磁阻传感器在转速测量中的应用

　　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。