機(jī)械傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的轉(zhuǎn)速傳感器研究

劉杰 史書全 方云峰

摘 要：本文將對(duì)機(jī)械傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)和各種轉(zhuǎn)速傳感器進(jìn)行分析，分析各種轉(zhuǎn)速傳感器是否適合應(yīng)用于這種試驗(yàn)臺(tái)測(cè)量機(jī)械傳動(dòng)性能和各自的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)速；傳感器；機(jī)械傳動(dòng)；傳動(dòng)性能

機(jī)械傳動(dòng)在機(jī)械工程中應(yīng)用非常廣泛，對(duì)其研究具有重要意義，而衡量機(jī)械傳動(dòng)性能的有轉(zhuǎn)速、扭矩、功率、效率等參數(shù)。 這些參數(shù)之間又有相互關(guān)系，所以一般機(jī)械傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)在測(cè)量機(jī)械傳動(dòng)性能時(shí)，只需測(cè)量轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速這兩個(gè)參數(shù)即可，其他參數(shù)可由這兩個(gè)參數(shù)推導(dǎo)得到。本文主要研究在該裝置中測(cè)轉(zhuǎn)速的方法和相應(yīng)的傳感器。

一般的機(jī)械傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)如圖1：

圖1 傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的基本結(jié)構(gòu)

由圖1可知：被測(cè)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，在輸入端有驅(qū)動(dòng)裝置，在輸出端有加載裝置，而輸入端輸出端的測(cè)量裝置分別在它們之間。驅(qū)動(dòng)裝置提供動(dòng)力，加載裝置模擬載荷。測(cè)量裝置即是各種傳感器，采集參數(shù)。根據(jù)這個(gè)結(jié)構(gòu)，選擇傳感器時(shí)需要注意幾點(diǎn)：傳感器實(shí)際測(cè)量的是傳動(dòng)裝置兩端的輸入軸和輸出軸的轉(zhuǎn)速，在被測(cè)裝置兩端可以是驅(qū)動(dòng)或加載裝置也可以是測(cè)量裝置，為了減少傳動(dòng)中的摩擦，傳動(dòng)軸需要水平安裝?，F(xiàn)在，再分析轉(zhuǎn)速傳感器，是否適合這些要求。

轉(zhuǎn)速傳感器是將旋轉(zhuǎn)物體的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速傳感器，主要是通過(guò)將光線的發(fā)射與被測(cè)物體的轉(zhuǎn)動(dòng)相關(guān)聯(lián)，再以光敏元件對(duì)光線的進(jìn)行感應(yīng)來(lái)完成的。按其工作方式又分為透射式光電轉(zhuǎn)速傳感器和反射式光電轉(zhuǎn)速傳感器兩種。透射式設(shè)有讀數(shù)盤和測(cè)量盤，兩者之間存在著間隔相同的縫隙。在測(cè)量轉(zhuǎn)速時(shí)，測(cè)量盤會(huì)隨著轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，光線隨測(cè)量盤轉(zhuǎn)動(dòng)不斷經(jīng)過(guò)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(hào)，就可以獲得轉(zhuǎn)速。反射式的光源透過(guò)透鏡和半透膜入射到轉(zhuǎn)動(dòng)軸上，當(dāng)被測(cè)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在轉(zhuǎn)動(dòng)軸上設(shè)定的反射記號(hào)對(duì)光線的反射率就會(huì)發(fā)生變化，傳感器內(nèi)部的光敏元件就會(huì)有脈沖信號(hào)輸出，就可得到轉(zhuǎn)速了。

電容式轉(zhuǎn)速傳感器，主要通過(guò)電容的改變與被測(cè)物體的轉(zhuǎn)動(dòng)相關(guān)聯(lián)，測(cè)量電容的改變量來(lái)完成。根據(jù)變化的物理量又分為面積變化型和介質(zhì)變化型兩種。前者是由兩塊固定金屬板和與轉(zhuǎn)動(dòng)軸相連的可動(dòng)金屬板構(gòu)成。可動(dòng)金屬板處于電容量最大的位置，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)180°時(shí)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。后者是在電容器的兩個(gè)固定電極板之間嵌入一塊高介電常數(shù)的可動(dòng)板而構(gòu)成的?？蓜?dòng)介質(zhì)板與轉(zhuǎn)動(dòng)軸相連，隨著轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)軸的轉(zhuǎn)速。

變磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器，多采用的是電感式轉(zhuǎn)速傳感器，通過(guò)磁通的變化產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，其電勢(shì)大小取決于磁通變化的速率，從而求出轉(zhuǎn)速。按結(jié)構(gòu)不同又分為開(kāi)磁路式和閉磁路式兩種。開(kāi)磁路式由永磁鐵、感應(yīng)線圈，隨轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的齒輪組成，閉磁路式由裝在轉(zhuǎn)軸上的外齒輪、內(nèi)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(jié)構(gòu)，在旋轉(zhuǎn)時(shí)，兩者間隙會(huì)變，從而引起磁阻的變化，在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。測(cè)出電勢(shì)大小便測(cè)出轉(zhuǎn)速。

霍爾轉(zhuǎn)速傳感器，主要工作原理是霍爾效應(yīng)，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)的金屬部件通過(guò)霍爾傳感器的磁場(chǎng)時(shí)會(huì)引起電勢(shì)的變化，通過(guò)對(duì)電勢(shì)的測(cè)量就可以得到被測(cè)量對(duì)象的轉(zhuǎn)速值。應(yīng)用比較廣泛的是讓齒輪信號(hào)盤隨轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，在信號(hào)盤垂直方向有霍爾元件，霍爾元件通有電流，并置于磁場(chǎng)中，在霍爾元件兩側(cè)測(cè)其霍爾電壓，從而測(cè)出轉(zhuǎn)速。也可在軸上安放不同介質(zhì)的磁鐵材料代替信號(hào)齒輪。

上面對(duì)各種傳感器的原理、結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，現(xiàn)在再分析他們的特點(diǎn)。由于他們應(yīng)用的物理特性不一樣，就決定了他們的差異。光電式，光源經(jīng)特殊調(diào)制，有極強(qiáng)的抗干擾性，采用光纖封裝，可于測(cè)量微小的物體，特別是微小旋轉(zhuǎn)體的測(cè)量，特別適用于高精密、小元件的機(jī)械設(shè)備測(cè)量。電容式，其電容值一般與電極材料無(wú)關(guān)，僅取決于電極的幾何尺寸，且空氣等介質(zhì)損耗很小，穩(wěn)定性好，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，但同時(shí)受制于尺寸，輸出阻抗高，負(fù)載能力差。磁電式轉(zhuǎn)，其工作方式?jīng)Q定了它有很強(qiáng)的抗干擾性，輸出的信號(hào)強(qiáng)，測(cè)量范圍廣，工作維護(hù)成本較低，運(yùn)行過(guò)程無(wú)需供電，完全是靠磁電感應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量?；魻柺?，穩(wěn)定性好，測(cè)量頻率范圍寬，抗外界干擾能力強(qiáng)，測(cè)量結(jié)果精確穩(wěn)定，輸出信號(hào)可靠，不會(huì)受到轉(zhuǎn)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(hào)回轉(zhuǎn)體隨被測(cè)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，一種是把信號(hào)元件安裝在被測(cè)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(yàn)臺(tái)明顯不可能，需要在軸中間，這時(shí)就需要在軸中間安裝信號(hào)盤或者在傳感器兩端通過(guò)聯(lián)軸器接入被測(cè)軸，這種安裝方式會(huì)對(duì)被測(cè)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(cè)軸安裝一個(gè)很小的信號(hào)片或記號(hào)就行，對(duì)軸的影響可忽略，傳感器在軸的旁邊實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，但外界干擾就增大了，對(duì)抗干擾的能力要求就提高。

本文先對(duì)機(jī)械傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，再對(duì)各種轉(zhuǎn)速傳感器工作原理，結(jié)構(gòu)，特點(diǎn)、安裝方式進(jìn)行了分析，為在機(jī)械傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)，選擇合適的轉(zhuǎn)速傳感器提供參考。

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作者簡(jiǎn)介：劉杰（1992—），男，漢族，新疆烏魯木齊市人，工學(xué)學(xué)士，單位：成都理工大學(xué)機(jī)械工程及其自動(dòng)化專業(yè)，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化。