雙信號輸出的磁敏轉(zhuǎn)速傳感器*

秦玉偉

(渭南師范學(xué)院 物理與電氣工程學(xué)院，渭南 714000)

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雙信號輸出的磁敏轉(zhuǎn)速傳感器*

秦玉偉

(渭南師范學(xué)院 物理與電氣工程學(xué)院，渭南 714000)

介紹了一種利用磁阻效應(yīng)原理的磁敏轉(zhuǎn)速傳感器，可以同時輸出脈沖電壓信號和與轉(zhuǎn)速高低成正比的直流電壓。對不同的齒輪轉(zhuǎn)速進(jìn)行測量，實驗結(jié)果表明，在0～12kHz的信號頻率范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速傳感器性能穩(wěn)定，測量結(jié)果準(zhǔn)確有效。該轉(zhuǎn)速傳感器靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)，且電路簡單、成本低廉，適用于農(nóng)業(yè)機(jī)械的齒輪轉(zhuǎn)速測量。

磁敏；轉(zhuǎn)速；傳感器

0 引言

隨著工業(yè)自動化水平的提高，轉(zhuǎn)速測量在發(fā)動機(jī)、電動機(jī)和卷揚機(jī)等旋轉(zhuǎn)設(shè)備的運轉(zhuǎn)和控制中有著重要意義。目前，轉(zhuǎn)速傳感器主要有電磁感應(yīng)式、光電式和霍爾式等幾種。電磁感應(yīng)式轉(zhuǎn)速傳感器的輸出信號幅值與轉(zhuǎn)速有關(guān)，當(dāng)轉(zhuǎn)速很低時，因信號太弱而無法測量[1]；光電式轉(zhuǎn)速傳感器易受到環(huán)境油污、粉塵以及雜光的影響，難以實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場測量；霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器可以彌補上述傳感器的缺陷，但其溫度穩(wěn)定性差，且輸出信號對測量間距非常敏感，對安裝的要求非常高。磁敏轉(zhuǎn)速傳感器是一種能夠?qū)崿F(xiàn)磁-電變換的非接觸式傳感器，具有靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、成本低及適合工業(yè)化生產(chǎn)等優(yōu)點。

1 磁敏轉(zhuǎn)速傳感器的原理

磁敏轉(zhuǎn)速傳感器的核心器件是磁敏電阻，利用半導(dǎo)體磁阻效應(yīng)制成。磁阻效應(yīng)是指均勻的磁場中放入通有電流的半導(dǎo)體，運動的載流子因受到洛倫茲力的作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致電阻率增大的現(xiàn)象[2]。磁阻效應(yīng)包括物理磁阻效應(yīng)和幾何磁阻效應(yīng)兩種[3]，物理磁阻效應(yīng)是與霍爾效應(yīng)同時發(fā)生的一種物理現(xiàn)象，是指在霍爾電場的作用下，半導(dǎo)體中的部分電子的運動方向發(fā)生偏斜，使材料電阻率增大的現(xiàn)象；幾何磁阻效應(yīng)是指相同的磁場作用下，半導(dǎo)體材料的幾何形狀不同，電阻值產(chǎn)生不同變化的現(xiàn)象。由于銻化銦材料具有較高的電子遷移率，因此適合制作磁敏電阻。磁敏電阻通常是在較長的銻化銦材料上沉淀許多等寬和等間隔的金屬短路條，由許多短而寬的微小型磁敏電阻串聯(lián)組成。磁敏轉(zhuǎn)速傳感器由磁敏電阻和信號處理電路兩部分構(gòu)成，磁敏電阻將采集到的磁信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，通過施加偏置磁場，使磁敏電阻工作在線性特性范圍內(nèi)，提高檢測靈敏度。磁敏電阻采用三端差分型信號采集方式，將兩個特性幾乎相同的磁阻芯片MR1和MR2串連，從兩個磁阻芯片的中間點采集輸出信號。該方式可以顯著提高磁敏傳感器的輸出電壓，有效地抑制溫漂，提高共模抑制比[4-5]。

當(dāng)磁頭表面附近沒有鐵磁性物體時，兩個磁敏電阻的阻值大致相等，磁感線分布均勻，如圖1a所示；當(dāng)鐵磁性物體運動至MR1附近時，穿過MR1的磁感線增多，而穿過MR2磁感線減少，從而導(dǎo)致MR1的電阻值增大而MR2的阻值減小，如圖1b所示。反之，當(dāng)鐵磁性物體通過MR2時，MR2的電阻值增大而MR1的阻值減小，如圖1c所示。

