多功能轉(zhuǎn)速測量儀的設(shè)計(jì)及其在磁體表磁測量中應(yīng)用

海廣田，劉德弟，許 洋，劉 悅，何洋洋

(大連民族大學(xué) 物理與材料工程學(xué)院， 遼寧 大連 116600)

磁性是磁體的基本性質(zhì)，其大小是工業(yè)生產(chǎn)中至關(guān)重要參量[1]. 傳統(tǒng)的磁性測量主要以對鐵等物體吸引力大小的測量和利用高斯計(jì)對其表面磁感應(yīng)強(qiáng)度(表磁)測量. 利用磁力的大小來判定磁性的方法受限于磁體形狀等因素，而且難以準(zhǔn)確定量測量；而利用表磁對磁性進(jìn)行描述時，由于不同廠家生產(chǎn)的特斯拉計(jì)沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，受限于霍爾元件的類型，測量所得表磁數(shù)值也不相同. 因此，設(shè)計(jì)能夠精確測量磁體表磁的裝置和方案顯得至關(guān)重要. 由電磁感應(yīng)定律得知，磁體產(chǎn)生的表磁如果發(fā)生周期性變化，其附近的感應(yīng)裝置就會產(chǎn)生穩(wěn)定的電學(xué)信號，而對于電學(xué)信號的檢測是測量磁體表磁的有效途徑. 其中，測量旋轉(zhuǎn)磁體所產(chǎn)生的感應(yīng)電信號將是一種測量表磁的重要手段. 另一方面，轉(zhuǎn)速是機(jī)械運(yùn)動的基本參量[2]，動力機(jī)械中的許多特性參量都與轉(zhuǎn)速有關(guān)，所以轉(zhuǎn)速測量是工業(yè)生產(chǎn)各個領(lǐng)域的要點(diǎn). 反推之，在該體系下對感應(yīng)電信號的測量也是測算機(jī)械轉(zhuǎn)速的巧妙方法. 在工程實(shí)踐中,經(jīng)常需要測量轉(zhuǎn)速, 例如在發(fā)動機(jī)、電動機(jī)、卷揚(yáng)機(jī)、機(jī)床主軸等旋轉(zhuǎn)設(shè)備的試驗(yàn)、運(yùn)轉(zhuǎn)和控制中,常需要分時或連續(xù)測量和顯示其平均轉(zhuǎn)速及瞬時轉(zhuǎn)速. 但是，傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)速測量儀很難兼顧固定時間段內(nèi)平均轉(zhuǎn)速和瞬時轉(zhuǎn)速的測量. 為了滿足實(shí)際需求，本文設(shè)計(jì)了能夠同時測量瞬時和平均轉(zhuǎn)速的儀器，適用工業(yè)生產(chǎn)各領(lǐng)域.

1 實(shí)驗(yàn)裝置的原理及設(shè)計(jì)思路

1.1 電磁感應(yīng)原理

電磁感應(yīng)現(xiàn)象是指因磁通量變化產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的現(xiàn)象. 電磁感應(yīng)現(xiàn)象中產(chǎn)生的電動勢(電壓)稱為感應(yīng)電動勢[3]. 感應(yīng)電動勢的大小由法拉第電磁感應(yīng)定律確定：

(1)

其中，n為感應(yīng)線圈的匝數(shù). 磁通量的變化可以由磁場環(huán)境的變化引起，也可以因感應(yīng)回路發(fā)生運(yùn)動而產(chǎn)生.

1.2 霍爾計(jì)數(shù)原理

當(dāng)電流垂直于外磁場通過導(dǎo)體時，載流子發(fā)生偏轉(zhuǎn)，垂直于電流和磁場的方向會產(chǎn)生附加電場，從而在導(dǎo)體的兩端產(chǎn)生電勢差，這種現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng). 后來發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體也有這種效應(yīng)，而且其霍爾效應(yīng)比金屬強(qiáng)得多，利用這現(xiàn)象可以制成各種霍爾元件. 當(dāng)霍爾傳感器與磁鐵近距離接觸一次，磁感應(yīng)強(qiáng)度足夠輸出一次脈沖信號，統(tǒng)計(jì)單位時間內(nèi)的脈沖信號數(shù)就可以計(jì)數(shù).

