各种传感器原理.doc

转矩传感器 转矩传感器主要由扭力轴、磁检测器，转筒及壳体等四部分组成。磁检测器包括配对的两组内、外齿轮，永久磁钢和感应线圈。外齿轮安装载扭力轴测量段的两端；内齿轮转筒内,和外齿轮相对，永久磁钢紧接内齿轮安装在转筒内。永久磁钢，内外齿轮构成环状闭合磁路,感应线圈固定在壳体的两端盖内。在驱动电机带动下，内齿轮随同转筒旋转。内外齿轮是变位齿轮，并不齿合，齿顶六由工作气隙，内外齿轮的齿顶相对时气隙最窄，齿顶和齿槽相对时，气隙最宽。内外齿轮在相对旋转运动时，齿顶与齿槽交替相对，相对转动一个齿位时,工作气隙发生一个周期的变化,磁路的磁阻和磁通随之相应作周期变化,因此线圈中感应出近似正弦波的电压讯号,讯号电压瞬时值的变化和内外齿轮的相对位置的变化是一致的。如果两组检测器的齿轮的投影互相重合时、两组电压讯号的相位差为零。安装时，两只内齿轮的投影是重合的。而扭力轴上的两只外齿轮是按错动半个齿安装的。因此，两个电压讯号具有半个周期的相位差，即初始相位差为α0=180。若齿轮为120齿，分度角为3，相位差为180时，相应外齿轮错动1.5。当扭力轴受到扭矩作用时，产生扭角，两只外齿轮的错位角变为1.5两个电压讯号的相差角相应变为：Α=120 （1.5）=180120。扭角和扭矩是成正比例的,因此扭角的变化和扭矩成正比,即相位差角的变化=-0=120=120K1M=KM 式中K1为相位差角和扭矩的比例系数，K=120K1，“”另表示转动方向。设扭力轴测量段的直径为d，长度为L，扭力轴材料的剪切弹性模为G，则K1=32L/dG。将传感器的两个电压讯号输入TR-1转矩转速功率测量仪，经过仪表将电压讯号进行放大、整形、检相、变换成计数脉冲，然后计数和显示，便可直接读出扭矩和转速的测量结果。和转速的测量结果由于采用磁电转换、相位差原理和数字显示的转矩转速测量方法,因此能进稳定、可靠、快速行稳定、可靠、快速、灵敏的高精度测量。它具有如下特点：1.可以测量静扭矩当把扭矩臂固定于扭力轴的一端，锁定另一端时，这时只要打开传感器的驱动电机，就可得到输出信号，并能很方便地对传感器进行静态校准。当然，已经过静校的传感器就能对静扭矩和低速下的扭矩进行精密测量了。2.不用滑环 扭矩测量是由非接触式磁电检测器的输出信号来实现的,所以本仪器可以测量其它仪器不可能测量到的高速转矩。3.精度高，稳定性好 由于扭力轴是由具有优良的弹性，滞后效应极小的高级合金材料制成，所以灵敏度高，残余变形小，读数稳定、可靠。4.操作简单、方便 该仪器和TR相配合，可自动测量并直接读出扭矩、转速功率，设置数据存储后每次开机即可直接测量。三、 主要技术参数：1、传感器适用于环境温度0-55，以及相对温度不超过90%的条件下工作。2、传感器适用的转速范围及联轴节重量（见下表）:型号 额定转矩（Nm）转速范围（r/min）单只连轴节重量（=kg）ZJ-0.1-0.2120-100000-100000.30.3ZJ-0.5-1-2510200-100000-100000-100000.50.50.5ZJ-5-10-20501002000-40000-40000-40001.525ZJ-50-100-200500100020000-30000-30000-3000101520ZJ-500-1000-2000500010000200000-20000-20000-20002530353、传感器所需联轴节、垫块、测试平板等根据用户需求，本公司可代为加工。4、系统总误差：（1） 静标精度:在标定传感器系数的相同环境温度下（不相同时按温度系数修正），静标定误差应不超过0.2%。（2） 在额定转速范围内，套筒固定在任意位置时，不同转速下扭矩测量读数变化应不大于0.2%。（3） 传感器转轴转动,中间套筒在不同位置时,读数误差应不超过0.2%;或者中间套筒转动（启动驱动电机），轴在不同位置时，读数误差应不超过0.2%。