圖1 磁敏電阻工作原理圖

轉(zhuǎn)速測量示意圖如圖2所示，當(dāng)齒輪的轉(zhuǎn)速為零時，磁敏電阻的阻值大致相等，磁敏傳感器輸出電壓值約為電源電壓的1/2。當(dāng)齒輪的齒尖對準(zhǔn)MR1時，齒輪的齒跟剛好對準(zhǔn)MR2，齒輪的持續(xù)轉(zhuǎn)動將引起MR1和MR2所處的空間磁場發(fā)生周期性變化，從而使磁阻元件的阻值發(fā)生周期性變化，在供電電源電壓不變的情況下，磁敏傳感器就會輸出周期性變化的電壓，因此可以通過測量信號的頻率實現(xiàn)齒輪轉(zhuǎn)速測量。當(dāng)齒輪旋轉(zhuǎn)一周時，就有Z個齒部通過MR2(MR1)，磁敏電阻器輸出Z個上(下)尖峰。輸出頻率f、齒輪轉(zhuǎn)速n(r/min)和齒輪齒數(shù)Z之間的關(guān)系為:

n=60f/Z

圖2 轉(zhuǎn)速測量示意圖

2 信號處理電路

磁敏電阻輸出的微弱電壓信號伴隨噪聲干擾，因此要經(jīng)過放大和濾波處理，以抑制噪聲的干擾，提高輸出信號的信噪比和可靠性。為解決磁敏電阻的阻抗匹配問題，使用電壓跟隨器，改善信號輸出特性[6]。電壓比較器將放大濾波后的模擬信號進(jìn)行處理，使其輸出工整的脈沖信號。頻率-電壓轉(zhuǎn)換電路可以將脈沖信號轉(zhuǎn)化為大小與轉(zhuǎn)速成正比的電壓信號，信號處理過程如圖3所示，由信號采集、濾波放大、數(shù)字化(比較器)、頻率-電壓轉(zhuǎn)換(F-V)等部分組成。

圖3 信號處理框圖

放大電路部分采用阻容耦合的兩級濾波放大電路，如圖4所示。

磁敏傳感器采集的微弱信號經(jīng)電壓跟隨器后，經(jīng)C1和R1耦合后作為第一級濾波放大電路的反相輸入信號。設(shè)置第一級運放的放大倍數(shù)A1≈R4/R1=100，第二級放大倍數(shù)A2≈(R6+R7)/R5=40，因此濾波放大電路的總放大倍數(shù)為A=A1×A2=100×40=4000。濾波放大電路通頻帶寬度直接影響了運放的輸出信號的信噪比，下限截止頻率決定最低轉(zhuǎn)速的測量，通過C1和R1設(shè)置下限截止頻率為fL=1/(2pR1C1)；上限截止頻率能夠抑制高頻噪聲，通過C2和R4設(shè)置上限截止頻率為fH=1/(2pR4C2)。放大后的信號經(jīng)單限電壓比較器轉(zhuǎn)換成脈沖信號，閾值電壓UT=Vcc·R2/(R2+R3)。當(dāng)輸入電壓Ui>UT時，輸出電壓U0為低電平；當(dāng)輸入電壓Ui

圖4 濾波放大電路

圖5 頻率-電壓轉(zhuǎn)換電路

LM331是由美國NS公司生產(chǎn)的高性價比集成轉(zhuǎn)換芯片，采用8腳DIP封裝，內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由輸入比較器、單穩(wěn)態(tài)定時器、精密電流源電路和輸出電路等部分組成，能夠?qū)崿F(xiàn)頻率-電壓轉(zhuǎn)換功能。檢測齒輪由外徑為6mm，內(nèi)徑為2mm，齒數(shù)為10的45#磁鋼制成，通過調(diào)節(jié)電位器大小改變齒輪轉(zhuǎn)速。

3 結(jié)論

利用示波器測量輸出信號頻率，實驗結(jié)果可知，當(dāng)齒輪與傳感器的檢測距離小于5mm時，在0～12kHz的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，傳感器輸出信號穩(wěn)定，電壓大小不受齒輪轉(zhuǎn)速高低影響，此外，該傳感器能夠同時輸出電壓大小與轉(zhuǎn)速(頻率)高低成正比的模擬信號，可以滿足實際生產(chǎn)與控制的需要。對該傳感器進(jìn)行多次測量， 并與某市場銷售的磁電傳感器相比較，在0～12kHz頻率的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)測量結(jié)果一致，說明該磁敏傳感器測量結(jié)果可靠。該磁敏齒輪轉(zhuǎn)速傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、抗干擾能力強(qiáng)和易于安裝等優(yōu)點，可廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械的齒輪轉(zhuǎn)速測量領(lǐng)域。

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10.3969/j.issn.1000-0771.2015.4.08