高轉速磁電式轉速傳感器的研制與生產新工藝

薛滔

（新鄉(xiāng)北方車輛儀表有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453000）

車輛用的發(fā)動機在全工作狀態(tài)控制過程中，轉速是表征性能、反映狀態(tài)的重要參數(shù)，同時也是系統(tǒng)閉環(huán)控制和狀態(tài)監(jiān)控的控制變量。轉速的監(jiān)測位置是在發(fā)動機或變速箱的變速齒輪處。這就要求轉速傳感器應能可靠地工作在高轉速狀態(tài)下，而且測量范圍大，結構簡單，耐高溫，抗干擾能力強。目前轉速測量的方法很多，有磁電式、光電式、霍爾式等。其中磁電式轉速傳感器屬能量轉換式傳感器，將機械能轉換成電能輸出。以非接觸的形式測量表面為金屬導體的物體的轉速，無需媒介源電路。磁電式轉速傳感器具有結構簡單、頻率響應寬、靈敏度高、測量范圍大、抗干擾能力強，體積較小等特點，可測量幾十～幾萬轉／分的轉速范圍，因而應用廣泛。

1 設計原理和結構

圖1 磁電式轉速傳感器結構原理圖

高轉速磁電式轉速傳感器是根據(jù)電磁感應原理設計的，它是由傳感器及測速齒輪組成，傳感器的凸臺正對齒輪的齒，如圖1所示。傳感器的凸臺與齒輪的齒之間有氣隙δ，氣隙δ的交替變化周期性地改變磁路中傳感器鐵磁材料的磁導率μ，磁導率μ周期性的變化引起通過永磁材料上線圈的磁通量的變化，從而在線圈兩端輸出周期性、上下對稱的脈沖電壓信號，如圖2所示。脈沖信號的波形與齒輪的齒型有關，圖中所示是漸開線型齒輪的齒型對應的正弦波形。

高轉速磁電式轉速傳感器是將非電量轉速信號轉換為對稱的脈沖信號，然后由轉換電路轉換成方波信號，提供給后面的處理電路使用。脈沖的額率值與轉速的關系為；

其中：n為發(fā)動機轉速、f為脈沖的頻率值、z為音輪的齒數(shù)

從公式中可以看出，音輪的齒數(shù)z是個常數(shù)，轉速n與脈沖的頻率值f成正比關系。脈沖的頻率值f是數(shù)字量，其抗干擾能力強，精度高。

圖2 傳感器輸出脈沖信號波形

鐵磁材料的磁感應強度為

其中：H為磁場強度、μ為鐵磁材料的磁導率

線圈的磁通量為

由于線圈的截面積是不變的，所以上式可寫為：

其中：N為線圈匝數(shù)、S為線圈的截面積、B為鐵磁材料的磁感應強度

線圈的感生電動勢為

其中：N為線圈匝數(shù)、S為線圈的截面積、B為鐵磁材料的磁感應強度、μ為鐵磁材料的磁導率

在上式中，線圈匝數(shù)N、鐵磁材料的磁感應強度B和線圈的截面積s三個參數(shù)是常量，當這三個參數(shù)確定時，感生電動勢E的變化只與鐵磁材料的磁導率μ有關，并且感生電動勢E的大小與鐵磁材料的磁導率μ成正比關系，但方向相反。

傳感器的凸臺與音輪的齒之間的氣隙δ的大小及變化的快慢直接影響鐵磁材料的磁導率μ，進而影響線圈的輸出電動勢。當氣隙δ增加或變化減慢時，鐵磁材料的磁導率μ降低，磁路的磁阻R增加，磁通量準減少，感生電動勢E值變??；當氣隙δ減少或變化加快時，鐵磁材料的磁導率μ升高，磁路的磁阻R減少，磁通量準增加，感生電動勢E變大。氣隙δ小或變化快時，靈敏度高；氣隙δ大或變化慢時，靈敏度低。

2 材料的選擇

傳感器輸出信號的頻率與測速齒輪的齒數(shù)和被測物體轉速的關系如式(1)所示，這種關系只與傳感器的結構形式有關，與傳感器各組成部分的選材無關。但是，傳感器輸出信號的大小卻與材料的選擇密切相關，永磁材料的磁場強度越強、線圈的匝數(shù)越多、線圈的截面積越大、鐵磁材料的磁導率越高．傳感器輸出信號的峰--峰值越大。

（1）永磁材料的選擇：高磁場強度、小剩磁和矯頑磁力，電阻率高、損耗小、磁性能穩(wěn)定、熱膨脹系數(shù)小。選用的永磁材料的磁導率μ要受溫度的影響小，可以選用釹鐵硼或鋁鎳鈷做永磁材料磁芯。如果長期在高溫環(huán)境下工作，為保障不退磁，磁芯可選用耐高溫釹鐵硼(N40UH)材料。磁芯可線切割成圓柱形或長方形。