5、测量精度:传感器与TR配合,其测量误差不超过0.5%。6、允许测量的最大扭矩：120%额定值。7、输出电压信号幅度：不小于0.2V有效值。8、外形尺寸见图二。9、工作时间：可连续运行。型号 代号ACLh1BDHd1齿数bhdZJ-0.1,0.2601461805012014014010120削平8ZJ-0.5,1,27017022060140160150101205310ZJ-5,10,110222312701702002651212084.025ZJ-20,501242503509018021030513180105.036ZJ-100,2001202604409020023031513180166.052ZJ-500,1000,20002244006601202302623901512010-1009014四、 使用与维护：1、传感器必须安装牢靠，以防工作时震动。2、传感器安装位置如图三、图四所示。3、传感器的安装同心度应不大于0.1mm，否则，仪器的测量精度不易保证。4、传感器负载侧的联轴节应能方便地脱开，以便零点调整。5、由于传感器的转速信号是轴的转速与传感器套筒转速的代数和，所以当传感器上的驱动电机打开时，扭力轴转速应等于仪表转速读数减去传感器电机转速所得得差值。6、传感器在使用时应力求避免震动。7、环境温度的变化会直接影响仪器的测量精度，当测量精度要求不高时，相对于传感器标定温度时温差在10时，对标定系数可不作修改，如果环境温度超过这一范围，就须对传感器所标定的系数值进行修正，即将TR系数修正后使用，才能保证器测试精度，温度系数的修正按下式计算：Xt=Xto1+G(t-to)式中：Xt-温度为t时的传感器系数。Xto-温度为to时所标定的传感器系数（即铭牌上的传感器温度系数）。t-测量时的实际环境温度。to-标定传感器系数时的环境温度。G-剪切弹性模量G的温度系数，其值在这里取为-0.027%。例如：传感器出厂时的标定系数为7215是在10下进行标定的，现在为36的情况下是用，其修正系数为：Xt=7215(1-0.027%26)=7164即将传感器的标定系数修正为7164，并在使用时将TR-1的系数置7164，若环境温度仍为10，则系数仍为7215。8、操作步骤：（1） 将传感器与被测功率传动轴及负载框图顺序及上述1-4条安装连接牢靠。（2） 将信号输出线对应接至TR，并按传感器铭牌上标明的系数值设定TR的标定系数。（3） 脱开负载侧联轴节，开动被测机械，调节TR-1的零点，如因转速过低，输出电压信号的幅度低于0.7V时，可开动传感器上的驱动电机，并使其旋转方向和测量轴的旋转方向相反，但这时的转速按第5条取得。（4） 联接好联轴节，则可进行测量。9、维护要求：（1） 传感器装配出厂前经过精心调试与补偿，切不可随便拆装，以免失去精度。（2） 传感器经使用一段时间后，如需进行检定、维护，请返回本厂重新进行标定。（3） 传感器应避免在剧烈震动和高温潮湿环境中使用和保管。（4） 传感器的包装运输应根据精密仪器包装运输办法施行。转速传感器将旋转物体的转速转换为电量输出的传感器。转速传感器属于间接式测量装置，可用机械、电气、磁、光和混合式等方法制造。按信号形式的不同，转速传感器可分为模 转速传感器拟式和数字式两种。前者的输出信号值是转速的线性函数,后者的输出信号频率与转速成正比,或其信号峰值间隔与转速成反比。转速传感器的种类繁多、应用极广，其原因是在自动控制系统和自动化仪表中大量使用各种电机，在不少场合下对低速（如每小时一转以下）、高速（如每分钟数十万转）、稳速（如误差仅为万分之几）和瞬时速度的精确测量有严格的要求。常用的转速传感器有光电式、电容式、变磁阻式以及测速发电机等。 分类光电式转速传感器它分为投射式和反射式两类。投射式光电转速传感器的读数盘和测量盘有间隔相同的缝隙。测量盘随被测物体转动，每转过一条缝隙，从光源投射到光敏元件（见光电式传感器）上的光线产生一次明暗变化,光敏元件即输出电流脉冲信号（图1）。