磁敏傳感器在齒輪轉(zhuǎn)速測量中的應(yīng)用

磁敏傳感器在齒輪轉(zhuǎn)速測量中的應(yīng)用

0轉(zhuǎn)速傳感器測量原理在自動控制裝置、自動儀器儀表和汽車行業(yè)廣泛使用不同的電機(jī)，并有嚴(yán)格的要求在低速、快速、穩(wěn)定和瞬時速度方面。旋轉(zhuǎn)傳感器是一種間接測量裝置。它可以測量機(jī)械、電壓、磁、光和混合等非電壓信號，并將虛弱的非電壓信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。旋轉(zhuǎn)傳感器有多種應(yīng)用，如電、電、電、電、霍爾等。電、電、電、電、電、小時等。測量和聲源傳感器的過程容易受到環(huán)境因素的干擾，如水、噪聲、油、污水等。這會導(dǎo)致測量誤差和錯誤操作錯誤，這限制了使用范圍。電磁感應(yīng)自動傳感器是根據(jù)電磁感應(yīng)原理制成的。輸出的動作能力受磁通變化率的影響，因此輸出電壓的大小取決于磁通變化率的高度，即與測量對象物體的旋轉(zhuǎn)有關(guān)。此外，電壓輸出的大小受物體和傳感器之間的間隙大小的影響。如果間隙是相同的，物體的旋轉(zhuǎn)越高，輸出的電壓越高。當(dāng)轉(zhuǎn)向時，氣阻越小，輸出電壓越高。在低速測量中，電壓輸出很小，數(shù)據(jù)處理電路相對復(fù)雜。本文介紹的磁敏傳感器是磁體的中心。磁體探測器不需要從磁體中獲取能量，輸出電壓不會因旋轉(zhuǎn)的高度而改變。它具有良好的耐水性、耐油性和耐操作性。它能適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境，檢測距離寬，有效避免檢測過程與檢測物體之間的碰撞。磁敏傳感器的制造方法簡單，成本低，體積小，重量輕，因此可以取代傳統(tǒng)的磁電傳感器和霍爾傳感器，測量鐵磁性齒輪的旋轉(zhuǎn)。1磁敏傳感器的工作原理磁敏傳感器是利用磁阻效應(yīng)原理的一種傳感器.磁阻效應(yīng)是指當(dāng)通有電流的半導(dǎo)體材料置于磁場中且磁場方向與其垂直時,載流子會受到洛侖茲力的作用,運(yùn)動方向發(fā)生偏轉(zhuǎn),因而運(yùn)動路徑加長.從電學(xué)量來看,這反映為電阻率的增大,即電阻增大.當(dāng)材料相同的兩種載流子(電子和空穴)遷移率相差懸殊,以至于空穴的遷移率可以忽略不計時,其電阻率的變化可以用下式表示:(ρB-ρ0)/ρ0=0.275μ2B2.(1)其中:B為外加磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度,ρB、ρ0是磁感應(yīng)強(qiáng)度分別為B和0時材料的電阻率,μ為材料中該載流子的遷移率.由于銻化銦材料的電子遷移率較高,因此將其置于磁場時可以獲得較高的電阻變化率,因而適合制作高靈敏度磁敏傳感器.由式(1)可以看出,電阻率變化為一個二次曲線,當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B提高到一定大小時,可以將變化率的工作范圍移動到近似線性關(guān)系以內(nèi),提高其工作靈敏度.因此,在磁敏傳感器的實(shí)際使用過程中,可以使用較強(qiáng)磁感應(yīng)強(qiáng)度的鐵磁性檢測物體或者給磁敏傳感器提供偏置磁場來提高其靈敏度.磁敏傳感器由三個引腳、銻化銦磁敏電阻MR1和MR2、永磁體、絕緣基片和金屬外殼等幾個部分組成,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與等效電路如圖1所示.圖1(a)中,兩個銻化銦磁敏電阻的阻值大致相等,金屬外殼起到屏蔽外部干擾信號和保護(hù)內(nèi)部磁敏電阻的作用;永磁體可以為磁敏傳感器提供偏置磁場,使磁敏傳感器的工作特性移到電阻—磁場關(guān)系曲線的線性范圍內(nèi),提高其檢測靈敏度.