磁阻傳感器在轉速測量中的應用
發布時間：2017-11-22
1 引言
測量齒輪轉速的方法很多, 但在應用中大都有其局限性。例如, 霍爾傳感器由于靈敏度的限制, 與轉動齒輪的間距在 1mm 左右, 當齒輪高速運轉時, 因機械振動, 傳感器容易與齒輪發生碰撞, 安全性較差。磁敏電阻齒輪傳感器不能測量非常低的轉速, 因為這時傳感器可能檢測不到轉速信號。這兩種方法一般還需要安裝高磁場強度的磁鋼, 對齒輪的運轉以及周圍的環境會造成一定的影響。在存放這類產品時, 還要注意防止磁化。光電編碼盤測轉速對環境要求很高, 當油污或粉塵比較嚴重時, 測量的可靠性會大大降低。磁阻傳感器具有很高的磁場檢測靈敏度, 可以測量微弱的磁場, 用磁阻傳感器設計齒輪轉速傳感器具有測量精度高、范圍寬, 測量間距大等明顯的優勢。本文介紹的轉速測量方法選用 Honeywell 公司生產的各向異性磁阻傳感器 HMC1021S 做磁敏探頭。它是一種四段橋式結構的磁阻傳感器, 與三端通用型半橋結構的磁阻傳感器相比較, 具有靈敏度高、體積小、價格低、工作頻率高等優點。磁場由 φ30mm 的線圈產生, 該線圈所產生的磁場較弱, 對周圍的工作環境影響很小。斷電后所產生的磁場消失, 不會對環境造成任何影響。由于磁阻傳感器的靈敏度高, 且線圈所產生的磁場大小可調, 傳感器探頭與測速齒輪的間距可以在較大范圍內調整。此種傳感器多個放在一起也不會造成磁化。
2 測速原理及傳感器探頭的設計
圖1 為傳感器探頭結構示意圖。在外徑為30mm,內徑為23mm, 厚度為3mm 的凹槽空心骨架上, 用0.2mm 的漆包線繞195 圈制成探頭的激勵線圈。當線圈兩端加上某一頻率的電壓時, 線圈內產生周期性變化的電流, 會使周圍產生交變磁場。HMC1021S 磁阻傳感器置于線圈平面中心處, 用來檢測齒輪轉動時的磁場變化。該磁阻傳感器采用 8 腳 SOIC 封裝, 體積小,內部由4 只磁敏電阻構成了一個橋路。主要參數有: 電橋電壓典型值5V, 最大值 12V; 磁場范圍±6 Gauss; 分辨率 85μGauss; 靈敏度典型值1mV/V/Gauss; 帶寬 0~5MHz, 工作溫度- 40~125℃。因為這里磁阻傳感器不是用來精確測量磁場的大小, 其輸出電壓與磁場的關系不必呈很好的線性, 所以磁場范圍可以擴展到±10Gauss。
當齒輪轉動時, 由于氣隙處的磁力線發生變化,磁路中的磁阻也隨之改變, 從而可在傳感器中產生變化的電信號。齒輪的每個輪齒經過磁阻傳感器時, 都會使其產生一個輸出信號, 經處理變為脈沖信號, 由單片機 AT89C51 讀入該脈沖并計算出轉速數據, LED數碼顯示測量結果。此外, 由于磁阻傳感器具有很強的方向性, 該傳感器探頭對齒輪的轉動十分敏感, 而對齒輪沿軸向的抖動不敏感。這對保證測速精度十分有利。
3 高精度轉速測量方法
常用的轉速測量算法有測頻率法(M法)和測周期法(T 法) 。M法最大會產生±1 個測速脈沖的誤差, 適用于高轉速測量場合, T 法中時間的最大測量誤差為±1 個時鐘脈沖周期, 適用于低轉速測量場合。這里采用一種新的算法。它結合 M法和 T 法的特點, 克服了這兩種算法的缺點。具體算法如圖2 所示。每到固定的時間t′(取 t′=2s)后, 以下一個脈沖的下降沿為記錄時刻, 此時計數器剛好記錄上這一脈沖, 同時引起 INT0 中斷。在 INT0 中斷程序里, 從 T1 計數器取出計數 N, 從定時器T0 中取出計數器記錄N 個脈沖所需要的時間t, 從而計算出轉速脈沖頻率 f=N/t。設齒輪齒數為z, 則齒輪轉速 n=60N/zt。這種算法與測頻率法比較, 它不是在固定時間t′=2s 到的時刻, 取出計數器中的計數值N, 進行 N/ t′計算, 而是要等下一個脈沖剛好到后, 再進行N/t 的計算, 這就解決了測頻率法可能有一個測速脈沖誤差的問題。這種算法與測周期法比較, 它不是在測速脈沖的一個周期 T 內記錄時鐘脈沖( 頻率f0) 的個數 m 后,就立刻進行 T =m/f0 的計算。而是要等 t≥t′后, 再取出計數器中確切個脈沖N 進行N/t 的計算, 這就解決了測周期法當轉速較高, 計算時間太短, 最大測量時間誤差為±1 個時鐘脈沖的問題。
4 系統硬件組成
系統硬件組成框圖如圖3 所示。振蕩電路產生50kHz 的電壓信號輸入傳感器線圈作為激勵信號, 磁阻傳感器輸出電壓經放大、檢波和低通濾波, 再由整形電路變換為矩形波, 輸入 89C51 單片機計算出轉速, 由 P0 口輸出, 5 位 LED 數碼顯示計算結果。磁阻傳感器輸出電壓放大電路如圖 4 所示。圖中AD620 是低功耗高精度寬頻帶儀表放大器, 增益為100 時, 帶寬 120kHz。可以在頻率為50kHz 的情況下,滿足電壓放大倍數的要求。通過調節管腳1 和8 之間的外接電阻RG 可以改變增益, 電壓增益Au=1+49.4kΩ/RG。本設計中 RG 由200Ω的固定電阻R 和470Ω的電位器RW 串聯構成。當傳感器與齒輪間距變化時, 可適當調整RW 以改變增益。R 和C 組成無源高通濾波器, 其作用是交流耦合, 可以避免由于任何原因的直流強磁場信號等造成放大器輸出的飽和。
由于傳感器的線圈中 50kHz 的激勵信號在周圍產生了交變磁場, 磁阻傳感器的電壓輸出中含有相應的50kHz 載波信號, 它比轉速信號頻率大得多。例如,當齒輪高速運轉6000r/min,即 100r/s 時, 假設齒輪齒數z=60, 則轉速信號頻率為 6kHz。通過低通濾波器可以濾除 50kHz 信號。濾波電路的設計同時考慮了干擾信號的消除, 以保證計數值可靠。整形電路采用遲滯電壓比較器, 把放大后的模擬轉速信號轉變成可用于計數的矩形波信號。
5 實驗數據
對一齒數為60, 模數為3 的齒輪進行轉速測量。磁傳感器探頭與齒輪間距10mm, 測量范圍0~6000 r/min。測量數據如表1 所示。測量準確度為0.02%FS。本設計的轉速測量方法, 采用 Honeywell 公司的HMC 系列高靈敏度磁阻傳感器作磁敏元件。測量準確度高, 測量范圍寬, 傳感器探頭與齒輪間距可以在較大的范圍內調整, 安裝使用方便。用線圈產生磁場, 代替通常所使用的磁鋼, 磁場大小可調, 對工作環境影響小, 斷電后磁場消失, 不影響環境。
摘自：中國計量測控網
