自动检测与转换技术（吴旗）模块3.ppt

模块3 速度与加速度检测,主要内容： 单元1 霍尔式转速检测 单元2 超声波速度检测 单元3 压电式加速度检测,速度是表示物体运动快慢的程度速度检测技术广泛应用于机械制造、印刷、轻工、纺织、电力、医药、食品加工、交通、气象等行业，实际速度检测包括转速、振动速度及线速度测量，如交通领域的车辆速度检测，控制系统的传动机构、电机、轴等转速测量，振动测试中振动线速度测量，气象预报中的风速测量等 加速度是反映物体速度改变快慢的物理量，为速度相对时间的变化率加速度检测则应用于冲击和振动测试，或用于测量物体的加速度，如飞机和轮船在行驶中，提供有关它们位置、速度和运行位移，制动、加速情况等信息，以及汽车安全气囊系统的防碰撞检测，智能、平板电脑、体感游戏输入设备的倾斜、摇晃检测等模块3 速度与加速度检测,【引导语】,1．速度的基本概念 速度有线速度与转速之分线速度定义为单位时间内的位移线，单位为m/s，而转速则一般表示为单位转过的角度，记为rad/s工程中常用每分钟旋转的圈数表示，即r/min 常用的转速测量传感器有光电传感器、霍尔传感器、磁电式转速传感器、变磁阻式、测速发电机等 线速度测量：流水线或传送带的线速度，轨道车辆时速的地面监测，子弹飞行过程的速度监测等。

流水线或传送带的直线运动，其实是旋转运动通过传动机构实现的直线运动，可通过监测旋转机械的旋转速度，仪器内部再乘以一个系数就可以直读线速度；有些线速度需要按照线速度的物理定义，监测运动物体通过两点的距离和时间，通过运算获得背景知识】,模块3 速度与加速度检测,【背景知识】,部分转速传感器性能比较,模块3 速度与加速度检测,2．加速度的基本概念 加速度的单位是m/s2，有时采用重力加速度g来表达g的大小因测量位置不同会有微小变化，但普遍被接收的g值是9.80665 m/s2，通常简化为9.81 m/s2 加速度传感器有多种形式，其工作原理都是利用惯性质量受加速度所产生的惯性力而造成的各种效应，进一步转化成电量后间接获得加速度的常用的加速度传感器有电阻应变式、压电式、磁致伸缩式、电容式等模块3 速度与加速度检测,【背景知识】,2．加速度的基本概念,模块3 速度与加速度检测,【背景知识】,部分加速度传感器性能比较,速度、加速度传感器的应用,模块3 速度与加速度检测,【背景知识】,风速仪,电子产品内置加速度传感器演示,视频,加速度传感器震动报警演示,速度、加速度传感器的应用,模块3 速度与加速度检测,【背景知识】,脉冲锤——振动测试及故障诊断中广泛使用的激振器之一，内置加速度传感器以获取激振力、加速度等信息。

阻抗头——加速度与力的复合型传感器，在机械阻抗性能测试中用以获取接线的速度、加速度阻抗等性能参数在汽车制动时，如果车轮抱死滑移，车轮与路面间的侧向附着力将完全消失如果只是前轮(转向轮)制动到抱死滑移而后轮还在滚动，汽车将失去转向能力如果只是后轮制动到抱死滑移而前轮还在滚动，即使受到不大的侧向干扰力，汽车也将产生侧滑(甩尾)现象这些都极易造成严重的交通事故 防抱死制动系统(Antilock Brake System，ABS) ，即在普通制动系统的基础上加装车轮速度传感器、ABS电控单元、制动压力调节装置及制动控制电路等，通过监测车轮转速判断抱死是否发生，并通过控制机构调节左右轮制动力，从而增加轮胎与路面的附着能力，减轻或消除抱死现象单元1 霍尔式转速检测,【问题引入】,1．霍尔传感器的工作原理 半导体在外加磁场作用下，当有电流流过时，运动电子受洛沦磁力的作用而偏移，在两侧形成电荷积累，产生电动势UH单元1 霍尔式转速检测,【问题分析】,霍尔电压UH为：,e ——电子电量 KH——霍尔元件灵敏度,式中 n ——载流子数浓度,KH＝1/ned,霍尔效应,1．霍尔传感器的工作原理,单元1 霍尔式转速检测,【问题分析】,霍尔效应,2．霍尔式传感器的基本测量电路 霍尔元件的基本电路如图所示。

