KMI15系列集成轉(zhuǎn)速傳感器的原理與應(yīng)用

1、KMI15系列集成轉(zhuǎn)速傳感器的原理與應(yīng)用摘要集成轉(zhuǎn)速傳感器具有靈敏度高、測(cè)量范圍寬、抗干擾能力強(qiáng)、外圍電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，是傳統(tǒng)的分立式轉(zhuǎn)速傳感器的升級(jí)換代產(chǎn)品。文中介紹了15系列磁阻式集成轉(zhuǎn)速傳感器的工作原理與典型應(yīng)用。關(guān)鍵詞轉(zhuǎn)速傳感器；磁阻；電磁干擾濾波器；15轉(zhuǎn)速屬于常規(guī)電測(cè)參 數(shù)。測(cè)量轉(zhuǎn)速時(shí)經(jīng)常采用磁阻式傳感器或光電式傳感器進(jìn)行非接觸性測(cè)量，傳統(tǒng)的磁阻式傳感器是由磁鋼、線圈等分立元件構(gòu)成的，亦可用耳塞 機(jī)改裝而成。但這種傳感器存在一些缺點(diǎn)第一，靈敏度低，傳感器與轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪的最大間隙亦稱磁感應(yīng)距離只有零點(diǎn)幾毫米；第二，在測(cè)量高速旋轉(zhuǎn)物體的轉(zhuǎn) 速時(shí)，因安裝不牢固或受機(jī)械振動(dòng)，容易與齒輪發(fā)生碰撞，

2、安全性較差； 第三，這種傳感器所產(chǎn)生的是幅度很低且變化緩慢的模擬電壓信號(hào)，因此,需要經(jīng)過(guò)放大、整形后變成沿口陡直的數(shù)字頻率信號(hào)，才能送給數(shù)字轉(zhuǎn)速 儀或數(shù)字頻率計(jì)測(cè)量轉(zhuǎn)速，而且外圍電路比較復(fù)雜；第四，它無(wú)法測(cè)量非 常低接近于零的轉(zhuǎn)速，因?yàn)檫@時(shí)磁阻式傳感器可能檢測(cè)不到轉(zhuǎn)速信號(hào)。目前，轉(zhuǎn)速傳感器正朝著高靈敏度、范文先生網(wǎng)收集整理高可靠性和 全集成化的方向發(fā)展，典型產(chǎn)品有飛利浦Philips公司生產(chǎn)的KM 115系列磁阻式集成轉(zhuǎn)速傳感器。KMI15 1的體積較小，其最大外形尺寸為8X6 X21mm，能該傳感器性能優(yōu)良，安全性好，穩(wěn)定性強(qiáng)，是分立式轉(zhuǎn)速傳感器理想 的升級(jí)換代產(chǎn)品。KMI15系列包括KMI

3、15 1、KMI152、KMI154等型號(hào)，它們的工作原理相同，僅性能指標(biāo)略有差異。下面就以KMI15 1為例來(lái)介紹該系列集成轉(zhuǎn)速傳感器的工作 原理與具體應(yīng)用方法。1KMI15 1型傳感器的性能特點(diǎn)KMI15 1芯片內(nèi)含高性 能磁鋼、磁敏電阻傳感器和IC。它利用IC來(lái)完成信號(hào)變換功能，其輸出的電流信號(hào)頻率與被測(cè)轉(zhuǎn)速 成正比，電流信號(hào)的變化幅度為7mA14mA。由于其外圍電路比較簡(jiǎn)單，因而很容易配二次儀表測(cè)量轉(zhuǎn)速。KMI15 1器件的測(cè)量范圍寬，靈敏度高，它的齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)頻率范 圍是025kHz，而且即使在轉(zhuǎn)動(dòng)頻率接近于零時(shí)，它也能夠進(jìn)行測(cè) 量。傳感器與齒輪的最大磁感應(yīng)距離為2.9mm典型值，由于與

4、齒輪相 距較遠(yuǎn)，因此使用比較安全。該傳感器抗干擾能力強(qiáng)，同時(shí)具有方向性，它對(duì)軸向振動(dòng)不敏感。另外，芯片內(nèi)部還有電磁干擾EMI濾波器、電壓控制器以及恒流源，從而保證了其工作特性不受外界因素的影響。KMI15 1的輸出電流信號(hào)ICC是由兩個(gè)電流疊加而成的，一可靠固定在齒輪附近。KMI15采用+12V電源供電典型值，最高不超過(guò)16V工作溫度范圍寬達(dá)40+85C。圖2圖32工作原理KMI15 1型集成轉(zhuǎn)速傳感器的外形如圖1所示，它的 兩個(gè)引腳分別為UCC接+12V電源端和U方波電流信號(hào)輸出端。為使IC處于較低的環(huán)境溫度中，設(shè)計(jì)時(shí)專門將IC與傳感元件分幵，以改善傳感器的高溫工作性能。該傳感器的簡(jiǎn)化電路如

