非接觸測量電機轉速傳感器綜述

毛 敏

（陜西國防工業職業技術學院，陜西西安，710300）

非接觸測量電機轉速傳感器綜述

毛 敏

（陜西國防工業職業技術學院，陜西西安，710300）

闡述了最新轉速測量傳感器的工作原理、工作過程及設計方法，通過比較各種測速傳感器的特點, 說明了測速傳感器的發展方向。

測速傳感器；單片機；轉速測量

0 引言

在工業生產中，需要對一些產品的速度進行在線測量，例如鋼板在生產線上需要測量其轉速，或者是時刻監控金屬板的轉速，預防生產過程的誤差。

傳統的測量方法是使用接觸式測量，隨著科學技術的發展和產業升級的需求，各種產品的類別越來越復雜，接觸式測量很難對新的產品進行測量。尤其在生產企業中要嚴格控制成本，傳統的測量方法誤差大，很難控制成本。

本文綜述了國內外比較典型的非接觸測量電機轉速的傳感器，并闡述各傳感器的基本原理、設計方法和技術特點。

1 電機測速傳感器

1.1 磁電式測速傳感器

采用磁電感應原理實現測速，測量對象轉動時，轉速傳感器的線圈會產生磁力線，齒輪轉動會切割磁力線，磁路由于磁阻變化，在感應線圈內產生電動勢，磁電式傳感器測量轉速示意圖如圖1所示：

圖1 磁電式傳感器測量轉速

磁電式轉速傳感器的感應電勢產生的電壓大小，和被測對象轉速有關，被測物體的轉速越快輸出的電壓也就越大，輸出電壓和轉速成正比。但是在被測物體的轉速超過磁電式轉速傳感器的測量范圍時，磁路損耗會過大，使得輸出電勢銳減。

當測量對象轉動時，觸發輪與傳感器之間的間隙周期性變化，磁通量也會以同樣的周期變化，從而在線圈中感應出近似正弦波的電壓信號，傳感器的輸出峰值電壓與轉速關系為：

式中, V 為傳感器輸出峰值電壓,V；n 為發動機轉速,r/ s；d 為傳感器與觸發輪間的間隙,mm；K 為與傳感器有關的參數。

1.2 霍爾測速傳感器

金屬或半導體薄片置于磁感應強度為B的磁場中，磁場方向垂直于薄片，當有電流I通過薄片時，在垂直于電流和磁場的方向上將產生電動勢，，為霍爾元件的靈敏度，維持、不變，則。

圖2 霍爾傳感器測量轉速

圖2 為霍爾傳感器測量轉速示意圖。在被測轉速的轉軸上安裝一個齒盤，也可選取機械系統中的一個齒輪，將線性型霍爾器件及磁路系統靠近齒盤。齒盤的轉動使磁路的磁阻隨氣隙的改變而周期性地變化，當齒對準霍爾元件時，磁力線集中穿過霍爾元件，可產生較大的霍爾電動勢，放大、整形后輸出低電平；反之，當齒輪的空擋對準霍爾元件時，磁力線從上下側通過，輸出為高電平。

霍爾器件輸出的微小脈沖信號經隔直、放大、整形，將脈沖信號送入單片機，單片機完成對電機轉速脈沖計數的控制，讀取寄存器完成轉速頻率的確定。電機脈沖信號連接到中斷引腳，中斷對轉速脈沖計數，每到1s讀一次外部中斷計數值，此值即為脈沖信號的頻率。根據下式可計算出電機的轉速，電機轉速計算公式：

其中n為電機轉速，f為電機脈沖信號頻率，z為轉軸旋轉一圈霍爾傳感器產生的脈沖數。

1.3 電渦流測速傳感器

系統中前置器中高頻振蕩電流通過延伸電纜流入探頭線圈，在探頭頭部的線圈中產生交變的磁場。當被測金屬體靠近這一磁場，則在此金屬表面產生感應電流，與此同時該電渦流場也產生一個方向與頭部線圈方向相反的交變磁場，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率μ、電導率δ、金屬體的形狀、表面因素r（粗糙度、溝痕、裂紋等）、電渦流線圈的激勵源頻率?、激勵電流i1以及頭部線圈到金屬導體表面的距離x等參數有關。

