第3章

速度傳感器

速度是自動(dòng)化生產(chǎn)線中的一個(gè)重要參數(shù)，它通常包括線速度、角速度和轉(zhuǎn)速等。在工業(yè)生產(chǎn)中，準(zhǔn)確地檢測(cè)和控制速度，對(duì)保證安全生產(chǎn)和提高生產(chǎn)質(zhì)量有著重要意義。

速度主要是通過速度傳感器檢測(cè)的。常見的速度傳感器有霍爾傳感器、編碼器和光纖傳感器等。本章重點(diǎn)介紹霍爾傳感器和編碼器的工作原理及應(yīng)用，并簡(jiǎn)單介紹其他速度傳感器的應(yīng)用。本章導(dǎo)讀學(xué)習(xí)目標(biāo)理解霍爾效應(yīng)及霍爾傳感器的工作原理。掌握霍爾傳感器的結(jié)構(gòu)和測(cè)量電路。了解霍爾傳感器使用過程中的注意事項(xiàng)。理解編碼器的工作原理及應(yīng)用。掌握編碼器的測(cè)速方法。了解其他常見的速度傳感器。能夠根據(jù)需要選擇合適的速度傳感器并進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。無人機(jī)中的傳感器

無人機(jī)是一種利用無線電遙控設(shè)備和自備程序進(jìn)行控制的不載人飛機(jī)。

無人機(jī)包括

無人直升機(jī)、固定翼飛行器、多旋翼飛行器等。

優(yōu)點(diǎn)：質(zhì)量輕、費(fèi)用低、機(jī)動(dòng)靈活等。飛行控制系統(tǒng)是無人機(jī)實(shí)現(xiàn)自主飛行的核心部件，而各傳感器的有效監(jiān)測(cè)是飛行控制系統(tǒng)獲取可靠信號(hào)的保障。

控制系統(tǒng)中常用的傳感器包括加速度傳感器、慣性檢測(cè)單元、傾角傳感器、電流傳感器、磁傳感器、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流量傳感器等。案例導(dǎo)讀圖3-1無人機(jī)圖3-2加速度傳感器圖3-3慣性測(cè)量單元CONTENT3.1霍爾傳感器3.2編碼器3.3其他速度傳感器霍爾傳感器013.1.1霍爾效應(yīng)

霍爾傳感器是基于霍爾效應(yīng)工作的。1879年，美國(guó)物理學(xué)家霍爾發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電流通過一個(gè)位于磁場(chǎng)中的導(dǎo)體時(shí)，磁場(chǎng)會(huì)對(duì)導(dǎo)體中的電子產(chǎn)生一個(gè)垂直于電子運(yùn)動(dòng)方向的作用力，從而在垂直于導(dǎo)體與磁感線的兩個(gè)方向上產(chǎn)生電勢(shì)差，這一現(xiàn)象就稱為霍爾效應(yīng)。圖3-4霍爾傳感器3.1.1霍爾效應(yīng)圖3-5霍爾效應(yīng)原理3.1.2霍爾元件霍爾元件是一種基于霍爾效應(yīng)的磁敏傳感器。1．霍爾元件的結(jié)構(gòu)圖3-6霍爾元件及符號(hào)2．霍爾元件的測(cè)量電路圖3-7霍爾元件基本測(cè)量電路霍爾元件的基本測(cè)量電路如圖3-7所示?；魻栐妮敵鲭妷阂话惚容^小，所以需要用放大電路將其放大。為了獲得較好的放大效果，通常采用差分放大電路，如圖3-8所示。圖3-8霍爾元件的差分放大電路3.1.3集成霍爾傳感器

開關(guān)型集成霍爾傳感器又稱霍爾開關(guān)，它是一種由穩(wěn)壓器、霍爾元件、放大器、施密特整形電路和開關(guān)輸出等部分組合而成的磁敏傳感器，如圖3-9所示。

它能感知與磁信息有關(guān)的物理量，并以開關(guān)信號(hào)的形式輸出。圖3-9開關(guān)型集成霍爾傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)1．開關(guān)型集成霍爾傳感器2．線性集成霍爾傳感器