1.3 光電計(jì)數(shù)原理

光電式傳感器是將光信號轉(zhuǎn)化為電信號的傳感器,它的理論基礎(chǔ)是光電效應(yīng)，即光電元件受光照后，電特性發(fā)生變化. 紅外對管是紅外線發(fā)射管與光敏接收管，或紅外線接收管配合在一起使用時的總稱. 紅外線接收二極管在反向電壓作用下工作. 沒有光照時，反向電流很小(一般小于0.1 μA)，稱為暗電流. 當(dāng)有紅外線光照時，攜帶能量的紅外線光子進(jìn)入PN結(jié)后，把能量傳給共價鍵上的束縛電子，使部分電子掙脫共價鍵，從而產(chǎn)生電子-空穴對(即光生載流子). 它們在反向電壓作用下參加漂移運(yùn)動，使反向電流明顯變大，從而產(chǎn)生光電流. 通過檢測光電流脈沖信號的頻率就可以起到脈沖計(jì)數(shù)的作用[4].

1.4 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)思路

本論文設(shè)計(jì)的目的為:1)設(shè)計(jì)能夠定量測量磁體表面磁感應(yīng)強(qiáng)度，從而判斷磁體磁性的有效方法；2)設(shè)計(jì)能夠兼顧準(zhǔn)確測量馬達(dá)瞬時和平均轉(zhuǎn)速的簡易裝置. 鑒于上述2個目標(biāo)，利用霍爾計(jì)數(shù)和光電計(jì)數(shù)相輔助，較為準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)了固定時間內(nèi)平均轉(zhuǎn)速的測量；通過轉(zhuǎn)速儀聯(lián)動，固定磁場在方向發(fā)生周期性變化時，利用檢測線圈產(chǎn)生的感應(yīng)信號，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動頻率和磁體表磁的同步測試.

2 實(shí)驗(yàn)裝置的組成

2.1 可控轉(zhuǎn)速和電磁感應(yīng)信號的產(chǎn)生裝置

圖1為多功能轉(zhuǎn)速測量儀的立體剖面圖和重要部件的分解示意圖片.

圖1(a)為測量儀的主體，是一套完整的馬達(dá)測速和表磁測量系統(tǒng). 其中，轉(zhuǎn)動馬達(dá)選用41K25RGN-C型單相異步電機(jī)，工作電壓為220 V，功率為25 W，在本實(shí)驗(yàn)中作為穩(wěn)定轉(zhuǎn)速源；固定框架為方鋼管框架結(jié)構(gòu)下亞克力板封裝結(jié)構(gòu)，在本裝置中起固定馬達(dá)與同軸器件作用，該框架分為2處隔離空間，左側(cè)空間為平均轉(zhuǎn)速測量室，右側(cè)空間為瞬時轉(zhuǎn)速測量室和磁子磁性測量室，通過鋼制轉(zhuǎn)軸相連；平均轉(zhuǎn)速測量室中包括同軸測速轉(zhuǎn)盤、用來記錄脈沖信號的紅外對管和霍爾計(jì)數(shù)傳感器；其中轉(zhuǎn)盤與轉(zhuǎn)軸嚴(yán)格垂直，以保證旋轉(zhuǎn)過程穩(wěn)定；為保證轉(zhuǎn)速測試的準(zhǔn)確性，紅外對管傳感器與霍爾計(jì)數(shù)傳感器與測速轉(zhuǎn)盤之間的距離控制在5～10 mm之間.

圖1(b)為測速轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)示意圖，轉(zhuǎn)盤直徑約為130 mm，轉(zhuǎn)盤圓心與轉(zhuǎn)軸固定；測速轉(zhuǎn)盤同一直徑兩側(cè)分別有2處圓形凹槽，一側(cè)鏤空成一直徑約為5 mm的圓孔，該圓孔距圓心距離與紅外對管相同，每次圓孔經(jīng)過紅外對管中間時，紅外接收管將不受阻擋而接收到紅外光，輸出一次脈沖計(jì)數(shù)信號；直徑另一側(cè)鑲嵌直徑約為10 mm的小磁扣，該磁扣距圓心距離與霍爾傳感器相同，霍爾傳感器每與磁扣相對一次，即輸出一次脈沖信號. 通過采集固定時間內(nèi)的紅外或霍爾傳感器輸出信號數(shù)，便可計(jì)算出該時間段內(nèi)馬達(dá)的平均轉(zhuǎn)速.