通常假定金屬導體材質均勻且是線性的，則線圈和金屬導體系統的物理性質可由金屬導體的電導率δ、磁導率μ、表面因素r、頭部體線圈與金屬導體表面的距離x、電流強度i1和頻率?參數來描述。則線圈特征阻抗可用Z=R+jωL=F(i1,?,μ,δ,r,x)函數來表示。如果控制i1,?,μ,δ,r這幾個參數在一定范圍內不變，則線圈的特征阻抗Z就成為距離x的單值函數，雖然它整個函數是一非線性的，但可以選取它近似為線性的一段。通過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體的距離x的變化轉化成電壓或電流的變化，輸出信號的大小隨探頭到被測體表面之間的間距而變化，根據這一原理實現對金屬物體的位移的測量。

在被測物體旁邊安裝一個電渦流傳感器，當轉軸轉動時，傳感器周期地改變著與旋轉體表面之間的距離，它的輸出電壓也周期性地發生改變，此脈沖電壓信號經放大、變換后，可用單片機完成對電機轉速脈沖的計數，讀取寄存器完成轉速頻率的確定，從而測出轉軸的轉速。若轉軸上開z 個槽(或齒)，頻率f（單位為Hz），則轉軸的轉速n（單位為r/min）的計算公式同（2-2）。

電渦流傳感器轉速測量示意圖如圖3所示：

圖3 電渦流傳感器轉速測量

1.4 光電傳感器測速

電路原理圖如圖4所示：

圖4 光電傳感器測速電路

光源發出的光線經聚焦透鏡2會聚成平行光束，照射到被測旋轉物3上，光線經事先粘貼在旋轉物體上的反光紙4反射回來，經透鏡6聚焦后落在光敏二極管7上。旋轉物體每轉一圈，光敏二極管就產生一個脈沖信號,經放大整形電路得到TTL電平的脈沖信號，單片機完成對電機轉速脈沖的計數，讀取寄存器完成轉速頻率的確定，最后由電機轉速計算公式（2-2）得到轉速。

1.5 線陣CCD傳感器測速

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信息，轉換為按時序串行輸出的電信號。

在被測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螺旋紋，反射率較高；而周邊區域為黑色，基本不反光。光束照射到轉軸表面，反射后成像在CCD感光區，形成一條明亮細窄的條紋，而周邊相對較暗，線陣CCD傳感器測速原理如圖6所示：

圖5 線陣CCD傳感器轉速測量

隨著轉軸的轉動，CCD感光區上的亮紋會水平連續移動，移動范圍為L，CCD可精確記錄亮紋移動位移變化，只要得到已知時間間隔內亮紋位置的變化，即可獲得條紋水平軸向移動的速度，進而轉化為待測軸的轉速，

設轉軸垂直于光軸，成像系統的放大系數為β，轉軸的瞬時轉速為ω（rad/s），轉軸旋轉一圈，暗條紋移動距離為L（m），移動速度為V（m/s），對應像瞬時移動速度為V'（m/s 通過CCD及同步控制電路迅速檢測出條紋微小移動位移及產生此微小位移所需的時間間隔，可得到條紋像的移動速度V'），轉速公式為：

2 性能比較及其發展方向發展

1）磁電式測速傳感器利用電磁感應原理，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系。永磁體對被測鐵磁物的吸力較大，影響被測系統原始狀態。

2）電渦流式測速傳感器是利用在被測物上設置等距標記，如凸齒來測量轉速，結構簡單，體積小，可靠性好。

3）光電式測速傳感器利用擋光盤或反光黑白條紋，以輸出脈沖，選用精確時鐘，測速精度高，制作某種特殊標記線，還可從脈沖形狀上判斷移動或轉動方向，或提供轉軸位置的信號。結構簡單，體積小，測轉速范圍寬。

隨著現今精密制造業的崛起和節省成本的需求，非接觸測速傳感器會慢慢取代現在市場上的接觸式測速傳感器，通過計算機技術與測量技術相結合，對被測物進行自動化、智能化的測量控制，這也是測量技術的一種發展趨勢。

3 結論

本文對當前轉速測量傳感器作了系統的闡述,并對其工作原理、工作過程和設計方法作了論述。本文所介紹的轉速測量傳感器采用新型的信息獲取和處理技術，與傳統的測速傳感器相比，具有非接觸、靈敏度高、分辨率高、響應速度快、抗干擾力強等優點，在工業中應用廣泛。

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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，陜西國防工業職業技術學院，碩士研究生。研究方向：電子信息