磁阻传感器在转速测量中的应用
发布时间：2017-11-22
1 引言
测量齿轮转速的方法很多, 但在应用中大都有其局限性。例如, 霍尔传感器由于灵敏度的限制, 与转动齿轮的间距在 1mm 左右, 当齿轮高速运转时, 因机械振动, 传感器容易与齿轮发生碰撞, 安全性较差。磁敏电阻齿轮传感器不能测量非常低的转速, 因为这时传感器可能检测不到转速信号。这两种方法一般还需要安装高磁场强度的磁钢, 对齿轮的运转以及周围的环境会造成一定的影响。在存放这类产品时, 还要注意防止磁化。光电编码盘测转速对环境要求很高, 当油污或粉尘比较严重时, 测量的可靠性会大大降低。磁阻传感器具有很高的磁场检测灵敏度, 可以测量微弱的磁场, 用磁阻传感器设计齿轮转速传感器具有测量精度高、范围宽, 测量间距大等明显的优势。本文介绍的转速测量方法选用 Honeywell 公司生产的各向异性磁阻传感器 HMC1021S 做磁敏探头。它是一种四段桥式结构的磁阻传感器, 与三端通用型半桥结构的磁阻传感器相比较, 具有灵敏度高、体积小、价格低、工作频率高等优点。磁场由 φ30mm 的线圈产生, 该线圈所产生的磁场较弱, 对周围的工作环境影响很小。断电后所产生的磁场消失, 不会对环境造成任何影响。由于磁阻传感器的灵敏度高, 且线圈所产生的磁场大小可调, 传感器探头与测速齿轮的间距可以在较大范围内调整。此种传感器多个放在一起也不会造成磁化。
2 测速原理及传感器探头的设计
图1 为传感器探头结构示意图。在外径为30mm,内径为23mm, 厚度为3mm 的凹槽空心骨架上, 用0.2mm 的漆包线绕195 圈制成探头的激励线圈。当线圈两端加上某一频率的电压时, 线圈内产生周期性变化的电流, 会使周围产生交变磁场。HMC1021S 磁阻传感器置于线圈平面中心处, 用来检测齿轮转动时的磁场变化。该磁阻传感器采用 8 脚 SOIC 封装, 体积小,内部由4 只磁敏电阻构成了一个桥路。主要参数有: 电桥电压典型值5V, 最大值 12V; 磁场范围±6 Gauss; 分辨率 85μGauss; 灵敏度典型值1mV/V/Gauss; 带宽 0~5MHz, 工作温度- 40~125℃。因为这里磁阻传感器不是用来精确测量磁场的大小, 其输出电压与磁场的关系不必呈很好的线性, 所以磁场范围可以扩展到±10Gauss。
当齿轮转动时, 由于气隙处的磁力线发生变化,磁路中的磁阻也随之改变, 从而可在传感器中产生变化的电信号。齿轮的每个轮齿经过磁阻传感器时, 都会使其产生一个输出信号, 经处理变为脉冲信号, 由单片机 AT89C51 读入该脉冲并计算出转速数据, LED数码显示测量结果。此外, 由于磁阻传感器具有很强的方向性, 该传感器探头对齿轮的转动十分敏感, 而对齿轮沿轴向的抖动不敏感。这对保证测速精度十分有利。
3 高精度转速测量方法
常用的转速测量算法有测频率法(M法)和测周期法(T 法) 。M法最大会产生±1 个测速脉冲的误差, 适用于高转速测量场合, T 法中时间的最大测量误差为±1 个时钟脉冲周期, 适用于低转速测量场合。这里采用一种新的算法。它结合 M法和 T 法的特点, 克服了这两种算法的缺点。具体算法如图2 所示。每到固定的时间t′(取 t′=2s)后, 以下一个脉冲的下降沿为记录时刻, 此时计数器刚好记录上这一脉冲, 同时引起 INT0 中断。在 INT0 中断程序里, 从 T1 计数器取出计数 N, 从定时器T0 中取出计数器记录N 个脉冲所需要的时间t, 从而计算出转速脉冲频率 f=N/t。设齿轮齿数为z, 则齿轮转速 n=60N/zt。这种算法与测频率法比较, 它不是在固定时间t′=2s 到的时刻, 取出计数器中的计数值N, 进行 N/ t′计算, 而是要等下一个脉冲刚好到后, 再进行N/t 的计算, 这就解决了测频率法可能有一个测速脉冲误差的问题。这种算法与测周期法比较, 它不是在测速脉冲的一个周期 T 内记录时钟脉冲( 频率f0) 的个数 m 后,就立刻进行 T =m/f0 的计算。而是要等 t≥t′后, 再取出计数器中确切个脉冲N 进行N/t 的计算, 这就解决了测周期法当转速较高, 计算时间太短, 最大测量时间误差为±1 个时钟脉冲的问题。
4 系统硬件组成
系统硬件组成框图如图3 所示。振荡电路产生50kHz 的电压信号输入传感器线圈作为激励信号, 磁阻传感器输出电压经放大、检波和低通滤波, 再由整形电路变换为矩形波, 输入 89C51 单片机计算出转速, 由 P0 口输出, 5 位 LED 数码显示计算结果。磁阻传感器输出电压放大电路如图 4 所示。图中AD620 是低功耗高精度宽频带仪表放大器, 增益为100 时, 带宽 120kHz。可以在频率为50kHz 的情况下,满足电压放大倍数的要求。通过调节管脚1 和8 之间的外接电阻RG 可以改变增益, 电压增益Au=1+49.4kΩ/RG。本设计中 RG 由200Ω的固定电阻R 和470Ω的电位器RW 串联构成。当传感器与齿轮间距变化时, 可适当调整RW 以改变增益。R 和C 组成无源高通滤波器, 其作用是交流耦合, 可以避免由于任何原因的直流强磁场信号等造成放大器输出的饱和。
由于传感器的线圈中 50kHz 的激励信号在周围产生了交变磁场, 磁阻传感器的电压输出中含有相应的50kHz 载波信号, 它比转速信号频率大得多。例如,当齿轮高速运转6000r/min,即 100r/s 时, 假设齿轮齿数z=60, 则转速信号频率为 6kHz。通过低通滤波器可以滤除 50kHz 信号。滤波电路的设计同时考虑了干扰信号的消除, 以保证计数值可靠。整形电路采用迟滞电压比较器, 把放大后的模拟转速信号转变成可用于计数的矩形波信号。
5 实验数据
对一齿数为60, 模数为3 的齿轮进行转速测量。磁传感器探头与齿轮间距10mm, 测量范围0~6000 r/min。测量数据如表1 所示。测量准确度为0.02%FS。本设计的转速测量方法, 采用 Honeywell 公司的HMC 系列高灵敏度磁阻传感器作磁敏元件。测量准确度高, 测量范围宽, 传感器探头与齿轮间距可以在较大的范围内调整, 安装使用方便。用线圈产生磁场, 代替通常所使用的磁钢, 磁场大小可调, 对工作环境影响小, 断电后磁场消失, 不影响环境。
摘自：中国计量测控网