線性集成霍爾傳感器是由穩(wěn)壓器、霍爾元件及差分放大器等通過集成電路技術(shù)制成的傳感器，其輸出電壓與磁場(chǎng)強(qiáng)度在一定范圍內(nèi)為線性關(guān)系。線性集成霍爾傳感器有單端輸出和雙端輸出（差動(dòng)輸出）兩種形式，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-11所示。

霍爾傳感器具有微型化、可靠性高、壽命長(zhǎng)、功耗低、無溫漂及負(fù)載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

廣泛用于汽車電子、電動(dòng)自行車、家用電器等領(lǐng)域。

圖3-11線性集成霍爾傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)（a）單端輸出

（b）雙端輸出3.1.4使用霍爾傳感器的注意事項(xiàng)（1）需要接負(fù)載且不能超負(fù)載工作。（2）供電電壓不能超出規(guī)格說明書中規(guī)定的范圍，且電源電壓極性不能反接。（3）在使用和安裝中應(yīng)盡量減少機(jī)械應(yīng)力，特別是器件的引腳，根部1mm范圍內(nèi)不允許施加任何機(jī)械應(yīng)力（如彎曲、變形等）。（4）要嚴(yán)格規(guī)范焊接時(shí)間和溫度。（5）霍爾傳感器具有很強(qiáng)的抗外磁場(chǎng)干擾能力。另外，在裝配、焊接、使用及存儲(chǔ)過程中要注意防靜電。3.1.5應(yīng)用實(shí)踐——霍爾傳感器在動(dòng)感單車測(cè)速中的應(yīng)用1．實(shí)踐目的（1）了解霍爾傳感器測(cè)速原理。（2）能根據(jù)系統(tǒng)要求選擇合適的傳感器。2．應(yīng)用描述動(dòng)感單車是一種室內(nèi)自行車訓(xùn)練、健身器材，它的結(jié)構(gòu)和普通自行車類似，包括車把、車座、腳蹬和車輪幾部分。動(dòng)感單車一般都具有速度、里程檢測(cè)和顯示功能，用以作為訓(xùn)練者控制自身訓(xùn)練效果的重要參考指標(biāo)。圖3-12動(dòng)感單車3．實(shí)踐過程

動(dòng)感單車主要是利用集成霍爾傳感器、單片機(jī)、時(shí)鐘芯片、按鍵電路、LCD液晶顯示等元件，構(gòu)成一個(gè)實(shí)時(shí)檢測(cè)、顯示速度和里程的系統(tǒng)。其系統(tǒng)框圖如圖3-13所示。

安裝時(shí)，將霍爾元件和磁路系統(tǒng)靠近齒盤。隨著齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，磁路的磁阻隨氣隙的改變而改變。當(dāng)齒對(duì)準(zhǔn)霍爾元件時(shí)，磁力線集中穿過霍爾元件，可產(chǎn)生較大的霍爾電動(dòng)勢(shì)，經(jīng)過放大、整形后輸出高電平；反之，當(dāng)齒輪的空隙對(duì)準(zhǔn)霍爾元件時(shí)，輸出為低電平。3.1.5應(yīng)用實(shí)踐——霍爾傳感器在動(dòng)感單車測(cè)速中的應(yīng)用圖3-13動(dòng)感單車測(cè)速系統(tǒng)圖3-14集成霍爾傳感器測(cè)速原理02

編碼器3.2.1編碼器的分類

增量式光電編碼器輸出的是增量值。

增量式光電編碼器主要由光源、碼盤、檢測(cè)光柵、光電檢測(cè)器件和轉(zhuǎn)換電路組成。1．增量式光電編碼器增量式光電編碼器結(jié)構(gòu)增量式光電編碼器實(shí)物圖3-16增量式光電編碼器組成原理圖3-17增量式光電編碼器的工作原理

增量式光電編碼器工作時(shí)，檢測(cè)光柵不動(dòng)，而碼盤隨著被測(cè)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)光線透過碼盤和檢測(cè)光柵上的縫隙照射到光電檢測(cè)器件上時(shí)，光電檢測(cè)器件就會(huì)輸出兩組相位差為1/4周期的A、B兩相脈沖，再將這兩相脈沖放大整形后分別接入到觸發(fā)器（轉(zhuǎn)換電路）的D端和CP端。