5、圖2所示。其內(nèi)部主要包括以下六部分1磁敏電阻傳感器；2前置放大器A1; 3施密特觸發(fā)器；4幵關(guān)控制式電流源；5恒流源；6電壓控制器。實(shí)際上，該傳感器是由4只磁敏電阻構(gòu)成的一個(gè)橋路，可固定在靠近 齒輪的地方，其測(cè)量原理如圖3所示。當(dāng)齒輪沿Y軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于氣隙處的磁力線發(fā)生變化，磁路中的 磁阻也隨之改變，從而可在傳感器上產(chǎn)生電信號(hào)。此外，該傳感器具有很強(qiáng)的方向性， 它對(duì)沿Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)的物體十分敏感, 而對(duì)沿Z軸方向的振動(dòng)或抖動(dòng)量很不敏感。這正是測(cè)量轉(zhuǎn)速所需要的。工作時(shí)，傳感器產(chǎn)生的電信號(hào)首先通過(guò)EM I濾波器濾除高頻電磁干 擾，然后經(jīng)過(guò)前置放大器，再利用施密特觸發(fā)器進(jìn)行整形以獲得控制信號(hào)UK,并將

6、其加到幵關(guān)控制式電流源的控制端。KMI15 l的典型應(yīng)用3.1安裝方法KMI15 l應(yīng)當(dāng)安裝個(gè)是由恒流源提供的7mA恒定電流IH,另一個(gè)是由幵關(guān)控制式電流源 輸出的可變電流IK。它們之間的關(guān)系式為ICC=IH+IK當(dāng)控制信號(hào)UK=O低電平時(shí)，該電流源關(guān)斷，IK=O,ICC =IH=7mA0當(dāng)UK=1高電平時(shí)，電流源被接通，IK=7mA，從而使得IC C=14mA。圖4給出了從U端輸出的方波電流信號(hào)的波形，其高電平持續(xù)時(shí)間 為tl，周期為T。輸出波形的占空比D=tl/T=50%20%。上升時(shí)間和下降時(shí)間分別僅為0.5皿和0 .7 us。KMI15芯片中的電壓控制器實(shí)際上是一個(gè)并聯(lián)調(diào)整式穩(wěn)壓器，

7、可 用于為傳感器提供穩(wěn)定的工作電壓UC。而電阻R3、穩(wěn)壓管VDZ和晶體管VT1則可構(gòu)成取樣電路，其中VT1接成射極跟隨器。A2為誤差放大器，VT2為并聯(lián)式調(diào)整管。這樣，IH在經(jīng)過(guò)Rl、R2分壓后可給A2提供基準(zhǔn)電壓UREF，從而在UCC發(fā)生變化時(shí)，由A2對(duì)取樣電壓與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較后產(chǎn)生 誤差電壓Ur,同時(shí)通過(guò)改變VT2上的電流來(lái)使UC保持不變。3在轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪的旁邊。若被測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)工件上沒(méi)有齒輪，亦可在轉(zhuǎn)盤外緣處鉆一個(gè)小孔，套上螺 扣，再擰上一個(gè)螺桿并用彈簧墊圈壓緊，以防止受震動(dòng)后松動(dòng)，并以此代 替齒尖獲得轉(zhuǎn)速標(biāo)記信號(hào)。3.2典型應(yīng)用電路KMI15 - 1型集成轉(zhuǎn)速傳感器的典型應(yīng)用電 路如圖5 a所示。工作時(shí)，轉(zhuǎn)速傳感器輸出方波電流信號(hào)，從而在負(fù)載電阻RL與負(fù)載 電容CL上形成電壓頻率信號(hào)UOf，并送至二次儀表。通常取RL=115Q、CL=0.1 (iFo需要指出KMI15 - 1輸出的是齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)頻率f單位是Hz，即次/s信號(hào)，欲得到轉(zhuǎn)速nr/mi n，還應(yīng)將f除以齒輪上的齒數(shù)N，并 將時(shí)間單位改成分鐘，公式如下n =