范圍廣，工作維護成本較低，運行過程無需供電，完全是靠磁電感應來實現測量。霍爾式，穩定性好，測量頻率范圍寬，抗外界干擾能力強，測量結果精確穩定，輸出信號可靠，不會受到轉速值的影響。

再分析他們的安裝方式。大致可以分成兩種，一種是需要信號回轉體隨被測軸轉動，一種是把信號元件安裝在被測軸的表面上。前者如果安裝在軸兩端，可直接接入傳感器，但本試驗臺明顯不可能，需要在軸中間，這時就需要在軸中間安裝信號盤或者在傳感器兩端通過聯軸器接入被測軸，這種安裝方式會對被測軸施加額外載荷，但選擇合適的傳感器，影響很小，可以忽略，而后者只需在被測軸安裝一個很小的信號片或記號就行，對軸的影響可忽略，傳感器在軸的旁邊實現非接觸測量，但外界干擾就增大了，對抗干擾的能力要求就提高。

本文先對機械傳動試驗臺結構進行了分析，再對各種轉速傳感器工作原理，結構，特點、安裝方式進行了分析，為在機械傳動試驗臺設計時，選擇合適的轉速傳感器提供參考。

參考文獻：

[1]王雪雁，黃小龍.機械傳動試驗臺的研制與應用[J].實驗技術與管理，2004

[2]成都通達恒力科技有限公司 ZJS系列綜合型機械設計試驗臺使用說明書[Z]，2004

[3]張巖.傳感器應用技術[M].福建科學技術出版社，2006.1.1

[4]郭愛芳，王恒迪.傳感器原理及應用[M]西安電子科技大學出版社，2007

[5]趙樹磊，寫吉華.基于霍爾傳感器的電機測速裝置[J].江蘇電器，2008

作者簡介：劉杰（1992—），男，漢族，新疆烏魯木齊市人，工學學士，單位：成都理工大學機械工程及其自動化專業，研究方向：機械設計制造及自動化。