變磁阻轉(zhuǎn)速傳感器輸出信號的分析與研究

變磁阻轉(zhuǎn)速傳感器輸出信號的分析與研究

1旋轉(zhuǎn)運(yùn)動裝置變磁阻旋轉(zhuǎn)傳感器利用電磁感應(yīng)原理，不需要外部電源和激勵源，可以直接將旋轉(zhuǎn)信號轉(zhuǎn)換為脈象頻率信號。結(jié)構(gòu)簡單，體積小，安裝方便，可靠性高，溫度穩(wěn)定好。變磁阻轉(zhuǎn)速傳感器可以測量由導(dǎo)磁的鐵磁性材料制成的齒輪、葉輪、開槽或開孔圓盤等旋轉(zhuǎn)運(yùn)動物體的轉(zhuǎn)速,是目前應(yīng)用十分廣泛的一種轉(zhuǎn)速傳感器。由于該傳感器的輸出信號的幅度正比于被測物體轉(zhuǎn)速,所以在測量低速運(yùn)動時輸出信號幅度小,抗干擾能力差,甚至無法進(jìn)行測量,這一問題制約了該種傳感器在測量低速運(yùn)動物體方面的應(yīng)用。為解決這一問題,本文針對變磁阻轉(zhuǎn)速傳感器測量開孔圓盤轉(zhuǎn)速的情況,分析了影響輸出信號幅度的各種可能因素在此基礎(chǔ)上提出了提高輸出信號幅度的有效方法,并通過充分的實(shí)驗(yàn)研究證明了所提出的方法的正確性和可行性,從而提高了傳感器抗干擾能力,改善了測量低速運(yùn)動對象時的性能,擴(kuò)大了轉(zhuǎn)速測量范圍。2圓孔的磁阻補(bǔ)償圖1是用變磁阻傳感器測量圓盤轉(zhuǎn)速的示意圖。變磁阻傳感器主要由永磁體、感應(yīng)線圈、鐵心及外殼組成。圓盤由鐵磁性材料制成,在靠近外邊緣處開有一個圓孔,變磁阻傳感器的探頭與圓盤之間保持一定的氣隙,傳感器軸線與該圓孔軸線處于同一圓周上。圓盤為鐵磁性材料,磁導(dǎo)率高,而圓孔的介質(zhì)為空氣磁導(dǎo)率低,因此當(dāng)傳感器探頭對著圓孔時磁路的磁阻大,磁通量小,而當(dāng)傳感器探頭在對著圓孔以外的區(qū)域時磁路的磁阻小,磁通量大。這樣當(dāng)圓孔的第一個邊緣經(jīng)過傳感器探頭時磁路的磁阻由小變大,而此磁通則由大變小,而當(dāng)圓孔的第二個邊緣經(jīng)過傳感器探頭時磁路的磁阻由大變小,而此磁通則由小變大。這樣圓孔每經(jīng)過傳感器探頭一次就在傳感器感應(yīng)線圈中感應(yīng)出一個圖1所示電勢脈沖,因而脈沖信號的頻率就表示了圓盤的轉(zhuǎn)速。式中N為傳感器中感應(yīng)線圈的匝數(shù)。由此可見變磁阻轉(zhuǎn)速傳感器的輸出信號的幅值與磁路中磁通量的變化率成正比。分析可以得出影響輸出信號幅值的因素有:(1)胎盤速度圓盤轉(zhuǎn)速越高,圓盤上圓孔經(jīng)過傳感器探頭時磁路中的磁通量的變化率越大,因而傳感器線圈中的感應(yīng)電勢就越大,傳感器輸出信號幅度越大。(2)傳感器輸出信號幅度氣隙越小,傳感器探頭對著圓盤上圓孔以外區(qū)域時磁路的磁阻越小,磁通量越大,因此在傳感器探頭經(jīng)過圓盤上圓孔時磁阻變化率越大,磁通的變化率就越大,因而傳感器輸出信號幅度越大。(3)傳感器輸出信號幅度圓盤材料的磁導(dǎo)率越大,則圓盤的磁阻越小,圓盤上圓孔經(jīng)過傳感器探頭時磁路的磁阻變化越大,磁通的變化率就越大,因而傳感器輸出信號幅度越大。