测量转速的三种传感器输出性能的研究

2022-11-03杨亮亮

大学物理实验 2022年4期

杨亮亮,李婧

(盐城师范学院物理与电子工程学院，江苏盐城 224007)

近年来，随着工业自动化程度的不断提高，发动机、机床主轴等旋转设备对齿轮转速的测量提出了越来越高的要求。转速不单是发动机一个简单的工作参数，还是自动控制系统中其它参数计算的依据和正确基准。对于转速的测量多采用非接触式测量方式，目前广泛使用的方法有电涡流、光电、霍尔传感器等。

本文针对转速这一参数，基于CSY2001B传感器综合实验箱，选取电涡流、光电、霍尔三种传感器进行了实验测试[1-5]。利用MATLAB软件进行输入输出参数的实测曲线描绘[6-8]，并计算了工作在不同量程范围时三种传感器的线性度和灵敏度。通过实际操作，锻炼了学生理论和实践结合的能力、分析和解决问题的能力，为以后从事相关领域的工作和研究奠定基础。

1 传感器的静态特性指标

实际使用时，通常根据实测要求和传感器的特性指标来选择合适的传感器。线性度和灵敏度是传感器最受关注的两个特性指标。

1.1 线性度

线性度，又称非线性误差，如图1所示，是指传感器的输出量与输入量之间的实际特性曲线偏离拟合直线的程度[9]。线性度一般采用相对误差的形式表示，即：

图1 传感器的输入输出特性曲线

(1)

式中Δmax为传感器的实际曲线与拟合直线之间的最大偏差，YFS表示满量程输出值。

从公式(1)中可以看出，线性度的大小与拟合直线有关，拟合直线的不同会导致最大偏差Δmax不同。拟合直线可以选择端点连接拟合、切线拟合、最小二乘法拟合等等。

1.2 灵敏度

灵敏度是传感器在稳态下输出增量与输入增量的比值。对于非线性传感器，灵敏度是一个变量，通常表示某一工作点的灵敏度。对于线性传感器，灵敏度为静态输出特性曲线的斜率，即

(2)

式中Δy为传感器对应输入增量Δx的输出增量。

2 实验测量

2.1 电涡流传感器

电涡流传感器是基于电涡流效应的原理工作的，由平面线圈和被测物体(金属涡流片)组成。实验操作时，将电涡流传感器的探头(线圈面)安装在电机叶片之上，并尽量靠近叶片，以不碰擦为标准，线圈面与叶片保持平行。当电涡流线圈与金属涡流片的位置周期性地接近或脱离时，电涡流传感器的输出信号也转换为相同周期的脉冲信号。利用频率表即可测得电机频率f，由于有两个叶片，所以，转速n=60f/2=30f。改变控制电压，叶片以不同速度转动，整理得到电压和转速的数据如表1所示。

表1 电涡流传感器测量转速的实验数据

2.2 光电传感器

实验箱中的光电转速传感器采用透射型的结构，传感器端部内侧分别安装有发光管和光电管，发光管发出的光透过转盘上的通孔后由光电管接收，再转换为电信号。由于转盘上有均匀间隔分布的6个孔，转动时将获得与转速有关的脉冲数，脉冲经处理后记录频率f，整理得到转速n=60f/6=10f。数据如表2所示。

表2 光电传感器测量转速的实验数据

2.3 霍尔传感器

霍尔传感器是一种磁敏传感器，是基于霍尔效应原理工作的。测量转速时一般采用开关式霍尔传感器。霍尔元件的输出信号经放大器放大，再经施密特电路整形成矩形波(开关信号)输出。被测圆盘上装有6只磁性体，圆盘每转一周磁场变化6次，霍尔传感器就同频率f相应变化输出。经频率表读得f，即可得到转速n=10f。记录实验数据如表3所示。

表3 霍尔式传感器测量转速的实验数据

3 数据处理与分析

根据上述的实际测量数据，分别以电压和转速为横纵坐标，得到实测数据曲线如图2(a)所示，转速在300～4 500之间。基于最小二乘法拟合直线，计算得到三种传感器满量程工作时的线性度和灵敏度如表4所示。当转速比较小时，例如2 250 r/min半量程范围以内，实测数据曲线和拟合直线如图2(b)所示，此时传感器的线性度和灵敏度如表5所示。

电压/V

从图2和表4、5中可以看到，无论是大量程还是小量程测量，霍尔传感器的线性度都是最好的，电涡流传感器的灵敏度都是最高的。通常转速测量时，对于灵敏度的要求要高一些。对比表4和表5可以看到，当传感器工作在不同量程范围时，电涡流传感器的灵敏度差异最大，为12.58；霍尔传感器的灵敏度差异最小，仅有0.27。