主机、副机、应急发电机经常因转速传感器启动失败...业界前辈整理了些资料带你搞透它！

近期内有几起船舶的主机、副机和应急发电机发生启动故障，原因属于转速传感器问题。有的是传感器没有损坏，只是探头或飞轮（齿轮）齿顶脏污；或探头松动；有的属探头损坏。在判断探头是否正常时，不知如何判断？或在更换备用探头时因接线颜色与原件不一致而导致不知如何正确接线？云趣开始也是一知半解，经查阅教材和网络资料，摘抄部分内容和粗编这篇文稿，但愿对同仁有所裨益，如有瑕疵和不对之处，敬请赐教和修正！

1. 概述：转速传感器是将旋转物体的转速转换为电量信号输出的传感器，属于间接式测量装置。按原理和结构可分为磁电式、电涡流式、霍尔式、磁阻式和接近开关式等类型；船舶常用磁电式、霍尔式两种，

磁电式转速传感器是被动式转速传感器，又称无源转速传感器（不需另外的电源输入了）；霍尔式和磁阻式转速传感器是主动式转速传感器，也称有源转速传感器（需有另外的电源输入），在外部供电无法提供时，主动式转速传感器将无转速信号产生。

2. 磁电式转速传感器

2.1 原理：

图1传感器安装位置示意图

磁电式转速传感器是以磁电感应为基本原理来实现转速测量的，磁电式转速传感器探头是由铁芯、磁钢、感应线圈等部件组成。在柴油机有测速齿轮（齿是带有磁性，N×60 个齿）的飞轮的外侧，安装有电磁线圈的探头，探头与齿顶有一定的间隙【此间隙厂家有规定，间隙太小，除了齿轮容易碰撞探头外，还会影响传感器波形输出；间隙太大将降低传感器的电压输出。这些都会影响测速系统的正确性，甚至会导致系统不工作】。柴油机转动时，测速齿轮随之转动，当齿轮的齿顶与探头相遇时，因间隙较小，磁阻较小，通过探头感应线圈的磁能量较高，而当齿轮的齿槽与脉冲探头相遇时，间隙较大，磁阻变大，通过线圈的磁通量较弱。因此，在测速齿轮随柴油机曲轴转动时，齿顶与齿槽相继与探头交替相遇，使得其线圈中的磁通量或大或小不断地变化，从而感应出具有对应频率的脉冲电势，每转过一个齿，探头就产生一个脉冲；转速越高，脉冲频率越高。

图2 磁头结构原理图

图3磁电式速度传感器工作原理

探头输出的感应电势脉冲信号较弱，其波形也不理想，所以要把脉冲信号送入整形放大电路，使其转换或同频率的有较大幅值的矩形波，矩形波再经频率/电压转换电路变成电压信号，也就是把转速按比例转换成相应的电压信号，该电压信号的大小反应了转速的高低。

图4 频率-电压转换器原理图

对能正/反转的柴油机来说，单个此探头无法检测柴油机的转向，为了鉴别柴油机的转向，就必须安装两个探头，两个探头之间错位1/4齿距，使得两个探头所产生的脉冲信号在相位上相差1/4周期，即两个脉冲信号间的相位超前或滞后1/4周期。这两个探头的脉冲信号经整形放大后分别送至D触发器的D端和CP端，由其输出端Q是1或0来判断柴油机是正转还是反转。【注意：这两个探头的安装位置有顺序，不能装反，不然，系统对柴油机正/反转的方向的判断刚好相反。】

图5 磁脉冲传感器检测主机转向的原理

2.2 磁电式转速传感器的特点：磁电式转速传感的工作方式决定了它有很强的抗干扰性，能够在烟雾、油气、水汽等环境中工作。磁电式转速传感器输出的信号强，测量范围广，齿轮、曲轴、轮辐等部件，及表面有缝隙的转动体都可测量。

磁电式转速传感器的工作维护成本较低，运行过程无需供电，完全是靠磁电感应来实现测量，同时磁电式转速传感器的运转也不需要机械动作，无需润滑。磁电式转速传感器的结构紧凑、体积小巧、安装使用方便，可以和各种二次仪表搭配使用。

2.3 磁电式速度传感器的接线：有2线制的也有3线制的，2线制的两根线都是信号线；3线式磁电式速度传感器：2根是信号线，另外1根是信号屏蔽线、

2.4 转速传感器有故障或提供不正确的信号。

1）转速传感器的气隙不符合标准。

2）转速传感器被灰尘污染。

3）转速传感器（线圈）已损坏。

4）转速传感器的磁场太弱。

5）转速传感器线束损坏。

6）转速传感器线束短路。

7）转速传感器信号失真。

2.5 磁电式转速传感器的检查和测量：

根据以上原因进行检查传感器安装是否到位，传感器磁头及信号盘是否脏污，必要时重新安装或进行清理。如果故障依旧，则需对传感器进行电气测量。

电阻测量法：拔下发动机转速传感器插头，用数字万用表测量发动机转速传感器的两条信号线之间的阻值(800 欧左右)，用数字万用表分别测发动机速度传感器两条信号线与屏蔽线之间的电阻应为无穷大，测量完插好发动机转速传感器插头。

电压测量法： 不起动发动机；将万用表档位调至交流电压(一般调至 20V)档测量发动机转速传感器两条信号线之间的 电压此时电压为 0V；起动发动机，怠速时万用表上的电压应显示 1V 左右，增加发动机的转速，万用表上的电压应会随之发动机转速升高而增加。 