(a) 綜合轉(zhuǎn)速儀的立體剖面圖 (b) 測速轉(zhuǎn)盤的結(jié)構(gòu)示意圖

(c) 電磁感應(yīng)瞬時測速和表磁測量系統(tǒng)主體刨面圖 (d) 轉(zhuǎn)動磁子系統(tǒng)的立體剖面圖1.轉(zhuǎn)動馬達(dá) 2.固定框架 3.聯(lián)動轉(zhuǎn)軸 4.同軸測速轉(zhuǎn)盤 5.紅外對管計(jì)數(shù)傳感器 6.霍爾計(jì)數(shù)傳感器 7.螺線圈 8.磁體套組圖1 多功能轉(zhuǎn)速測量儀立體剖面圖和部分部件剖面圖

圖1(c)為利用電磁感應(yīng)進(jìn)行瞬時速度和表磁測量系統(tǒng)主體刨面圖，該系統(tǒng)外側(cè)腔體使用PVC管制成，腔體內(nèi)徑約70 mm. 在管外側(cè)中央位置纏繞一組漆包銅線圈，匝數(shù)為480匝，漆包銅線直徑為0.02 mm，為保證測量數(shù)據(jù)的精確性，線圈展開寬度約10 mm. 銅線兩端與面板上的交流電壓表和示波器相連接. 腔體中央的轉(zhuǎn)動磁子系統(tǒng)與馬達(dá)同速旋轉(zhuǎn).

如圖1(d)為轉(zhuǎn)動磁子系統(tǒng)的立體剖面圖. 該系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)軸、磁子外夾和磁子組構(gòu)成. 該磁子外夾由尼龍材料利用3D打印技術(shù)制造，內(nèi)徑為18～20 mm，用于夾持待測磁體. 磁子組為待測磁體或者磁體組合，本實(shí)驗(yàn)中選用多塊直徑為20 mm、厚度4.5mm的圓形釹鐵硼(Nd2Fe14B)磁體組合以N-S極相對形式組合.

2.2 馬達(dá)轉(zhuǎn)速和電磁感應(yīng)信號輸出裝置

圖2～3為實(shí)驗(yàn)裝置的顯示面板和用于感應(yīng)信號檢測的外接示波器照片. 如圖2所示，單刀雙擲開關(guān)控制的是紅外對管傳感器和霍爾計(jì)數(shù)傳感器輸出信號開關(guān)和轉(zhuǎn)換，計(jì)數(shù)表每接收1次脈沖信號計(jì)數(shù)器顯示數(shù)字累加1，代表馬達(dá)旋轉(zhuǎn)1圈. 交流電壓表量程為10 V，與螺線圈兩端相連，顯示的是線圈感應(yīng)交流電壓的有效值. 感應(yīng)信號外接輸出接頭也與螺線圈兩端相連，用于外接示波器等信號檢測裝置. 如圖3所示，為本實(shí)驗(yàn)中測量羅線圈感應(yīng)信號的示波器，型號為Tektronix DPO5014型. 利用該示波器可以精確測量并導(dǎo)出電磁感應(yīng)信號.

圖2 轉(zhuǎn)速儀顯示面板

圖3 示波器照片

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果

為了測定指定時間內(nèi)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，本實(shí)驗(yàn)中利用紅外對管傳感器和霍爾傳感器分別對指定時間內(nèi)(60 s)采集到的脈沖信號的平均次數(shù)，從而計(jì)算馬達(dá)的轉(zhuǎn)動周期和角速度. 表1為負(fù)載不同塊磁體時，不同擋位下電機(jī)轉(zhuǎn)速測量數(shù)據(jù). 其中，旋轉(zhuǎn)周期由公式

T=60/N

(2)

計(jì)算. 旋轉(zhuǎn)角速度由公式

ω=2π/T

(3)

計(jì)算. 為了測定串接磁鐵的表磁，實(shí)驗(yàn)中，將感應(yīng)螺線圈輸出信號接入交流電壓表，以讀取感應(yīng)線圈在磁體轉(zhuǎn)動時輸出的感應(yīng)電壓有效值. 表2為負(fù)載不同塊磁體時，各旋轉(zhuǎn)擋位下感應(yīng)線圈輸出電壓信號數(shù)據(jù).