圖1(b)中,當(dāng)待檢測齒輪的轉(zhuǎn)速為零時,偏置磁場使兩個磁敏電阻處于相同的磁場環(huán)境,因此磁敏電阻的阻值大致相等,磁敏傳感器輸出電壓值約為其供電電源電壓的一半.當(dāng)鐵磁性齒輪轉(zhuǎn)動時,齒輪的齒尖對準(zhǔn)MR1時,齒輪的齒跟正好對準(zhǔn)MR2,因此齒輪的轉(zhuǎn)動將引起MR1和MR2所處的空間磁場發(fā)生周期性變化,因此磁阻元件的阻值也會發(fā)生周期性變化,在磁敏傳感器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.若輸出信號頻率、齒輪轉(zhuǎn)速和齒輪數(shù)分別為f、n(r/s)和z,則三者關(guān)系為f=nz.由此可知,在齒輪數(shù)目保持不變的情況下,磁敏傳感器輸出電壓信號的頻率f只與齒輪的轉(zhuǎn)速n有關(guān),因此只要得到輸出電壓信號的頻率,就可以得知齒輪的轉(zhuǎn)速,實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的測量.由于磁敏傳感器所處空間的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化極其微弱,因此磁敏傳感器將采集到的周期性變化的微弱磁信號轉(zhuǎn)化成電壓信號后,需要經(jīng)過信號處理電路進(jìn)行放大,并通過帶通濾波電路,濾除高頻和低頻的干擾信號,最終轉(zhuǎn)化為方波信號,就可以根據(jù)輸出波形的頻率計算出齒輪轉(zhuǎn)速,信號處理電路如圖2所示.信號處理電路由電壓跟隨器、兩級帶通放大電路、滯回比較器組成.其中虛線部分表示磁敏傳感器,因鐵磁性檢測信號極其微弱,故整個放大電路部分采用兩級放大電路.A1為電壓跟隨器,起到阻抗變換的作用,可以減小前后級電路對磁敏電阻的影響;A2、A3為兩級放大電路,可以起到信號放大的作用,同時濾除電路以及環(huán)境中存在的低頻和高頻干擾噪聲;A4為滯回比較器,可以有效避免因電路的干擾以及環(huán)境的振動引起的錯誤輸出信號,輸出理想的脈沖信號.電路采用+5V直流電壓,磁敏傳感器采集到齒輪的轉(zhuǎn)動信號后,通過跟隨器后進(jìn)入兩級放大電路進(jìn)行放大,電路采用阻容耦合方式進(jìn)行連接,可以消除低頻信號對電路的影響,抑制環(huán)境溫漂引起的傳感器微弱電壓輸出變化,提高電路穩(wěn)定性.電壓放大倍數(shù)可通過設(shè)置反饋電阻R4與R2,R6與R5的比值實(shí)現(xiàn),滯回比較器的閾值電壓可以通過調(diào)節(jié)R9設(shè)置.利用滯回比較器,相當(dāng)于引入了正反饋網(wǎng)絡(luò),大大提高了系統(tǒng)的抗干擾能力,可有效避免齒輪轉(zhuǎn)動過程中由于振動或其他環(huán)境因素引起的電磁干擾,減少錯誤輸出,提高輸出穩(wěn)定性和測量可靠性.2磁敏傳感器的測量轉(zhuǎn)速在-25℃～+85℃的工作環(huán)境下,改變環(huán)境溫度,隨機(jī)挑選10只相同類型的磁敏傳感器,分別對同一個旋轉(zhuǎn)齒輪進(jìn)行轉(zhuǎn)速測量實(shí)驗(yàn),并重復(fù)10次上述實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明,在工作頻率為0～10kHz的齒輪轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),當(dāng)磁敏傳感器與旋轉(zhuǎn)齒輪之間的檢測距離為2～5mm時,磁敏傳感器都能夠采集到齒輪信號,且工作特性穩(wěn)定,能輸出比較工整的脈沖信號,其測量過程中傳感器的輸出信號大小不受齒輪轉(zhuǎn)速高低影響.多次測量結(jié)果表明,該傳感器測量的齒輪轉(zhuǎn)速值與某商用磁電式傳感器的測量值相同,測量過程中未出現(xiàn)測量誤差,說明該磁敏傳感