转速传感器与速度传感器的区别及应用

2023-06-28 理论教育版权反馈

【摘要】：霍尔式转速传感器霍尔式转速传感器也是将各种导磁材料的转速信号转换成频率信号。车辆实车测试多选用霍尔式转速传感器，如果不需测量低转速信号，可以选择磁电式转速传感器。4）有些转速传感器具有功能指示灯，以指出传感器的工作状态。磁电式转速传感器和霍尔式转速传感器使用时都需靠近齿轮进行安装。

1.概述

转速是机电工程应用上经常需要获取和控制的一个物理参数。工程上，旋转体的转速通常以每秒钟或每分钟转速来表示，因此其单位为r/s或r/min。有时也用角速度来表示瞬时速度，这时的单位相应为：rad/s。因为每转为2πrad，所以两个单位之间有如下关系：

1r/s=60r/min=2πrad/s

2.转速测试方法

转速的测试方法有很多，如感应式（如磁电式、霍尔式、旋转变压器、测速发电机）、光电式（如编码器等）等。这里重点介绍实际工程中常用的几种测速传感器。

（1）磁电式转速传感器磁电式转速传感器可以测量各种导磁材料的转速，能将被测物体的转速信号转换成频率信号。磁电式转速传感器不需要提供电源即可工作，输出为正弦信号，其频率与转速成正比。由于磁电式转速传感器输出信号幅度随转速的增加而增大，所以不适合测量低转速，一般测量转速大于50r/min。

（2）霍尔式转速传感器霍尔式转速传感器也是将各种导磁材料的转速信号转换成频率信号。与磁电式转速传感器相比，霍尔式转速传感器需要额外提供电源才可以工作，输出为方波信号，其频率与转速成正比，输出信号幅值恒定，与转速无关，频率响应范围从直流到几十千赫，可以响应低转速。以上两种传感器选型与安装注意事项：

1）测量范围。车辆实车测试多选用霍尔式转速传感器，如果不需测量低转速信号，可以选择磁电式转速传感器。

2）感应距离。磁电式转速传感器和霍尔式转速传感器都是非接触测量，其感应距离一般小于10mm，应根据实际使用情况选择这一参数，以避免安装距离过大导致测试不准或安装距离过小毁坏传感器。

3）齿数。一般来说，齿数越多，测试越准确，但齿数过多，会导致测量范围变小和安装复杂的问题，有时甚至会导致齿数过密而无法形成脉冲的现象，所以在实际使用时，应根据转速范围、传感器测量范围和安装部位具体情况选择被测旋转件的齿数。同时，为了实现频率和转速之间的精确计算，齿数宜选6或3的倍数。

4）有些转速传感器具有功能指示灯，以指出传感器的工作状态。实际使用时宜选用此种传感器，以方便检查与维修。对于霍尔式转速传感器，实际使用时，还要根据后端调理电路，选择传感器的供电电源和输出信号形式。

5）负载能力。实际测试或监测设计过程中，往往需要从被测件上已安装的转速传感器引出转速信号，此时应充分考虑转速传感器的负载能力，避免影响原系统的正常工作。

6）安装注意事项。磁电式转速传感器和霍尔式转速传感器使用时都需靠近齿轮进行安装。它们的不同之处在于，磁电式传感器只需要齿轮材料具有导磁功能即可，而霍尔式转速传感器需要在齿轮齿缘上贴装磁性材料才可以完成测试。

（3）测速发电机测速发电机是一种传统的转速传感器，在机电工程的速度和位置控制系统中主要用作测速和校正元件。随着数字控制技术的发展，测速发电机被一些新型的转速传感器所替代，用得越来越少。

1）测速发电机原理。测速发电机是一种被能够把机械转速按比例转换为电信号的控制发电机，其输出电压与转速成正比，因而可以用来测量转速，所以称为测速发电机。与普通发电机类似，也是一种基于电磁感应原理，把转动的机械能转换成电信号输出，但是，它与普通发电机也有不同的地方，主要是：它们有较好的测速特性，它的输出电压与转速成线性关系，并且有较宽的线性范围；有较高的灵敏度和复现性，并且有较小的惯性。

