双信号输出的磁敏转速传感器*

秦玉伟

(渭南师范学院 物理与电气工程学院，渭南 714000)



双信号输出的磁敏转速传感器*

秦玉伟

(渭南师范学院 物理与电气工程学院，渭南 714000)

介绍了一种利用磁阻效应原理的磁敏转速传感器，可以同时输出脉冲电压信号和与转速高低成正比的直流电压。对不同的齿轮转速进行测量，实验结果表明，在0～12kHz的信号频率范围内，转速传感器性能稳定，测量结果准确有效。该转速传感器灵敏度高、抗干扰能力强，且电路简单、成本低廉，适用于农业机械的齿轮转速测量。

磁敏；转速；传感器

0 引言

随着工业自动化水平的提高，转速测量在发动机、电动机和卷扬机等旋转设备的运转和控制中有着重要意义。目前，转速传感器主要有电磁感应式、光电式和霍尔式等几种。电磁感应式转速传感器的输出信号幅值与转速有关，当转速很低时，因信号太弱而无法测量[1]；光电式转速传感器易受到环境油污、粉尘以及杂光的影响，难以实现工业现场测量；霍尔式转速传感器可以弥补上述传感器的缺陷，但其温度稳定性差，且输出信号对测量间距非常敏感，对安装的要求非常高。磁敏转速传感器是一种能够实现磁-电变换的非接触式传感器，具有灵敏度高、结构简单、成本低及适合工业化生产等优点。

1 磁敏转速传感器的原理

磁敏转速传感器的核心器件是磁敏电阻，利用半导体磁阻效应制成。磁阻效应是指均匀的磁场中放入通有电流的半导体，运动的载流子因受到洛伦兹力的作用而发生偏转，导致电阻率增大的现象[2]。磁阻效应包括物理磁阻效应和几何磁阻效应两种[3]，物理磁阻效应是与霍尔效应同时发生的一种物理现象，是指在霍尔电场的作用下，半导体中的部分电子的运动方向发生偏斜，使材料电阻率增大的现象；几何磁阻效应是指相同的磁场作用下，半导体材料的几何形状不同，电阻值产生不同变化的现象。由于锑化铟材料具有较高的电子迁移率，因此适合制作磁敏电阻。磁敏电阻通常是在较长的锑化铟材料上沉淀许多等宽和等间隔的金属短路条，由许多短而宽的微小型磁敏电阻串联组成。磁敏转速传感器由磁敏电阻和信号处理电路两部分构成，磁敏电阻将采集到的磁信号转化为电压信号，通过施加偏置磁场，使磁敏电阻工作在线性特性范围内，提高检测灵敏度。磁敏电阻采用三端差分型信号采集方式，将两个特性几乎相同的磁阻芯片MR1和MR2串连，从两个磁阻芯片的中间点采集输出信号。该方式可以显著提高磁敏传感器的输出电压，有效地抑制温漂，提高共模抑制比[4-5]。

当磁头表面附近没有铁磁性物体时，两个磁敏电阻的阻值大致相等，磁感线分布均匀，如图1a所示；当铁磁性物体运动至MR1附近时，穿过MR1的磁感线增多，而穿过MR2磁感线减少，从而导致MR1的电阻值增大而MR2的阻值减小，如图1b所示。反之，当铁磁性物体通过MR2时，MR2的电阻值增大而MR1的阻值减小，如图1c所示。

图1 磁敏电阻工作原理图

转速测量示意图如图2所示，当齿轮的转速为零时，磁敏电阻的阻值大致相等，磁敏传感器输出电压值约为电源电压的1/2。当齿轮的齿尖对准MR1时，齿轮的齿跟刚好对准MR2，齿轮的持续转动将引起MR1和MR2所处的空间磁场发生周期性变化，从而使磁阻元件的阻值发生周期性变化，在供电电源电压不变的情况下，磁敏传感器就会输出周期性变化的电压，因此可以通过测量信号的频率实现齿轮转速测量。当齿轮旋转一周时，就有Z个齿部通过MR2(MR1)，磁敏电阻器输出Z个上(下)尖峰。输出频率f、齿轮转速n(r/min)和齿轮齿数Z之间的关系为:

n=60f/Z

图2 转速测量示意图

2 信号处理电路

磁敏电阻输出的微弱电压信号伴随噪声干扰，因此要经过放大和滤波处理，以抑制噪声的干扰，提高输出信号的信噪比和可靠性。为解决磁敏电阻的阻抗匹配问题，使用电压跟随器，改善信号输出特性[6]。电压比较器将放大滤波后的模拟信号进行处理，使其输出工整的脉冲信号。频率-电压转换电路可以将脉冲信号转化为大小与转速成正比的电压信号，信号处理过程如图3所示，由信号采集、滤波放大、数字化(比较器)、频率-电压转换(F-V)等部分组成。

图3 信号处理框图

放大电路部分采用阻容耦合的两级滤波放大电路，如图4所示。

磁敏传感器采集的微弱信号经电压跟随器后，经C1和R1耦合后作为第一级滤波放大电路的反相输入信号。设置第一级运放的放大倍数A1≈R4/R1=100，第二级放大倍数A2≈(R6+R7)/R5=40，因此滤波放大电路的总放大倍数为A=A1×A2=100×40=4000。滤波放大电路通频带宽度直接影响了运放的输出信号的信噪比，下限截止频率决定最低转速的测量，通过C1和R1设置下限截止频率为fL=1/(2pR1C1)；上限截止频率能够抑制高频噪声，通过C2和R4设置上限截止频率为fH=1/(2pR4C2)。放大后的信号经单限电压比较器转换成脉冲信号，阈值电压UT=Vcc·R2/(R2+R3)。当输入电压Ui>UT时，输出电压U0为低电平；当输入电压Ui

图4 滤波放大电路

图5 频率-电压转换电路

LM331是由美国NS公司生产的高性价比集成转换芯片，采用8脚DIP封装，内部结构主要由输入比较器、单稳态定时器、精密电流源电路和输出电路等部分组成，能够实现频率-电压转换功能。检测齿轮由外径为6mm，内径为2mm，齿数为10的45#磁钢制成，通过调节电位器大小改变齿轮转速。

3 结论

利用示波器测量输出信号频率，实验结果可知，当齿轮与传感器的检测距离小于5mm时，在0～12kHz的转速范围内，传感器输出信号稳定，电压大小不受齿轮转速高低影响，此外，该传感器能够同时输出电压大小与转速(频率)高低成正比的模拟信号，可以满足实际生产与控制的需要。对该传感器进行多次测量， 并与某市场销售的磁电传感器相比较，在0～12kHz频率的转速范围内测量结果一致，说明该磁敏传感器测量结果可靠。该磁敏齿轮转速传感器具有结构简单、成本低、抗干扰能力强和易于安装等优点，可广泛应用于农业机械的齿轮转速测量领域。

[1] 吴小江.感应式转速表检定装置的研制[J].计量技术,2002(1):22-24

[2] 王文生.InSb磁敏元件与传感器发展[J].传感器技术,1994,12(3):8-18

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[4] 黄钊洪,刘洪,代贵华,等.InSb-In共晶体薄膜磁阻式齿轮转速传感器[J].传感器技术,2002,21(5):19-21

[5] 周冬跃.锑化铟齿轮转速传感器优化设计[D].华南师范大学,2003.22-25

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[7] 吕国建.一种用LM331实现的频率/标准电压转换电路[J].四川大学学报(自然科学版),2004,41(10):261-263

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陕西省教育厅科学研究项目计划(12JK0672)。

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.4.08