控制电流由电源E供给，RP为调节电阻，调节控制电流的大小在磁场与控制电流的作用下，负载上就有电压输出在实际使用时，I或B或两者同时作为信号输入，而输出信号则正比于I或B或两者乘积单元1 霍尔式转速检测,【问题分析】,结构示意,实物图,霍尔元件的基本电路,3．霍尔式传感器的转速检测 （1）霍尔式转速传感器 霍尔式转速传感器是小型封闭式传感器，它的检测对象为磁性材料或导磁材料，如磁钢、铁和电工钢等当被测体上带有凸起（或凹陷）的磁性或导磁材料，随着被测物体转动时，传感器输出与旋转频率相关的脉冲信号，经计算可获得转速单元1 霍尔式转速检测,【问题分析】,,（2）霍尔式传感器转速检测,单元1 霍尔式转速检测,【问题分析】,霍尔传感器转速测量示意图 1-输入轴；2-转盘；3-小磁铁；4-霍尔传感器,式中：z—齿盘每圈齿数；f—频率（Hz）,（2）霍尔式传感器转速检测,单元1 霍尔式转速检测,【问题分析】,霍尔转速传感器转速测量系统,1．霍尔元件的材料及结构特点 根据霍尔效应原理做成的器件叫做霍尔元件，霍尔元件一般采用具有N型的锗、锑化铟和砷化铟等半导体单晶材料制成,单元1 霍尔式转速检测,【知识链接】,砷化铟为霍尔元件的材料得到普遍应用,（a）霍尔元件结构示意图 b）图形符号 （c）外形,2 ．霍尔元件的参数,单元1 霍尔式转速检测,【知识链接】,（1）输入电阻Ri；,（2）输出电阻R0；,（3）最大激励电流IM；,（4）灵敏度KH；,（5）最大磁感应强度BM；,（6）不等位电势；,（7）霍尔电势温度系数,3．集成霍尔元件 集成霍尔元件可分为线性型和开关型两大类，前者是将霍尔元件和恒流源、线性放大器等做在一个芯片上，输出电压较高，使用非常方便。

单元1 霍尔式转速检测,【知识链接】,3．集成霍尔元件,单元1 霍尔式转速检测,【知识链接】,线性型集成霍尔元件输出特性,3．集成霍尔元件 开关型是将霍尔元件、稳压电路、放大器、施密特触发器、OC门等做在同一个芯片上当外加磁场强度超过规定的工作点时，OC门由高电阻状态变为导通状态，输出低电平，当外加磁场低于释放点时，OC门重新变为高阻状态，输出高电平单元1 霍尔式转速检测,【知识链接】,开关型集成霍尔元件输出特性,4．霍尔式传感器应用类型 （1）利用霍尔电势正比于磁感强度的特性来测量磁场及与之有关的电量和非电量如磁场计、方位计、电流计、微小位移计、角度计、转速计、加速度计、磁读头、函数发生器、同步传动装置、无刷直流电机、非接触开关等 （2）利用霍尔电势正比于激励电流的特性可制作回转器、隔离器、电流控制装置等 （3）利用霍尔电势正比于激励电流与磁感应强度乘积的规律制成乘算器、除算器、乘方器、开方器、功率计等，也可以作混频、调制、斩波、解调等用途单元1 霍尔式转速检测,【知识链接】,4．霍尔式传感器应用类型,单元1 霍尔式转速检测,【知识链接】,霍尔式压力传感器,霍尔式角位移传感器,4．霍尔式传感器应用类型,单元1 霍尔式转速检测,【知识链接】,霍尔转速测量,霍尔钳形电流表,4．霍尔式传感器应用类型,单元1 霍尔式转速检测,【知识链接】,高斯计（特斯拉计）,【案例1】ABS转速测量系统 ABS是在普通制动系统的基础上加装车轮速度传感器、ABS电控单元、制动压力调节装置及制动控制电路等组成 。

