一種便攜式角速度傳感器

朱國斌, 趙 浩

(1.嘉興南洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 浙江 嘉興 314001; 2.嘉興學(xué)院 南湖學(xué)院, 浙江 嘉興 314001)

1 引 言

角速度是旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)或傳動裝置進行狀態(tài)監(jiān)測的重要參數(shù)。旋轉(zhuǎn)設(shè)備產(chǎn)生故障或者受到外界環(huán)境影響時,會以角速度變化的形式體現(xiàn)出來。因此,關(guān)于角速度的實時監(jiān)測具有重要的實際工程應(yīng)用價值,已經(jīng)廣泛應(yīng)用于軍事、航天、汽車電子等多個領(lǐng)域[1～5]。角速度測量可以分為直接測量和間接測量,間接測量是通過角位移傳感器獲取角度信息,再經(jīng)過微分處理獲得角速度值[6～7],但會造成時間延遲和噪聲放大等不易解決的問題,因此,如何直接獲取角速度值就顯得尤為重要。文獻[8]研制了一種電磁感應(yīng)式角速度傳感器,除了采用零相位檢測技術(shù)外,還利用磁感應(yīng)線圈對旋轉(zhuǎn)磁場的反饋原理,同時測量低轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速工況下的角速率;文獻[9～11]對一種磁流體角速率傳感器(MHD ARS)進行了研究,通過有限元仿真進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化,分析了MFI效應(yīng)對傳感器的影響,以及對傳感器誤差的評估方法;文獻[12]設(shè)計了一種環(huán)形諧振腔式角速度傳感器,討論了彈性波慣性作用下微機械陀螺環(huán)形諧振腔振動的動力學(xué)和控制問題,提出了一種以微分方程形式建立物理振動包絡(luò)模型的方法,為直接測量閉環(huán)陀螺儀的性能研究提供了支撐;文獻[13]給出了一種實用的陀螺轉(zhuǎn)輪全工作范圍角速度估計方法,角速度可以通過陀螺轉(zhuǎn)輪的測量值(包括傾角、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩線圈電流)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和偏差來確定。

本文提出一種基于霍爾效應(yīng)的便攜式角速度傳感器[14],可以直接測量被測旋轉(zhuǎn)機械的角速度,使用時只需要將被測轉(zhuǎn)軸夾緊即可,無需其他機械部件,具有較強的實用性;此外,本文設(shè)計的角速度傳感器無旋轉(zhuǎn)部件,不會對原有旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量產(chǎn)生影響,能夠無失真地傳遞被測旋轉(zhuǎn)機械的角速度,具有較好的動態(tài)響應(yīng)特性。

2 便攜式角速度傳感器的設(shè)計

2.1 機械結(jié)構(gòu)

設(shè)計的便攜式角速度傳感器,其機械結(jié)構(gòu)如圖1所示,包括上支架1、上鐵心組件2、上霍爾組件3、上磁鋼組件4、下支架5、下鐵心組件6、下霍爾組件7、下磁鋼組件8、軸承9和鉚釘10。

圖1 傳感器機械結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Sensor mechanical structure

其中上支架1內(nèi)側(cè)有鐵心槽、擋板、安裝孔和手柄;上鐵心組件2固定在上支架1的鐵心槽中,且上鐵心組件2的各分體之間設(shè)有夾槽;上磁鋼組件4和上霍爾組件3固定在上鐵心組件2各分體之間的夾槽中,且為交替式排列;上支架1的擋板處設(shè)有軸承孔,軸承9嵌裝在擋板的軸承孔中;下支架5和上支架1為對稱結(jié)構(gòu),下鐵心組件6、下霍爾組件7和下磁鋼組件8,按照對應(yīng)的順序,固定在下支架5的內(nèi)側(cè)。

鉚釘10依次穿過上支架1和下支架5的安裝孔后固定,并通過彈簧分別與上支架1的手柄處和下支架5的手柄處壓緊,使得上支架1和下支架5組裝在一起可以實現(xiàn)夾子的功能。

2.2 工作原理

傳感器工作時,將傳感器與被測轉(zhuǎn)軸夾緊,轉(zhuǎn)軸為鐵磁材料,通過上、下支架擋板處的軸承建立被測轉(zhuǎn)軸與測速發(fā)電機之間的空氣隙。同時將傳感器的4片霍爾元件的控制端串聯(lián),并通入工作電流。

被測轉(zhuǎn)軸靜止時,上、下磁鋼各組件形成的磁場分布情況如圖2所示,磁力線分別從各磁鋼的N極出發(fā),經(jīng)由對應(yīng)的鐵心組件、空氣隙和被測轉(zhuǎn)軸后,回到各磁鋼的S極形成閉合回路。根據(jù)磁路的歐姆定律可得永磁磁鋼產(chǎn)生的磁通量為:

(1)

式中:Fp為永磁磁鋼的磁通勢;Rmp為永磁磁鋼產(chǎn)生的磁通經(jīng)過磁路的磁阻。

圖2 轉(zhuǎn)軸靜止時傳感器的磁場分布情況Fig.2 Off-line magnetic field distribution of the sensor

此時磁鋼組件形成的磁通量Φp與4片霍爾元件均無匝鏈,因此4片霍爾元件無霍爾電勢輸出。

被測轉(zhuǎn)軸順時針轉(zhuǎn)動時,傳感器的工作原理如圖3所示,被測轉(zhuǎn)軸的表面可以看做是多根導(dǎo)條,順時針切割上、下磁鋼組件形成的磁通量Φp,產(chǎn)生如圖3所示的切割電動勢。假設(shè)被測轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速為n,則根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律得到感應(yīng)電動勢:

eR=CeΦpn

(2)