增量式光電編碼器在使用過程中，通常會(huì)有不同的技術(shù)規(guī)格，其中最關(guān)鍵的是分辨率、精度、輸出信號(hào)的穩(wěn)定性、響應(yīng)頻率和信號(hào)輸出形式。（1）分辨率

用碼盤旋轉(zhuǎn)一周所產(chǎn)生的脈沖數(shù)（輸出信號(hào)周期數(shù)）來表示的，即脈沖數(shù)/轉(zhuǎn)（PPR），其值為碼盤上的透光縫隙的數(shù)目。

縫隙數(shù)目越多，分辨率就越高。（2）精度

指編碼器輸出的信號(hào)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)真實(shí)角度的準(zhǔn)確度。通常用角度、角分、角秒來表示。

影響增量式光電編碼器精度的因素主要包括光柵分度誤差、光盤偏心、軸承偏心、電子度數(shù)裝置誤差及光學(xué)部分的不精確等。（3）輸出信號(hào)的穩(wěn)定性

影響編碼器輸出信號(hào)穩(wěn)定性的主要因素包括電子器件的溫度漂移、外力造成的編碼器形變及光源特性的變化等。（4）響應(yīng)頻率取決于光電檢測(cè)器件和電子處理線路的響應(yīng)速度。增量式光電編碼器高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，分辨率越高，則輸出的信號(hào)頻率就越高。（5）信號(hào)輸出形式

直接從增量式光電編碼器的光電檢測(cè)器件中獲取到的信號(hào)電平較低，波形也不規(guī)則，不能直接用于控制、信號(hào)處理和遠(yuǎn)距離傳輸。因此，必須在編碼器內(nèi)將信號(hào)進(jìn)行放大、整形和濾波等一系列處理。經(jīng)過處理的輸出信號(hào)一般近似于正弦波或矩形波。

增量式光電編碼器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、價(jià)格低、精度高、響應(yīng)速度快、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。2．絕對(duì)式光電編碼器

目前使用最為廣泛的編碼器之一。

它的組成與增量式光電編碼器基本一致，但碼盤的制作方法有所不同。

通常是由透明材料制成的圓盤，在碼盤上精確地印制上二進(jìn)制編碼，即在同一碼道上印制黑白間隔圖案，形成一套編碼，黑色的不透光區(qū)域和白色透光區(qū)分別代表二進(jìn)制的“0”和“1”，如圖3-18所示。圖3-18二進(jìn)制碼盤2．絕對(duì)式光電編碼器

格雷碼是一種常見的無權(quán)碼，它具有相鄰性的特點(diǎn)，即兩個(gè)相鄰區(qū)域代碼之間僅有一位取值不同，其碼盤如圖3-19所示。

絕對(duì)式光電編碼器只能用于旋轉(zhuǎn)范圍在360°以內(nèi)的測(cè)量。圖3-19格雷碼盤知識(shí)拓展

絕對(duì)式接觸編碼器主要由碼盤和電刷組成，碼盤上制作編碼（如二進(jìn)制、格雷碼、BCD碼）圖形，電刷是一種活動(dòng)觸頭。二進(jìn)制碼盤制成的絕對(duì)式接觸編碼器，由于電刷安裝存在機(jī)械偏差，這種機(jī)械偏差會(huì)產(chǎn)生非單值誤差。因此，絕對(duì)式接觸編碼器也常采用格雷碼盤的方法來消除非單值誤差。絕對(duì)式電磁編碼器是近些年發(fā)展起來的一種新型電磁敏感元件。它采用磁電式設(shè)計(jì)，通過磁感應(yīng)器件、利用磁場(chǎng)的變化來產(chǎn)生和提供轉(zhuǎn)子的絕對(duì)位置，利用磁電元件來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的碼盤，彌補(bǔ)了絕對(duì)式光電編碼器對(duì)潮濕氣體和污染敏感、可靠性差等缺陷，更具有抗震、耐腐蝕、耐污染、性能可靠性高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。3.2.2編碼器測(cè)速圖3-20M法測(cè)速原理1．M法測(cè)速圖3-21T法測(cè)速原理2．T法測(cè)速圖3-22M/T法測(cè)速原理3．M/T法測(cè)速3.2.3應(yīng)用實(shí)踐——光電編碼器在汽車駕駛模擬器中的應(yīng)用1．實(shí)踐目的（1）了解編碼器的工作原理及選型原則。（2）能夠根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇合適的編碼器。2．應(yīng)用描述