3. 霍尔传感器：

霍尔传感器是利用霍尔效应（磁电效应的一种）原理制成的传感器，它通过探头感应测速齿轮或带齿的飞轮所产生的电压脉冲信号来测量物体的转动转速。霍尔效应传感器属于被动型传感器，要有外加电源才能工作，这一特点能检测转速低的运转情况。传感器由霍尔元件、永磁体和整形电路组成的。

  图6原理图和事物图

3.1工作原理：

3.1-1 霍尔效应：当电流垂直于外磁场通过导体时，导体垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差，这一现象便是霍尔效应。该电势差称为霍尔电压。

霍尔效应的本质是带电粒子在外加磁场中运动时，受到洛仑兹力的作用而使轨迹发生偏移，并在材料两侧产生电荷积累，形成垂直于电流方向的电场，最终使载流子受到的洛仑兹力与电场斥力平衡，从而在两侧建立起电势差。

3.1-2 霍尔式转速传感器：

 

图7 霍尔传感器电压产生原理

当带有磁性的金属部件（如柴油机飞轮的齿轮或凸轮轴上的测速齿轮等运动部件）经过传感器的前端时，会引起传感器的磁场发生变化，传感器内部霍尔元件产生霍尔电势。霍尔元件在产生霍尔电势后，会将其转换为交变电信号，并通过内置的放大电路对信号进行整形和放大，然后传感器输出矩形波信号。因此通过测定传感器发出的信号周期即可获取柴油机转速。测速齿轮或飞轮转速越快，输出的电压就越高，频率也越高。

在柴油机飞轮端垂直端面安装一个霍尔转速传感器，传感器前端正对飞轮端面上均匀分布的圆形磁块或飞轮上的磁性齿轮齿顶，当柴油机工作时，经过传感器前端的圆形磁块或飞轮上的磁性齿轮齿顶会引起传感器磁场变化，因此柴油机曲轴每转一周，传感器对外输出脉冲信号。

图8 霍尔转速传感器原理

霍尔转速传感器的应用优势：1.霍尔转速传感器的输出信号不受到转速值的影响，使用转速范围广；2.霍尔转速传感器的频率响应宽，输出电压变化大。3.霍尔转速传感器对电磁波的抗干扰能力强，性能稳定。因此霍尔转速传感器多应用在控制系统的转速检测中。

霍尔传感器的参数（ZS-02型）: ●工作电压：5～24V ● 测量范围：0～20KHz ● 感应距离：0～2mm；● 输出信号：矩形波；● 工作温度：-40 ～+150℃

3.2 霍尔传感器的接线：一般两侧脚为传感器的输入电压，形成供电电路，一根电源负极，一根电源正极；中央脚为信号线输出。所接的电线颜色分别是红、黄、黑，或其它颜色标识。

实例霍尔转速传感器图片和信号输出至系统的电路图

  图9 齿槽正对转速传感器  

齿顶正对转速传感器

3.3 转速传感器或磁环可能有故障或提供不正确的信号。

1）转速传感器的气隙不符合标准。

2）转速传感器被灰尘污染。

3）转速传感器的霍尔效应半导体已损坏。

4）转速传感器的磁场太弱。

5）转速传感器线束损坏。

6）转速传感器线束短路。。

7）磁环被灰尘污染。

8）转速传感器信号失真，因为飞轮或驱动板不在圆内。

3.4 霍尔转速传感器的检查和测量方法：

目视检查：检查传感器安装是否到位，传感器磁头及信号盘是否脏污，必要时重新安装或进行清理。

电气测试：

A) 检查输入传感器电源的电压是否正常，如果输入电压正常，则进行下一步；

B) 输出信号电压测量：拆下传感器插接器，将专用于测试的抽头电缆跨接于转速传感器与传感器插接器之间，然后盘转柴油机，使用直流电压档检测信号电压。如果盘动过程中万用表的读数在0～5V间不断转换，则说明传感器正常；如果恒为固定值，则说明传感器有故障。也可将传感器拆下，将一个金属工具置于传感器磁头处，此时测得的信号电压应接近0V；如果移开工具，则测得的信号电压会接近2V，如果为恒定值，则传感器有故障。也可利用发光二极管接在信号线上，在系统工作时看发光二极管有无闪烁，若有闪烁说明传感器正常。

3.5霍尔传感器使用注意事项：

1、霍尔传感器必须根据被测电流的额定有效值适当选用不同的规格的产品。被测电流长时间超额，会损坏末极功放管，一般情况下，2倍的过载电流持续时间不得超过1分钟。

2、霍尔传感器必须按产品说明在原边串入一个限流电阻R1，以使原边得到额定电流，在一般情况下，2倍的过压持续时间不得超过1分钟。

3、传感器的磁饱和点和电路饱和点，使其有很强的过载能力，但过载能力是有时间限制的，试验过载能力时，2倍以上的过载电流不得超过1分钟。

4、传感器抗外磁场能力为：距离传感器5～10cm的一个超过传感器原边电流值2倍的电流所产生的磁场干扰可以抵抗。三相大电流布线时，与传感器相间距离应大于5～10cm。

文中的内容介绍和图片来自于以下文献：

1）《船舶电气设备管理与工艺》 张春来；

2）《内河LNG燃料动力船舶安全知识与操作》  长江海事局编著

3）《船舶电气及控制培训教程》 1999年中国海事局出版；

4）《轮机长手册》   2000年出版

5）康明斯柴油机说明书；

6）网络上的技术文件；