机械传动试验台的转速传感器研究

　　摘 要：本文将对机械传动试验台的结构和各种转速传感器进行分析，分析各种转速传感器是否适合应用于这种试验台测量机械传动性能和各自的特点。
　　关键词：转速；传感器；机械传动；传动性能
　　机械传动在机械工程中应用非常广泛，对其研究具有重要意义，而衡量机械传动性能的有转速、扭矩、功率、效率等参数。 这些参数之间又有相互关系，所以一般机械传动试验台在测量机械传动性能时，只需测量转矩、转速这两个参数即可，其他参数可由这两个参数推导得到。本文主要研究在该装置中测转速的方法和相应的传感器。
　　一般的机械传动试验台的结构如图1：
　　图1 传动试验台的基本结构
　　由图1可知：被测的传动机构，在输入端有驱动装置，在输出端有加载装置，而输入端输出端的测量装置分别在它们之间。驱动装置提供动力，加载装置模拟载荷。测量装置即是各种传感器，采集参数。根据这个结构，选择传感器时需要注意几点：传感器实际测量的是传动装置两端的输入轴和输出轴的转速，在被测装置两端可以是驱动或加载装置也可以是测量装置，为了减少传动中的摩擦，传动轴需要水平安装。现在，再分析转速传感器，是否适合这些要求。
　　转速传感器是将旋转物体的转速转换为电量输出的传感器。按其物理特性大致可以分为以下几种：光电式、电容式、变磁阻式、霍尔式等。
　　光电式转速传感器，主要是通过将光线的发射与被测物体的转动相关联，再以光敏元件对光线的进行感应来完成的。按其工作方式又分为透射式光电转速传感器和反射式光电转速传感器两种。透射式设有读数盘和测量盘，两者之间存在着间隔相同的缝隙。在测量转速时，测量盘会随着转动轴转动，光线随测量盘转动不断经过各条缝隙投射到光敏元件上，随着光线的明暗变化，光敏元件输出电流脉冲信号，就可以获得转速。反射式的光源透过透镜和半透膜入射到转动轴上，当被测转轴转动时，在转动轴上设定的反射记号对光线的反射率就会发生变化，传感器内部的光敏元件就会有脉冲信号输出，就可得到转速了。
　　电容式转速传感器，主要通过电容的改变与被测物体的转动相关联，测量电容的改变量来完成。根据变化的物理量又分为面积变化型和介质变化型两种。前者是由两块固定金属板和与转动轴相连的可动金属板构成。可动金属板处于电容量最大的位置，当转动轴旋转180°时则处于电容量最小的位置。电容量的周期变化速率即为转速。后者是在电容器的两个固定电极板之间嵌入一块高介电常数的可动板而构成的。可动介质板与转动轴相连，随着转动轴的旋转，电容器板间的介电常数发生周期性变化而引起电容量的周期性变化，其速率等于转动轴的转速。
　　变磁阻式转速传感器，多采用的是电感式转速传感器，通过磁通的变化产生感应电势，其电势大小取决于磁通变化的速率，从而求出转速。按结构不同又分为开磁路式和闭磁路式两种。开磁路式由永磁铁、感应线圈，随转动轴转动的齿轮组成，闭磁路式由装在转轴上的外齿轮、内齿轮、线圈和永久磁铁组成。两者都是利用齿轮有齿顶和齿底的结构，在旋转时，两者间隙会变，从而引起磁阻的变化，在线圈中产生感应电动势。测出电势大小便测出转速。
　　霍尔转速传感器，主要工作原理是霍尔效应，当转动的金属部件通过霍尔传感器的磁场时会引起电势的变化，通过对电势的测量就可以得到被测量对象的转速值。应用比较广泛的是让齿轮信号盘随转动轴转动，在信号盘垂直方向有霍尔元件，霍尔元件通有电流，并置于磁场中，在霍尔元件两侧测其霍尔电压，从而测出转速。也可在轴上安放不同介质的磁铁材料代替信号齿轮。
　　上面对各种传感器的原理、结构进行了分析，现在再分析他们的特点。由于他们应用的物理特性不一样，就决定了他们的差异。光电式，光源经特殊调制，有极强的抗干扰性，采用光纤封装，可于测量微小的物体，特别是微小旋转体的测量，特别适用于高精密、小元件的机械设备测量。电容式，其电容值一般与电极材料无关，仅取决于电极的几何尺寸，且空气等介质损耗很小，稳定性好，动态响应好，但同时受制于尺寸，输出阻抗高，负载能力差。磁电式转，其工作方式决定了它有很强的抗干扰性，输出的信号强，测量范围广，工作维护成本较低，运行过程无需供电，完全是靠磁电感应来实现测量。霍尔式，稳定性好，测量频率范围宽，抗外界干扰能力强，测量结果精确稳定，输出信号可靠，不会受到转速值的影响。
　　再分析他们的安装方式。大致可以分成两种，一种是需要信号回转体随被测轴转动，一种是把信号元件安装在被测轴的表面上。前者如果安装在轴两端，可直接接入传感器，但本试验台明显不可能，需要在轴中间，这时就需要在轴中间安装信号盘或者在传感器两端通过联轴器接入被测轴，这种安装方式会对被测轴施加额外载荷，但选择合适的传感器，影响很小，可以忽略，而后者只需在被测轴安装一个很小的信号片或记号就行，对轴的影响可忽略，传感器在轴的旁边实现非接触测量，但外界干扰就增大了，对抗干扰的能力要求就提高。
　　本文先对机械传动试验台结构进行了分析，再对各种转速传感器工作原理，结构，特点、安装方式进行了分析，为在机械传动试验台设计时，选择合适的转速传感器提供参考。
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