（2）鐵磁材料和測速齒輪材料的選擇：高磁導系數(shù)μ、高飽和磁感應強度、小剩磁和矯頑磁力，電阻率高、損耗小磁性能穩(wěn)定、熱膨脹系數(shù)小、加工性好、價格便宜?？蛇x用電工鋼。

（3）線圈常用高強度漆包線繞制。一般用線直徑為d：0.O6～0.10 mm的漆包線。選用低電阻率、高強度的細線，可提高線圈匝數(shù)，從而提高傳感器的靈敏度。4.骨架采用高頻損耗小，膨脹系數(shù)小。有一定的強度，抗潮濕性能好的絕緣材料制成，要求高的可采用聚四氟乙烯。5.灌封膠在環(huán)境要求不高的情況下可采用環(huán)氧樹脂灌注。當環(huán)境溫度超過+70℃時為防止膠體老化應采用高溫、高阻抗膠，其中“南京喜力特膠粘劑有限公司”生產的W-200型膠適用溫度達到-55～+200℃。

3 生產制造新工藝

（1）鐵磁材料要經過適當熱處理，熱處理的目的是去除鐵磁性材料在剪切加工時的殘余應力和內應力，不改變晶體結構，以提高鐵磁材料性能的穩(wěn)定。熱處理的好壞直接影響材料的線性、零位電壓的大小和靈敏度的高低。材料晶體的排列，主要取決于退火時的降溫速度，上升溫度的速度影響不大。所以，要嚴格控制降溫速度，當爐溫升至910℃時，應保溫4小時后，控制溫度以每小時不大于50℃的速度降至500℃，然后隨爐降至200℃以下出爐。退火后要酸洗、鍍鎳。

鐵磁材料磁芯在熱處理、電鍍、充磁后要進行退磁處理，以提高磁芯的磁穩(wěn)定性。

（2）骨架的加工精度要求高，尺寸和形狀要嚴格對稱，材料要有一定的強度，防止繞線時變形。

（3）在纏繞線圈時，要使用繞線機，繞成階梯形狀，以提高傳感器的分辨率繞線時要戴手套，防止汗水腐蝕漆包線。繞完后用絕緣紙將線圈包起來，防止線圈與殼體短路。

（4）引出線要用高頻電纜，在焊接時要用細砂紙打磨掉電纜和漆包線表面的氧化層，并套上絕緣套管。應選用導磁性能好的材料作保護外殼，同時起到磁屏蔽的作用。使用要求高時，也可用導電材料設置靜電屏蔽層，以減少外界電磁場的干擾。近年來隨著汽車行業(yè)的高速發(fā)展，對轉速傳感器的需求量猛增。為提高效率，在生產工藝上已經有了很大的改進和提高。為實現(xiàn)自動化生產，骨架在注塑成型時將接線銅柱同時注塑在骨架上，線圈由繞線機纏好后，將漆包線、引出線與接線柱由對焊機直接焊接完成，即保證了焊接的可靠性，班日產量也由原來的300件提高到了1 500件。

（5）機芯部件裝進外殼后應由灌封膠灌注傳感器的內部，以固定線圈、磁芯、鐵磁材料。傳統(tǒng)的方法是灌封膠配好后由人工逐件灌注，班日產量300-500件。隨著技術的進步，各種專業(yè)設備的完備，采用自動灌膠機進行灌封，替代了人工配膠、灌注，可實現(xiàn)自動化生產，班日產量1 500-2 000件。由于灌膠機是采用高壓氣體為動力進行灌注的，有效防止了傳統(tǒng)方法灌注時出現(xiàn)的氣泡現(xiàn)象。

4 存放

永磁材料應與成品的傳感器分開一定的距離存放，以防降低永磁材料的磁場強度。傳感器凸臺端面的磁感應強度，最終影響傳感器的使用性能。

5 結論

傳感器輸出脈沖的峰--峰值(V)如表1所示。

表1 傳感器輸出脈沖的峰

數(shù)據(jù)表明：轉速越高，氣隙越小，傳感器輸出的信號越大，這一結論與傳感器的設計原理一致。

傳感器工作的環(huán)境溫度在材料允許的范圍內，而且發(fā)動機在高轉速工況下的工作時間短．線圈不會出現(xiàn)高溫疲勞現(xiàn)象。但是，在使用中出現(xiàn)過傳感器輸出的脈沖信號峰一峰值變小的情況，經測試發(fā)現(xiàn)是在高溫環(huán)境下，傳感器凸臺的端面磁感應強度降低造成的。在高溫箱及轉速校驗臺上多次試驗后，確定其原因是永磁材料和鐵磁材料的質量和熱處理工藝問題。經過重新選材、加工，并嚴格按照熱處理工藝進行熱處理后，制造的傳感器輸出的脈沖信號峰一峰值長期保持不變，其使用性能穩(wěn)定可靠。

[1]袁希光.傳感器技術手冊[Z].北京：國防工業(yè)業(yè)出版社，1986.