单元1 霍尔式转速检测,【应用案例】,ABS系统的组成(分置式)及工作原理 1-前轮速度传感器；2-制动压力调节装置；3-ABS电控单元；4-ABS报警灯； 5-后轮速度传感器；6-停车灯开关；7-制动主缸；8-比例分配阀； 9-制动轮缸；10-蓄电池；11-点火开关,【案例1】ABS转速测量系统,单元1 霍尔式转速检测,【应用案例】,霍尔传感器轮速检测示意图 1-磁体；2-霍尔元件；3-齿圈,【案例1】ABS转速测量系统 制动过程中，ABS电控单元（ECU）3不断地从传感器1和5获取车轮速度信号，并加以处理，分析是否有车轮即将抱死拖滑如果没有车轮即将抱死拖滑，制动压力调节装置2不参与工作，制动主缸7和各制动轮缸9相通，制动轮缸中的压力继续增大，此即ABS制动过程中的增压状态 如果电控单元判断出某个车轮(假设为左前轮)即将抱死拖滑，它即向制动压力调节装置发出命令，关闭制动主缸与左前制动轮缸的通道，使左前制动轮缸的压力不再增大，此即ABS制动过程中的保压状态若电控单元判断出左前轮仍趋于抱死拖滑状态，它即向制动压力调节装置发出命令，打开左前制动轮缸与储液室或储能器的通道，使左前制动轮缸中的油压降低，此即ABS制动过程中的减压状态。

单元1 霍尔式转速检测,【应用案例】,,,【案例2】自行车码表 自行车码表可用以计算速度及里程，由安装于前车圈钢条上的感应磁铁、前叉上的感应器、连接线、置于车把上面的码表座和座上面的码表显示装置构成单元1 霍尔式转速检测,【应用案例】,,,,自行车码表 1-显示装置；2-连接线；3-感应器；4-安装支座；5-磁铁,【案例2】自行车码表 码表感应器一般采用开关型霍尔集成元件，实现磁信号至电信号的转换行驶时，辐条带动永久磁铁转动，磁场相应发生变化，霍尔元件将获得一定频率的脉冲信号，经换算可得自行车行驶速度及里程单元1 霍尔式转速检测,【应用案例】,,,,码表的安装,自行车码表的安装与调试 1．项目要求 熟悉霍尔传感器工作原理，认知集成霍尔元件及其类型，能够正确进行霍尔式自行车码表的安装与调试 2．设备与工具 示波器一台；自行车码表一套、1.5V电池2节；自行车、皮尺、秒表（或电机、光电手持转速表、磁力表座）；常用电工组装工具一套单元1 霍尔式转速检测,【实践项目】,,,3．操作步骤 （1）参照教材图3-17进行感应器、磁铁、实现装置的安装并连线（或在电机输出轴安装磁铁，参照图3-4，感应器用支架或磁力表座固定）。

安装时注意磁铁与感应器距离应不超过4mm，注意磁铁应尽量正对感应器 （2）参阅说明书，装入电池，开机初始化后进行相应设置 （3）在室外场地选择一处，用皮尺丈量10米，做上标记，匀速骑行自行车并用秒表计时，将码表显示的车速与计时计算的车速比较，判断测速结果并分析如进行电机转速测试，则同时利用手持光电转速表进行分析校准 （4）如存在较大偏差，可将感应器信号线引出并连接至示波器，手动摇动自行车踏板，观察输出波形单元1 霍尔式转速检测,【实践项目】,,,1．测速发电机 测速发电机是机电一体系统中用于测量和自动调节电机转速的一种传感器，测量方式为接触式测量它由带有绕组的定子和转子构成根据电磁感应原理，当转子绕组供给励磁电压并随被测电动机转动时，定子绕组则产生与转速成正比的感应电动势 根据励磁电流的种类，测速发电机可分为直流测速发电机和交流测速发电机两大类 直流测速发电机的工作原理与一般直流发电机相同在恒定磁场中，旋转的电枢绕组切割磁通，产生感应电动势，由电刷两端引出的电枢感应电动势为,单元1 霍尔式转速检测,【拓展提高】,,,,,Ke－感应系数；Φ－磁通（单位：Wb）；n－转速（单位：r/min）；Ce－感应电动势与转速的比例系数（单位：V/（r/min））。

1．测速发电机 交流测速发电机有永磁式、感应式和脉冲式三种交流测速发电机多采用输出感应电动势频率与转速有关进行转速测量的计算式,单元1 霍尔式转速检测,【拓展提高】,,,,式中：z—转子齿数或电机极对数 ；f—频率（Hz）,2．光电转速测量 光电式转速表有反射式和透射式两种，它可以在距被测物数十毫米处非接触地测量其转速由于光电器件的动态特性较好，所以可以用于高转速的测量而又不影响被测物的转动单元1 霍尔式转速检测,【拓展提高】,透射式,2．光电转速测量,单元1 霍尔式转速检测,【拓展提高】,反射式光电转速传感器,反射式光电转速表,超速行车在交通违规中占有极大比例，是引发交通事故的主要因由之一，因此对于重点路口、事故多发路段进行车辆速度检测监。