根据结构和工作原理的不同，测速发电机分为直流测速发电机、交流测速发电机。直流测速发电机又可分为永磁式和电励磁式两大类，交流测速发电机有同步和异步之分，但后者用的极少。以下以直流测速发电机为例来介绍测速发电机的原理。

直流测速发电机一般都制成永磁式。当电枢以转速n在恒定磁场Φ₀中旋转时，电枢上的导体切割磁力线，从而就在电刷间产生空载感应电动势E₀，在理想状态下，直流测速发电机的空载输出电压可以用式（2-5）表示

式中，C_E为电动势常数；n为转子的转速。

从式（2-5）可以看出，在理想情况下，直流测速发电机的空载输出电压U=E₀与转速成正比，即输出电压与速度成线性关系。当存在负载电阻R_L和电枢回路总电阻R_a时，直流测速发电机的输出电压将满足

式中，电枢电流为I_a=U/R_L （2-7）

将式（2-5）及式（2-7）代入式（2-6）可得

式（2-8）就是有负载时直流测速发电机的输出特性方程。由式（2-8）可以看出，当C_EΦ₀、R_a、R_L保持常数（即理想状态）时，在有负载时的输出电压与转速之间仍然是线性关系，其输出电压U与转速n成正比，测量出U的大小，就可以得到转速n。但实际上，由于电枢反应及温度变化的影响，输出特性曲线不完全是线性的，同时还看出，负载电阻R_L越小和转速n越高，输出特性曲线弯曲越厉害。因此，在精度要求高的场合，负载电阻必须选得大些，转速也应工作在较低的范围内。

直流测速发电机的优点是：没有相位波动，没有剩余电压；输出信号的误差、波动和不灵敏区可以通过电路来减小，以满足高性能的使用要求；具有良好的动态特性；环境适应性、工作可靠性较好；测速发电机的输出已和主电路隔离，在使用时，不必再隔离；其输出电压与转速成正比，极性反映转向。缺点是由于电刷直流测速发电机有电刷和换向器，因而结构复杂，维护不便，摩擦转矩大，有换向火花产生噪声、电磁干扰，输出特性不稳定，且正、反向旋转时，输出特性不对称。因此在系统要求较高时，一般选用无刷直流测速发电机。

2）直流测速发电机的技术参数指标

①输出斜率（比电动势）代表单位转速的输出电压。

②线性误差表示实际输出电压与理想输出电压之间的误差，常用实际输出特性和理想输出特性的最大值与最大输出电压的百分比来表示。由于电枢电阻仅在一定范围内是线性参数（电枢反应的存在），因此在一定范围内输出电压与转速成正比，当测速发电机转速超出这个范围，其输出特性便成为非线性。直流测速发电机非线性输出特性会引起线性误差，线性误差较小，一般为0.3%，温度变化会引起线性误差增大，一般称它为温度误差，可采用补偿方法来降低误差，以满足控制系统的要求。

③电压脉动（波纹系数）指输出电压波动的变化率，常用输出电压的交变分量有效值和输出电压的直流分量比值衡量。

④不灵敏区。当直流测速发电机转速很低时，在输出特性中，由于电刷和换向器间接触电压降引起输出斜率显著下降的转速范围△n称为不灵敏区，通常用正反转时输出电压的不对称比值为衡量。通常将不灵敏区与非线性特性一起考虑，统称为线性误差。

⑤最高转速指直流测速发电机的运行极限转速。

3）选用和使用直流测速发电机注意事项

①应注意机电测控系统的工作速度范围和与测速发电机连接的负载的大小，对于低速系统应选取高灵敏度发电机，并要特别注意发电机低速的平稳性。

②要明确测速发电机的工作环境温度变化情况。如果系统适用的工作温度范围比较宽，可以选用他励式直流测速发电机，当选用永磁式直流测速发电机时，应注意其是否采取了温度补偿措施。交流测速发电机的输出是三相交流电压，其幅值与转速成比例，使用时要先经二极管整流桥变换成直流电压。由于二极管整流电压的极性固定，因此交流测速发电机多用于检测单方向旋转的场合，不能通过极性反映转向。若需了解极性，需要判断相序，较麻烦。另外，当输出电压低时，二极管的导通非线性会影响检测精度。所以在实际工程中，交流测速发电机应用很少。

转速传感器与速度传感器的区别及应用

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