汽車駕駛模擬器（vehicledrivingsimulator，VDS）將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于汽車駕駛系統(tǒng)中，通過計(jì)算機(jī)技術(shù)產(chǎn)生汽車行駛過程中的虛擬視景和運(yùn)動(dòng)仿真，使駕駛員沉浸到虛擬駕駛環(huán)境中，產(chǎn)生實(shí)車駕駛感覺，從而體驗(yàn)、認(rèn)識(shí)和學(xué)習(xí)現(xiàn)實(shí)世界中的汽車駕駛，既能安全、有效地提高駕駛員技術(shù)水平，又能降低各種費(fèi)用。

在汽車駕駛模擬器中，方向盤旋轉(zhuǎn)角和速度的測(cè)量系統(tǒng)是其中非常重要的組成部分，其中，方向盤旋轉(zhuǎn)角檢測(cè)可以使用光電編碼器來實(shí)現(xiàn)。3．實(shí)踐過程

在汽車駕駛模擬器中，可選用E6B2-CWZC6C光電編碼器對(duì)方向盤旋轉(zhuǎn)角進(jìn)行測(cè)量，其輸出電路選用集電極開路型，輸出分辨率選擇400脈沖/旋轉(zhuǎn)?？紤]到汽車方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)是雙向的，既可順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，也可逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，故需要對(duì)編碼器的輸出信號(hào)進(jìn)行方向辨別后才能計(jì)數(shù)。E6B2-CWZC6C光電編碼器實(shí)際使用的方向辨別與雙向計(jì)數(shù)電路，它由1個(gè)D觸發(fā)器和2個(gè)與非門組成，如圖3-23所示。圖3-23E6B2-CWZC6C光電編碼器方向辨別與雙向計(jì)數(shù)電路3.2.3應(yīng)用實(shí)踐——光電編碼器在汽車駕駛模擬器中的應(yīng)用3．實(shí)踐過程3.2.3應(yīng)用實(shí)踐——光電編碼器在汽車駕駛模擬器中的應(yīng)用圖3-24輸出信號(hào)波形03其他速度傳感器3.3.1光纖傳感器

光纖傳感器是隨著光纖通信和光學(xué)技術(shù)發(fā)展起來的一類新型傳感器，

它以光作為信息的載體，具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、抗電磁干擾能力強(qiáng)、耐腐蝕、耐高溫、體積小、可撓曲、重量輕、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

可用于位移、速度、加速度、壓力、液位、流量等多種物理量的測(cè)量，具有廣闊的應(yīng)用前景。圖3-25光電流速傳感器3.3.2超聲波傳感器

超聲波傳感器又稱超聲波換能器，習(xí)慣上也把它稱為超聲波探頭。其主要功能是發(fā)射和接收超聲波信號(hào)。

液體流速檢測(cè)是超聲波傳感器的常見應(yīng)用之一。

超聲波測(cè)流速的方法有很多，如傳播速度變化法、波速移動(dòng)法、流動(dòng)聽聲法等。

最常用是超聲波傳輸時(shí)間差法，即利用超聲波在靜止流體和流動(dòng)流體中的傳播速度不同的原理，求出流體的速度。

在實(shí)際應(yīng)用中，超聲波傳感器常安裝在管道的外部，從管道的外部透過管壁來發(fā)射和接收超聲波，不會(huì)對(duì)管道內(nèi)的流體帶來影響。圖3-26超聲波測(cè)速原理3.3.3變磁通式磁電轉(zhuǎn)速傳感器變磁通式磁電轉(zhuǎn)速傳感器主要由永久磁鐵、線圈、軟鐵、測(cè)量齒輪和殼體等組成。

圖3-27變磁