表1 利用霍爾傳感器和紅外對管傳感器對馬達(dá)各擋位x轉(zhuǎn)動周期和角速度的測量數(shù)據(jù)

表2 各旋轉(zhuǎn)擋位下負(fù)載不同塊磁體時感應(yīng)線圈輸出電壓信號數(shù)據(jù)

由式(1)可知：

其中線圈匝數(shù)n=480. 對于表磁為B磁體, 表面積為S的磁體在轉(zhuǎn)動過程中產(chǎn)生磁通量：

Φ=BSsinθ,

(4)

其中θ為磁感應(yīng)強(qiáng)度B與線圈法向的夾角. 線圈感應(yīng)電動勢可表示為：

ε=-nBSωsinθ,

(5)

當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B與線圈法向垂直時，即θ=π/2, 此時感應(yīng)電動勢出現(xiàn)峰值：

εm=-nBSω,

(6)

由于感應(yīng)線圈產(chǎn)生的信號為正弦信號，電壓輸出的最大電動勢

(7)

由此可知磁感應(yīng)強(qiáng)度大?。?/p>

(8)

為了分析串接磁體的總表磁與單位磁體表磁之間的關(guān)系，如圖4所示,擬合了不同電機(jī)擋位下線圈輸出感應(yīng)電壓峰值隨負(fù)載隨磁體塊數(shù)變化的規(guī)律. 從圖4中可以發(fā)現(xiàn)，輸出感應(yīng)電壓峰值與磁體塊數(shù)呈線性變化規(guī)律. 這一現(xiàn)象說明多塊磁體串接之后的磁體的表磁隨磁鐵塊數(shù)呈線性疊加規(guī)律. 由式(8)可知，圖4中擬合出的曲線斜率Kx對應(yīng)為x擋位轉(zhuǎn)速下每個負(fù)載磁體輸出電壓峰值的平均值. 因此，可知單個磁體的表磁為

(9)

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表3所示.

圖4 各擋位下線圈輸出感應(yīng)電壓峰值隨負(fù)載隨磁體塊數(shù)變化的規(guī)律

xKxB/(10-2 T)10.465.0520.855.0231.104.9941.255.27

由表3可知，每塊銣鐵硼磁體的表磁大小約為5.0×10-2T. 由本方法可以較近似測量不同類型磁體的表磁.

為了能夠準(zhǔn)確測量電機(jī)的瞬時轉(zhuǎn)速，并更精確地測量磁體的表磁，利用示波器對感應(yīng)線圈輸出信號進(jìn)行分析. 如圖5所示，為各擋位下負(fù)載不同磁體時線圈輸出的感應(yīng)信號圖. 從圖5可以發(fā)現(xiàn)，在電機(jī)勻速轉(zhuǎn)動的過程中，感應(yīng)線圈輸出具有固定周期的正弦交流信號. 而且，在相同擋位下，負(fù)載不同磁體數(shù)時感應(yīng)信號周期基本相同，說明輸出的正弦信號的周期與電機(jī)的轉(zhuǎn)動一致. 當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速越大時，輸出信號的周期越小，頻率越大. 通過讀取指定完整周期內(nèi)的波峰或波谷間距，就可以直接計(jì)算獲得每個擋位下旋轉(zhuǎn)的周期T. 利用式(3)就可以算得電機(jī)轉(zhuǎn)動的角速度.

另一方面，在輸出信號曲線中可以直接讀取到輸出電壓的峰值，此峰值即為最大感應(yīng)電動勢εm. 利用式(8)就可以算出串接磁體的總表磁，從而獲得每塊磁體的平均表磁，具體數(shù)據(jù)如表4所示. 由統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，單塊磁體的平均表磁平均值0.573T,該結(jié)果與交流電壓表測試結(jié)果基本一致，但更加精確，這是由于示波器精確的靈敏度所導(dǎo)致.

(a)1擋

(b)2擋

(c)3擋

(d)4擋圖5 各擋位下負(fù)載不同磁體時線圈輸出的感應(yīng)信號圖

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)一種能夠準(zhǔn)確定量測量磁體表面磁感應(yīng)強(qiáng)度的裝置和測量方法，是描述磁體磁性的有效手段. 利用電磁感應(yīng)原理，通過周期性變化磁場方向的形式，使感應(yīng)線圈被動切割磁力線，從而輸出感應(yīng)信號. 通過對感應(yīng)信號的檢測，逆向算出磁體的表磁. 充分運(yùn)用光、電、磁等基本原理，本實(shí)驗(yàn)裝置綜合使用光電傳感器、霍爾計(jì)數(shù)傳感器和電磁感應(yīng)檢測系統(tǒng)，還可以實(shí)時測量機(jī)械轉(zhuǎn)速. 利用簡單的物理原理設(shè)計(jì)的多功能裝置，不但能夠準(zhǔn)確測量磁體表磁，還可以兼顧到平均轉(zhuǎn)速和瞬時轉(zhuǎn)速的測量.