小型电动机转速测量电路设计

一、任务提出小型电动机转速测量电路图的设计————这次项目内容重在了解转速测量的诸多方法，原理，以及在测量过程中学习和掌握如何测量转速和我们在数据采集、问题处理方面的能力，通过具体分析，采用一种传感器对电机的转速进行测量并设计电路图。

二、资讯（一）、转速检测的方法及分类转速测量由于传感器的不同大体可分为四种方式：霍尔传感器、光电传感器、电涡流传感器、磁电式传感器等。

（1）、霍尔传感器霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。

霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是霍尔（A.H.Hall，1855—1938）于1879年在研究金属的导电机构时发现的。

后来发现半导体、导电流体等也有这种效应，而半导体的霍尔效应比金属强得多，利用这现象制成的各种霍尔元件，广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。

霍尔效应是研究半导体材料性能的基本方法。

通过霍尔效应实验测定的霍尔系数，能够判断半导体材料的导电类型、载流子浓度及载流子迁移率等重要参数。

原理：在导体薄片两端通以控制电流I，并在薄片的垂直方向施加磁感应强度为B的匀强磁场，则在垂直于电流和磁场的方向上，将产生电势差为U的霍尔电压，这就是霍尔效应。

由于通电导线周围存在磁场，其大小与导线中的电流成正比，故可以利用霍尔元件测量出磁场，就可确定导线电流的大小。

利用这一原理可以设计制成霍尔传感器。

使用霍尔传感器获得脉冲信号，其机械结构也可以做得较为简单，只要在转轴的圆周上粘上一粒磁钢，把霍尔元件集成的开关按预定位置有规律地布置在物体上，当装在运动物体上的永磁体经过它时，可以从测量电路上测得脉冲信号。

根据脉冲信号列可以传感出该运动物体的位移。

若测出单位时间内发出的脉冲数，则可以确定其运动速度。

如果在圆周上粘上多粒磁钢，可以实现旋转一周，获得多个脉冲输出。

在粘磁钢时要注意，霍尔传感器对磁场方向敏感，粘之前可以先手动接近一下传感器，如果没有信号输出，可以换一个方向再试。

这种传感器不怕灰尘、油污，在工业现场应用广泛。

（2）、光电传感器光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。

它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。

光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。

1.概述光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此,光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。

光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把光信号（红外、可见及紫外光辐射）转变成为电信号的器件。

光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。

它可用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等；也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。

光电式传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点，因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应用。

近年来，新的光电器件不断涌现，特别是CCD图像传感器的诞生，为光电传感器的进一步应用开创了新的一页。

2.原理由光通量对光电元件的作用原理不同所制成的光学测控系统是多种多样的,按光电元件(光学测控系统)输出量性质可分二类,即模拟式光电传感器和脉冲(开关)式光电传感器.模拟式光电传感器是将被测量转换光电传感器成连续变化的光电流,它与被测量间呈单值关系.模拟式光电传感器按被测量(检测目标物体)方法可分为透射(吸收)式,漫反射式,遮光式(光束阻档)三大类.所谓透射式是指被测物体放在光路中,恒光源发出的光能量穿过被测物,部份被吸收后,透射光投射到光电元件上;所谓漫反射式是指恒光源发出的光投射到被测物上,再从被测物体表面反射后投射到光电元件上;所谓遮光式是指当光源发出的光通量经被测物光遮其中一部份,使投射刭光电元件上的光通量改变,改变的程度与被测物体在光路位置有关.3.光电传感器的优势①检测距离长如果在对射型中保留10m以上的检测距离等，便能实现其他检测手段（磁性、超声波等）无法离检测。

②对检测物体的限制少由于以检测物体引起的遮光和反射为检测原理，所以不象接近传感器等将检测物体限定在金属，它可对玻璃.塑料.木材.液体等几乎所有物体进行检测。

③响应时间短光本身为高速，并且传感器的电路都由电子零件构成，所以不包含机械性工作时间，响应时间非常短。

④分辨率高能通过高级设计技术使投光光束集中在小光点，或通过构成特殊的受光光学系统，来实现高分辨率。

也可进行微小物体的检测和高精度的位置检测。

⑤可实现非接触的检测可以无须机械性地接触检测物体实现检测，因此不会对检测物体和传感器造成损伤。

因此，传感器能长期使用。

⑥可实现颜色判别通过检测物体形成的光的反射率和吸收率根据被投光的光线波长和检测物体的颜色组合而有所差异。

利用这种性质，可对检测物体的颜色进行检测。

⑦便于调整在投射可视光的类型中，投光光束是眼睛可见的，便于对检测物体的位置进行调整。

（3）、电涡流式传感器1.简介电涡流式传感器（eddy current type transducer），是利用电涡流效应将位移等非电被测参量转换为线圈的电感或阻抗变化的变磁阻式传感器。

这种传感器的优点是结构简单、频率响应宽、灵敏度高、测量线性范围大、抗干扰能力强、体积小等。

它是一种很有发展前途的传感器。

电涡流传感器的敏感元件是线圈，当给线圈通以交变电流并使它接近金属导体时，线圈产生的磁场就会被导体电涡流产生的磁场部分抵消，使线圈的电感量、阻抗和品质因数发生变化。