式中:Ce為與測速發(fā)電機結(jié)構(gòu)相關(guān)的常數(shù)。感應(yīng)電動勢的方向可以通過右手定則來判斷。

圖3 轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時傳感器的工作原理圖Fig.3 Working principle of the sensor

根據(jù)歐姆定律,被測轉(zhuǎn)軸的表面將產(chǎn)生電流,電流產(chǎn)生的磁場分布情況如圖3所示,其方向根據(jù)右手螺旋定則判斷,且電流為:

(3)

式中:rR為被測轉(zhuǎn)軸表面的等效電阻。同時電流產(chǎn)生磁通量,也可以根據(jù)磁路的歐姆定律得到:

(4)

式中:NR為被測轉(zhuǎn)軸表面的等效有效匝數(shù);RmR為被測轉(zhuǎn)軸表面電流產(chǎn)生的磁通經(jīng)過磁路的磁阻。

此時被測轉(zhuǎn)軸表面電流產(chǎn)生的磁場與4片霍爾元件分別匝鏈,則霍爾元件分別輸出相應(yīng)的霍爾電勢。根據(jù)霍爾效應(yīng)可知,霍爾元件產(chǎn)生的霍爾電勢為:

EH=KHIΦR

(5)

式中:KH為與霍爾元件結(jié)構(gòu)和性質(zhì)相關(guān)的常數(shù),I為霍爾元件的控制電流。

聯(lián)立式(1)～式(5),可得:

(6)

根據(jù)式(6)可知,本文設(shè)計的便攜式角速度傳感器,能夠直接將被測轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的電信號輸出。若霍爾元件的控制電流為直流電,則傳感器輸出與轉(zhuǎn)速成正比的直流霍爾電勢;若霍爾元件的控制電流為交流電,則傳感器輸出幅值與轉(zhuǎn)速成正比的交流霍爾電勢,且頻率與霍爾元件控制電流的頻率相同。

3 主要特性參數(shù)測定

傳感器的輸出特性描述了被測物理量與輸出電量之間的關(guān)系,其中靈敏度和線性度為主要特征參數(shù)。

3.1 實驗系統(tǒng)

為了得到傳感器的主要特征參數(shù),采用如圖4所示的系統(tǒng)進行測定,系統(tǒng)主要包括三相異步電動機(用于產(chǎn)生角速度激勵)、磁粉制動器(機械負(fù)載)、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量儀(測量系統(tǒng)的角速度值)、三相可調(diào)電源、直流穩(wěn)壓電源和角速度傳感器。

圖4 傳感器特性測定實驗系統(tǒng)Fig.4 Sensor characteristics measurement system

系統(tǒng)工作時,三相異步電動機、磁粉制動器和轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量儀(型號:TH4803;轉(zhuǎn)速量程:0～8 000 r/min;精度等級:0.5)同軸相連,角速度傳感器與連接軸夾緊。角速度傳感器的霍爾元件控制端與直流穩(wěn)壓電源連接。

3.2 實驗結(jié)果

三相可調(diào)電源與異步電動機接線端子連接,通過調(diào)節(jié)磁粉制動器可以改變異步電動機的負(fù)載,繼而改變系統(tǒng)的角速度;通過轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量儀記錄系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速,再折算成旋轉(zhuǎn)角速度;同時記錄此時便攜式角速度傳感器的輸出電壓,得到的傳感器特性測定實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 傳感器特性測定實驗數(shù)據(jù)Tab.1 Experimental data of sensor characteristics

對表1的實驗數(shù)據(jù)進行線性擬合,得到傳感器的靈敏度約為16.8 mV·s/rad;傳感器的線性誤差定義為:

(7)

式中:ΔRmax是指校準(zhǔn)曲線與擬合曲線間的最大偏差;YFS是指傳感器的最大輸出電壓。根據(jù)式(7)和實驗數(shù)據(jù)可得本文設(shè)計的傳感器的線性誤差約為1.24%。

3.3 實驗結(jié)果分析

由實驗結(jié)果可知,傳感器輸出的電壓值與被測角速度成正比,且根據(jù)傳感器的工作原理可知,永磁磁鋼產(chǎn)生的磁場的強弱、線圈的相關(guān)結(jié)構(gòu)常數(shù)以及霍爾傳感器的靈敏度常數(shù)共同決定了角速度傳感器的靈敏度。

此外,傳感器特性存在線性誤差,其原因是在特性推導(dǎo)過程中,設(shè)定被測轉(zhuǎn)軸表面的電流與其產(chǎn)生的磁通量成正比,但實際由于磁化過程的非線性,電流產(chǎn)生的磁通與電流值無法嚴(yán)格成正比,最終對傳感器輸出特性的線性度造成影響。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計了一種便攜式角速度傳感器,詳細(xì)闡述了傳感器的機械結(jié)構(gòu)和工作機理,對其輸出特性進行了測定,得到了相應(yīng)的指標(biāo)。本文設(shè)計的便攜式角速度傳感器安裝方便,占用空間小,使用時只需將被測轉(zhuǎn)軸夾緊即可;此外,傳感器結(jié)構(gòu)簡單,無旋轉(zhuǎn)部件,不會對原有旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量產(chǎn)生影響,具有較好的動態(tài)響應(yīng)特性,且輸出特性的線性度良好。