转速和角度传感器是如何工作的？
RPM (每分鐘轉數) 和角度感測器是用來測量旋轉物體 (通常是軸、軸或圓盤) 的運動、速度或角度位置的裝置。這類感測器應用廣泛，從小型印表機到大型製造機器、汽車、飛機等等。但它們究竟是如何工作的呢？
要回答這個問題，我們必須先區分不同類型的感測器。根據不同的運作原理和物理效果，感測器有好幾種。最常見的兩種是光學感應器和磁性感應器。
什麼是磁性感測器？
磁性感測器本身又可依其特定的工作原理分為幾個不同的群組。其中，電感式感測器和 TMR（隧道磁阻）感測器是常用的。
什麼是電感式感測器？
電感式感測器是一種簡單的磁性感測器，其基本原理如下 電動力學 – 電感式感測器是一種簡單的磁性感測器，其基本原理是由於磁場的變化而感應電流。一般而言，電感式感測器由一個磁芯線圈組成，線圈的一端連接著永久磁鐵。如果鐵磁性物體在傳感器附近移過，線圈中的磁場就會改變，從而在線圈的繞組中產生電流。此電流或相對應的電壓即可被測量出來。
圖 1 顯示使用鐵磁齒輪的簡化示意圖。每次齒輪繞過感測器時，都會產生一個電流，我們的測量就會達到峰值。同樣道理，齒隙通過時，測量值最低。因此，我們會得到一個振盪信號，單次振盪代表一個齒輪和間隙通過。知道了齒的總數，就可以計算出每轉的時間，從而計算出每分鐘的轉數 (RPM)、頻率和角度位置。
圖 1：磁感測器工作原理的簡化表示。鐵磁齒輪的轉動會改變線圈中的磁場，並產生可量測的電流。
什麼是 TMR 感測器？
TMR 感測器由兩部分組成：附在旋轉物體上的磁鐵和磁阻 (MR) 感測器。磁阻感測器本身是由兩層鐵磁層 – 針層和自由層 – 所組成，兩層之間以絕緣體隔開。即使針層的磁場是固定的，但自由層的磁場可以旋轉，因此會根據外部磁鐵的磁場而改變。
感測器必須與磁鐵保持一定的距離，才能讓兩個磁場互動。然後，感應器會測量由於旋轉磁鐵所產生的外部旋轉磁場的影響，所施加磁場的電阻變化。如果兩個磁場對齊，因此指向同一方向，則電阻會很低。但是，如果外部磁場指向與外加磁場相反的方向，我們測得的電阻就會很高。因此，可以隨時取得週期和角度位置。
圖 2：TMR 感測器工作原理的簡化表示。由於磁鐵的旋轉，感應元件的電阻會隨著旋轉角改變。
什麼是光學感測器？
光學感應器是透過測量物體本身週期性反射的光來測量物體的旋轉。為此，通常會使用紅外 (IR) 雷射將光線射到旋轉的物體上。物體本身會被標上膠帶或其他類似的反射材料，將入射光線反射回感測器。為了測量反射光，通常會使用光電二極體來將吸收的光轉換為可測量的電流。反射光強度的每一個峰值都與電信號的峰值相平行，因此可以確定頻率、週期、旋轉速度和角度位置。
圖 3：光學轉速感測器的操作原理示意圖。由於單一磁帶上的反射較強，因此偵測到信號增加的說明。
何謂訊號處理與角度定位？
前述的光學和電感式感測器可概括為增量式編碼器。這些感測元件（光學或磁性）所提供的訊號，通常會透過閾值開關轉換為方波訊號。輸出的脈衝傳送到評估電子元件並進行計數。每個時間間隔所計算的脈衝數代表位置變化的量測。
為了獲得移動方向的資訊，使用了兩個稍微偏移的感測器，這會產生兩個非同步信號。從這兩個訊號的前緣和後緣的順序，可以判斷移動的方向。最後，為了絕對確定位置，每轉一圈會執行一次歸零脈衝，以標記一轉的開始/結束。
圖 4：從兩個略微偏移的感測器加上零脈衝得到的轉換方波信號。這些測量包括絕對位置判定所需的一切。
DEWETRON 的光學感測器
如前所述，RPM 感測器被廣泛應用於各種機器中。然而，其預期目的總是各不相同 – 有時它只需要作為其他測量通道的附加資訊，而在其他情況下，它可能需要用於特定的分析。根據感測器的應用，安裝和安裝有時簡單，有時不簡單。
我們的產品 – TACHO PROBE 和 TAPE SENSOR – 提供兩種易於使用和安裝的光學感測器，用於訂單追蹤、現場平衡、一般 RPM 量測以及旋轉和扭轉振動分析。這兩種感測器均配備 LEMO 連接器，可直接連結至 DEWETRON 量測系統的 LEMO 計數器輸入端。除了訊號傳輸之外，LEMO 計數器輸入也提供電源電壓 – 因此不需要額外的電源供應。
圖 5：DEWETRON 膠帶感測器的實際應用。上圖顯示已安裝的感測器，以及附著在轉輪上的反光黑白膠帶。下圖顯示透過 OXYGEN – DEWETRON 的直覺式測量軟體所測量和處理的資料。
總而言之，市場上有許多不同的轉速和角度感測器。通常，它們都是基於光學或電磁效應。其中有些操作原理和實現方式比其他的更複雜。我們在 DEWETRON 為您提供兩種簡單但有效的光學感測器，並結合高度詳細的測量系統，以滿足各種實際應用的需求。