(4)開口的尺寸和形狀開孔的曲率越小,孔的尺寸越大,孔邊緣經(jīng)過傳感器探頭時磁通量的變化越大,因而傳感器輸出幅值越大。(5)傳感器輸出信號幅值圓孔中介質(zhì)的磁導(dǎo)率越小,其磁阻就越大,磁阻和磁通的變化率就越大,傳感器輸出信號幅值越大。作為一種特例,如果在孔中放入永磁介質(zhì),則會使圓孔經(jīng)過探頭時磁路的磁通突變增大,從而使傳感器輸出信號幅度增大。根據(jù)上面的分析可知,影響傳感器輸出信號幅度的原因是多方面的。3傳感器輸出幅度不可行理論上,根據(jù)上面分析得出的幾種因素,采取相應(yīng)措施都可以提高變磁阻傳感器的輸出信號幅度,但在工程實(shí)踐中,這些措施并不都是可行的。傳感器輸出信號的幅度與被測圓盤的轉(zhuǎn)速及其導(dǎo)磁特性有關(guān),但被測的圓盤是實(shí)際設(shè)備中的部件,其轉(zhuǎn)速、尺寸及材質(zhì)一般而言是不能改變的,因此通過提高轉(zhuǎn)速或改變圓盤的材質(zhì)和尺寸方法來提高傳感器輸出幅度是不可行的;減小氣隙雖然可以提高傳感器輸出信號的幅度,但氣隙太小會造成安裝困難,也容易造成圓盤和傳感器之間的刮蹭;而改變圓盤上開孔的尺寸形狀及開孔中的介質(zhì)不影響圓盤自身工作,也比較容易實(shí)現(xiàn),本文據(jù)此提出了兩種提高傳感器輸出信號幅度可行而有效的方法。3.1通的突變情況下的信號幅度用變磁阻傳感器測量圓盤轉(zhuǎn)速時,開孔的形狀通常為圓形。如果改為矩形孔,則在相同的轉(zhuǎn)速下孔邊緣經(jīng)過傳感器探頭時磁導(dǎo)和磁通的突變增大,從而使傳感器輸出信號幅度增大。圖2是開圓孔時的情況,圖3是開矩形孔時的情況。在兩種情況下,圓盤的直徑均為?19mm,轉(zhuǎn)速均為12rpm。從圖中可以比較出開圓孔時傳感器輸出信號的峰峰值為39.4mV,而相同轉(zhuǎn)速下開矩形孔時傳感器輸出信號的峰峰值為59mV,輸出幅度有明顯的提高,這說明把圓孔改為矩形孔可以有效提高傳感器輸出信號的幅度。3.2傳感器輸出信號幅度如果在孔中放入軸向充磁永磁體,則該永磁體與傳感器中的永磁體相互作用,使探頭經(jīng)過孔時磁路的磁通產(chǎn)生突變,從而可增大傳感器輸出信號幅度。圖4(a)所示是一個直徑為?19mm的圓盤,上面開了一個直徑為2.7mm的圓孔,同時在圓孔中放入軸向充磁的稀土材料的永磁體,圓盤以12rpm的速度旋轉(zhuǎn)。從圖4(b)可以看出探頭經(jīng)過圓孔時,傳感器輸出信號的峰峰值為141mV,與圖3的情況(孔中沒有放入永磁體)相比輸出信號的幅值有了大幅度提高。4變磁阻轉(zhuǎn)速傳感器輸出信號幅度的提高理論分析和實(shí)驗(yàn)測試表明:圓盤的轉(zhuǎn)速、氣隙大小、圓盤導(dǎo)磁性能、開孔尺寸形狀、開孔中的介質(zhì)是影響變磁阻傳感器測量開孔圓盤轉(zhuǎn)速時輸出信號幅度的重要因素。提高變磁阻轉(zhuǎn)速傳感器輸出信號幅度可以提高傳感器的抗干擾能力,改善傳感器在測量低速運(yùn)動對象時的性能,并可以擴(kuò)大