楊亮亮,李 婧

(鹽城師范學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224007)

近年來，隨著工業(yè)自動化程度的不斷提高，發(fā)動機(jī)、機(jī)床主軸等旋轉(zhuǎn)設(shè)備對齒輪轉(zhuǎn)速的測量提出了越來越高的要求。轉(zhuǎn)速不單是發(fā)動機(jī)一個簡單的工作參數(shù)，還是自動控制系統(tǒng)中其它參數(shù)計(jì)算的依據(jù)和正確基準(zhǔn)。對于轉(zhuǎn)速的測量多采用非接觸式測量方式，目前廣泛使用的方法有電渦流、光電、霍爾傳感器等。

本文針對轉(zhuǎn)速這一參數(shù)，基于CSY2001B傳感器綜合實(shí)驗(yàn)箱，選取電渦流、光電、霍爾三種傳感器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試[1-5]。利用MATLAB軟件進(jìn)行輸入輸出參數(shù)的實(shí)測曲線描繪[6-8]，并計(jì)算了工作在不同量程范圍時三種傳感器的線性度和靈敏度。通過實(shí)際操作，鍛煉了學(xué)生理論和實(shí)踐結(jié)合的能力、分析和解決問題的能力，為以后從事相關(guān)領(lǐng)域的工作和研究奠定基礎(chǔ)。

1 傳感器的靜態(tài)特性指標(biāo)

實(shí)際使用時，通常根據(jù)實(shí)測要求和傳感器的特性指標(biāo)來選擇合適的傳感器。線性度和靈敏度是傳感器最受關(guān)注的兩個特性指標(biāo)。

1.1 線性度

線性度，又稱非線性誤差，如圖1所示，是指傳感器的輸出量與輸入量之間的實(shí)際特性曲線偏離擬合直線的程度[9]。線性度一般采用相對誤差的形式表示，即：

圖1 傳感器的輸入輸出特性曲線

(1)

式中Δmax為傳感器的實(shí)際曲線與擬合直線之間的最大偏差，YFS表示滿量程輸出值。

從公式(1)中可以看出，線性度的大小與擬合直線有關(guān)，擬合直線的不同會導(dǎo)致最大偏差Δmax不同。擬合直線可以選擇端點(diǎn)連接擬合、切線擬合、最小二乘法擬合等等。

1.2 靈敏度

靈敏度是傳感器在穩(wěn)態(tài)下輸出增量與輸入增量的比值。對于非線性傳感器，靈敏度是一個變量，通常表示某一工作點(diǎn)的靈敏度。對于線性傳感器，靈敏度為靜態(tài)輸出特性曲線的斜率，即

(2)

式中Δy為傳感器對應(yīng)輸入增量Δx的輸出增量。

2 實(shí)驗(yàn)測量

2.1 電渦流傳感器

電渦流傳感器是基于電渦流效應(yīng)的原理工作的，由平面線圈和被測物體(金屬渦流片)組成。實(shí)驗(yàn)操作時，將電渦流傳感器的探頭(線圈面)安裝在電機(jī)葉片之上，并盡量靠近葉片，以不碰擦為標(biāo)準(zhǔn)，線圈面與葉片保持平行。當(dāng)電渦流線圈與金屬渦流片的位置周期性地接近或脫離時，電渦流傳感器的輸出信號也轉(zhuǎn)換為相同周期的脈沖信號。利用頻率表即可測得電機(jī)頻率f，由于有兩個葉片，所以，轉(zhuǎn)速n=60f/2=30f。改變控制電壓，葉片以不同速度轉(zhuǎn)動，整理得到電壓和轉(zhuǎn)速的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 電渦流傳感器測量轉(zhuǎn)速的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.2 光電傳感器

實(shí)驗(yàn)箱中的光電轉(zhuǎn)速傳感器采用透射型的結(jié)構(gòu)，傳感器端部內(nèi)側(cè)分別安裝有發(fā)光管和光電管，發(fā)光管發(fā)出的光透過轉(zhuǎn)盤上的通孔后由光電管接收，再轉(zhuǎn)換為電信號。由于轉(zhuǎn)盤上有均勻間隔分布的6個孔，轉(zhuǎn)動時將獲得與轉(zhuǎn)速有關(guān)的脈沖數(shù)，脈沖經(jīng)處理后記錄頻率f，整理得到轉(zhuǎn)速n=60f/6=10f。數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 光電傳感器測量轉(zhuǎn)速的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.3 霍爾傳感器

霍爾傳感器是一種磁敏傳感器，是基于霍爾效應(yīng)原理工作的。測量轉(zhuǎn)速時一般采用開關(guān)式霍爾傳感器?；魻栐妮敵鲂盘柦?jīng)放大器放大，再經(jīng)施密特電路整形成矩形波(開關(guān)信號)輸出。被測圓盤上裝有6只磁性體，圓盤每轉(zhuǎn)一周磁場變化6次，霍爾傳感器就同頻率f相應(yīng)變化輸出。經(jīng)頻率表讀得f，即可得到轉(zhuǎn)速n=10f。記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 霍爾式傳感器測量轉(zhuǎn)速的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

3 數(shù)據(jù)處理與分析

根據(jù)上述的實(shí)際測量數(shù)據(jù)，分別以電壓和轉(zhuǎn)速為橫縱坐標(biāo)，得到實(shí)測數(shù)據(jù)曲線如圖2(a)所示，轉(zhuǎn)速在300～4 500之間?；谧钚《朔〝M合直線，計(jì)算得到三種傳感器滿量程工作時的線性度和靈敏度如表4所示。當(dāng)轉(zhuǎn)速比較小時，例如2 250 r/min半量程范圍以內(nèi)，實(shí)測數(shù)據(jù)曲線和擬合直線如圖2(b)所示，此時傳感器的線性度和靈敏度如表5所示。

電壓/V

從圖2和表4、5中可以看到，無論是大量程還是小量程測量，霍爾傳感器的線性度都是最好的，電渦流傳感器的靈敏度都是最高的。通常轉(zhuǎn)速測量時，對于靈敏度的要求要高一些。對比表4和表5可以看到，當(dāng)傳感器工作在不同量程范圍時，電渦流傳感器的靈敏度差異最大，為12.58；霍爾傳感器的靈敏度差異最小，僅有0.27。

表4 三種傳感器滿量程工作時的特性

表5 三種傳感器半量程工作時的特性

4 結(jié) 語

對電渦流、光電、霍爾三種常用測量轉(zhuǎn)速的傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測量，基于最小二乘法計(jì)算了不同傳感器不同量程范圍工作時的線性度和靈敏度。通過對比分析可知，傳感器的靈敏度和線性度會隨量程范圍的變化而變化。學(xué)生通過實(shí)測加深了對傳感器特性的理解，在課程實(shí)踐和課程設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)中能夠根據(jù)不同應(yīng)用場合實(shí)現(xiàn)傳感器的合理使用。