反射式光电传感器在被测转轴上设有反射记号，由光源发出的光线通过透镜和半透膜入射到被测转轴上。转轴转动时，反射记号对投射光点的反射率发生变化。反射率变大时，反射光线经透镜投射到光敏元件上即发出一个脉冲信号；反射率变小时，光敏元件无信号。在一定时间内对信号计数便可测出转轴的转速值。 电容式转速传感器它属于电容式传感器，有面积变化型和介质变化型两种。图3中是面积变化型的原理，图中电容式转速传感器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 转速传感器容量最大的位置，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。可通过直流激励、交流激励和用可变电容构成振荡器的振荡槽路等方式得到转速的测量信号。介质变化型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它属于变磁阻式传感器。变磁阻式传感器的三种基本类型，电感 转速传感器式传感器、变压器式传感器和电涡流式传感器都可制成转速传感器。电感式转速传感器应用较广，它利用磁通变化而产生感应电势，其电势大小取决于磁通变化的速率。这类传感器按结构不同又分为开磁路式和闭磁路式两种。开磁路式转速传感器（图4a）结构比较简单，输出信号较小，不宜在振动剧烈的场合使用。闭磁路式转速传感器由装在转轴上的外齿轮、内齿轮、线圈和永久磁铁构成（图4b）。内、外齿轮有相同的齿数。当转轴连接到被测轴上一起转动时，由于内、外齿轮的相对运动，产生磁阻变化，在线圈中产生交流感应电势。测出电势的大小便可测出相应转速值。 应用举例风力发电机轴转动速度的测量，在微小风力下，发电机的轴会发生转动，ZLS-Px转角传感器可对其实时非接触监控，反馈数据，确保稳定。 工件加工转速监控，在数控机床上实时监控工件的速度，有助于工件的精密加工。 钢管涂装转速监控。实时监控钢管的涂装速度，保证喷漆的均匀。电压传感器电压传感器的原理当原边经过电压传感器时，原边电流IP会产生磁力线，原边磁力线集中在磁芯周围，内置在磁芯气隙中的霍尔电极可产生和原边磁力线成正比的大小仅几毫伏的电压，电子电路可把这个微小的信号转变成副边电流IS，电压传感器的输出信号是副边电流IS，它与输入信号（原边电流IP）成正比，IS一般很小，只有100400mA。如果输出电流经过测量电阻RM，则可以得到一个与原边电流成正比的大小为几伏的输出电压信号。提高电压传感器精度的方式除了安装接线、即时标定校准、注意传感器的工作环境外，通过下述方法还可以提高测量精度：1、原边导线尽可能完全放满传感器内孔，不要留有空隙；2、原边导线应放置于传感器内孔中心，尽可能不要放偏；3、需要测量的电流应接近于传感器的标准额定值IPN，不要相差太大。如条件所限，手头仅有一个额定值很高的传感器，而欲测量的电流值又低于额定值很多，为了提高测量精度，可以把原边导线多绕几圈，使之接近额定值。例如当用额定值100A的传感器去测量10A的电流时，为提高精度可将原边导线在传感器的内孔中心绕九圈（一般情况，NP=1；在内孔中绕一圈，NP=2；绕九圈，NP=10，则NP10A=100A与传感器的额定值相等，从而可提高精度）；4、当欲测量的电流值为IPN/5的时，在25仍然可以有较高的精度。电流传感器当原边导线经过电流传感器时，原边电流ip会产生磁力线，原边磁力线集中在磁芯气隙周围，内置在磁芯气隙中的霍尔电片可产生和原边磁力线成正比的，大小仅为几毫伏的感应电压，通过后续电子电路可把这个微小的信号转变成副边电流is，并存在以下关系式： is* ns= ip*np其中，is副边电流；ip原边电流；np原边线圈匝数；ns副边线圈匝数；np/ns匝数比，一般取np=1。电流传感器的输出信号是副边电流is，它与输入信号（原边电流ip）成正比，is