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(hào)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(shí)輸出脈沖電壓信號(hào)和與轉(zhuǎn)速高低成正比的直流電壓。對(duì)不同的齒輪轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在0～12kHz的信號(hào)頻率范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速傳感器性能穩(wěn)定，測(cè)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(jiǎn)單、成本低廉，適用于農(nóng)業(yè)機(jī)械的齒輪轉(zhuǎn)速測(cè)量。

磁敏；轉(zhuǎn)速；傳感器

0 引言

隨著工業(yè)自動(dòng)化水平的提高，轉(zhuǎn)速測(cè)量在發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)和卷?yè)P(yáng)機(jī)等旋轉(zhuǎn)設(shè)備的運(yùn)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(hào)幅值與轉(zhuǎn)速有關(guān)，當(dāng)轉(zhuǎn)速很低時(shí)，因信號(hào)太弱而無(wú)法測(cè)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(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量；霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器可以彌補(bǔ)上述傳感器的缺陷，但其溫度穩(wěn)定性差，且輸出信號(hào)對(duì)測(cè)量間距非常敏感，對(duì)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(jiǎn)單、成本低及適合工業(yè)化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。

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(chǎng)中放入通有電流的半導(dǎo)體，運(yùn)動(dòng)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(shí)發(fā)生的一種物理現(xiàn)象，是指在霍爾電場(chǎng)的作用下，半導(dǎo)體中的部分電子的運(yùn)動(dòng)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(chǎng)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(zhǎng)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(hào)處理電路兩部分構(gòu)成，磁敏電阻將采集到的磁信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，通過(guò)施加偏置磁場(chǎng)，使磁敏電阻工作在線性特性范圍內(nèi)，提高檢測(cè)靈敏度。磁敏電阻采用三端差分型信號(hào)采集方式，將兩個(gè)特性幾乎相同的磁阻芯片MR1和MR2串連，從兩個(gè)磁阻芯片的中間點(diǎn)采集輸出信號(hào)。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(méi)有鐵磁性物體時(shí)，兩個(gè)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(yùn)動(dòng)至MR1附近時(shí)，穿過(guò)MR1的磁感線增多，而穿過(guò)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(guò)MR2時(shí)，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(cè)量示意圖如圖2所示，當(dāng)齒輪的轉(zhuǎn)速為零時(shí)，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(duì)準(zhǔn)MR1時(shí)，齒輪的齒跟剛好對(duì)準(zhǔn)MR2，齒輪的持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)將引起MR1和MR2所處的空間磁場(chǎng)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(huì)輸出周期性變化的電壓，因此可以通過(guò)測(cè)量信號(hào)的頻率實(shí)現(xiàn)齒輪轉(zhuǎn)速測(cè)量。當(dāng)齒輪旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，就有Z個(gè)齒部通過(guò)MR2(MR1)，磁敏電阻器輸出Z個(gè)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(cè)量示意圖

2 信號(hào)處理電路

磁敏電阻輸出的微弱電壓信號(hào)伴隨噪聲干擾，因此要經(jīng)過(guò)放大和濾波處理，以抑制噪聲的干擾，提高輸出信號(hào)的信噪比和可靠性。為解決磁敏電阻的阻抗匹配問(wèn)題，使用電壓跟隨器，改善信號(hào)輸出特性[6]。電壓比較器將放大濾波后的模擬信號(hào)進(jìn)行處理，使其輸出工整的脈沖信號(hào)。頻率-電壓轉(zhuǎn)換電路可以將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為大小與轉(zhuǎn)速成正比的電壓信號(hào)，信號(hào)處理過(guò)程如圖3所示，由信號(hào)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(hào)處理框圖

放大電路部分采用阻容耦合的兩級(jí)濾波放大電路，如圖4所示。

磁敏傳感器采集的微弱信號(hào)經(jīng)電壓跟隨器后，經(jīng)C1和R1耦合后作為第一級(jí)濾波放大電路的反相輸入信號(hào)。設(shè)置第一級(jí)運(yùn)放的放大倍數(shù)A1≈R4/R1=100，第二級(jí)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(yùn)放的輸出信號(hào)的信噪比，下限截止頻率決定最低轉(zhuǎn)速的測(cè)量，通過(guò)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(guò)C2和R4設(shè)置上限截止頻率為fH=1/(2pR4C2)。放大后的信號(hào)經(jīng)單限電壓比較器轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)，閾值電壓UT=Vcc·R2/(R2+R3)。當(dāng)輸入電壓Ui>UT時(shí)，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(guó)NS公司生產(chǎn)的高性價(jià)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(shí)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(cè)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(guò)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(cè)量輸出信號(hào)頻率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)齒輪與傳感器的檢測(cè)距離小于5mm時(shí)，在0～12kHz的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，傳感器輸出信號(hào)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(shí)輸出電壓大小與轉(zhuǎn)速(頻率)高低成正比的模擬信號(hào)，可以滿足實(shí)際生產(chǎn)與控制的需要。對(duì)該傳感器進(jìn)行多次測(cè)量， 并與某市場(chǎng)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(cè)量結(jié)果一致，說(shuō)明該磁敏傳感器測(cè)量結(jié)果可靠。該磁敏齒輪轉(zhuǎn)速傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、抗干擾能力強(qiáng)和易于安裝等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械的齒輪轉(zhuǎn)速測(cè)量領(lǐng)域。

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10.3969/j.issn.1000-0771.2015.4.08