这种变化与导体的几何尺寸、导电率、导磁率有关，也与线圈的几何参量、电流的频率和线圈到被测导体间的距离有关。

如果使上述参量中的某一个变动，其余皆不变，就可制成各种用途的传感器，能对表面为金属导体的物体进行多种物理量的非接触测量。

2.工作原理电涡流效应是指金属导体置于交变磁场中会产生电涡流，且该电涡流所产生磁场的方向与原磁场方向相反的一种物理现象。

以下是工作原理图和介绍：如图所示，当高频500K左右，信号源产生的高频电压施加到一个靠近金属导体附近的电感线圈L1时，将产生高频磁场H1，如被测导体置于该交变磁场范围之内时，被测导体就产生电涡流I2，I2在金属导体的纵深方向并不是均匀分布的，而只集中在金属导体的表面，也就是所谓为的趋肤效应，趋肤效应与激励源频率，工件的电导率，磁导率等有关，频率越高，电涡流的渗透深度就越浅，趋肤效应越严重，由于存在趋肤效应，电涡流只能检测导体表面的各种物理参数，如线圈与导体表面的距离，导体表面的裂纹或者用来检测与材料磁导率，有关的材料型号表面，硬度等参数。

根据以往英国真尚有电涡流传感器设计工程师介绍，改变f可控制检测深度，激励源频率一般设定在100K-1M,有时为了使电涡流深入金属导体深处，或欲对距离较远的金属体进行检测，可采用十几千赫兹甚至几百赫兹的激励频率，当图示的电涡流线圈与导体的距离，减小时，电涡流线圈的等效电感L减小，等效电阻R增大，理论和实验都证明，此时流过线圈的电流i1是增大的,电表的读数增大指针顺时针偏转,这是因为线圈的感抗XL的变化比R的变化大得多。

电涡流式传感器是利用电涡流效应将位移等非电被测参量转换为线圈的电感或阻抗变化的变磁阻式传感器。

这种传感器的优点是结构简单、频率响应宽、灵敏度高、测量线性范围大、抗干扰能力强、体积小等。

它是一种很有发展前途的传感器。

3.优势1.高分辨率和高采样率；2.可自行调整零位、增益和线性；3.可选择延长电缆、温度补偿等功能；4.可测铁磁和非铁磁所有金属材料；5.具有多传感器同步功能；6.不受潮湿、灰尘的影响，对环境要求低。

（4）、磁电式传感器1.简介磁电式传感器利用电磁感应原理将输入运动速度变换成感应电势输出，是一种有源传感器。

它不需要辅助电源，就能把被测对象的机械能转换成易于测量的电信号。

并且，它具有双向转换特性，利用其逆转换效应可构成力(矩)发生器和电磁激振器等。

有时磁电式传感器也称作电动式或感应式传感器，它只适合进行动态测量。

由于它有较大的输出功率，故配用电路较简单；零位及性能稳定；工作频带一般为10～1000Hz。

2.工作原理磁电式传感器有时也称作电动式或感应式传感器，它只适合进行动态测量。

由于它有较大的输出功率，故配用电路较简单；零位及性能稳定；工作频带一般为10～1000Hz。

磁电式传感器具有双向转换特性，利用其逆转换效应可构成力(矩)发生器和电磁激振器等。

根据这一原理，可以设计成变磁通式和恒磁通式两种结构型式，构成测量线速度或角速度的磁电式传感器。

下图所示为分别用于旋转角速度及振动速度测量的变磁通式结构。

三、决策（1）霍尔传感器的优势霍尔传感器的应用优势主要有三个，1、霍尔传感器的输出信号不会受到转速值的影响；2、霍尔传感器的频率相应高；3、霍尔传感器对电磁波的抗干扰能力强。

因此霍尔传感器多应用在控制系统的转速检测中。

同时，霍尔传感器的稳定性好，抗外界干扰能力强，如抗错误的干扰信号等，因此不易因环境的因素而产生误差。

霍尔传感器的测量频率范围宽，远远高于电磁感应式无源传感器。

另外，霍尔传感器在防护措施有效的情况下，可以不受电子、电气环境影响。

霍尔传感器的，测量结果精确稳定，输出信号可靠，可以放油、防潮，并且能在温度较高的环境中工作，普通霍尔传感器的工作温度可以达到100℃。

霍尔传感器的安装简单，使用方便，能实现远距离传输。

（2）最终决策霍尔效应传感器提供给ECU指定活塞的压缩上止点（TDC）位置信号。

霍尔效应传感器使用霍尔效应原理，触发轮随凸轮轴一起转动，触发轮在霍尔效应的集成电路和永久磁铁之间，永久磁铁产生垂直于霍尔元件的磁场。

在垂直磁场的方向提供电流，如果其中一个触发轮的齿通过传感器元件（半导体晶片），它改变了垂直于霍尔元件的磁场强度，这将使电压下驱动的电子向垂直于电流的方向偏离，从而在与电流、磁场均垂直的方向产生豪伏（mV）级电压信号。

信号电压的幅值与触发轮的转速有关。

与传感器霍尔集成电路制成一体的计算电路对信号进行处理并以方波信号输出给ECU。

差动式霍尔效应传感器如差动传感器一样有两个霍尔元件。

这些元件相互弥补，获得的电压信号与测量点的磁场差异成正比。

这种形式的传感器需要双轨迹的孔盘或双轨迹的触发轮。

这种传感器不与被测电路发生电接触，不影响被测电路，不消耗被测电源的功率，特别适合于大电流传感。

这种传感器不怕灰尘、油污，在工业现场应用广泛，常用于精度要求较高的场合，它的另一个优点是温度补偿特性较好。

光电传感器的设计精密、应用方便，使用范围广泛。

光电转速传感器的优点很多，例如结构紧凑、运行稳定、不会对被测量轴形成额外负载。

光电式传感器具有非接触、响应快、精度高、性能可靠等特点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样。