磁敏傳感器轉速測量技術研究

秦玉偉

(渭南師范學院物理與電氣工程學院，陜西渭南714000)

0 引言

在自動控制系統、自動化儀表以及汽車行業中大量使用各種電機，因而對低速、高速、穩速和瞬時速度的精確測量有嚴格的要求.通常情況下使用轉速傳感器將旋轉物體的轉速轉換為電量輸出.轉速傳感器屬于間接式測量裝置，可以測量機械、電氣、磁、光和混合式等非電量信號，并將微弱的非電量信號轉換成電量信號.轉速傳感器的種類繁多，常用有光電式、電容式、磁電式以及霍爾式等.光電式和電容式傳感器測量過程極易受到環境因素的干擾，如水、灰塵、油污等，而引起測量誤差和誤操作，因而限制了其使用范圍.電感式轉速傳感器利用電磁感應原理制成，其輸出的感應電勢是由于磁通變化率引起的，因此感應電勢的大小取決于磁通變化率高低，即與被測物體的轉速有關.此外，電壓輸出大小受物體與傳感器之間的氣隙大小影響，當氣隙一定時，物體轉速越高，輸出電壓越大;轉速一定時，氣隙越小，輸出電壓越大，對于低轉速測量，電壓輸出較小，信號處理電路相對復雜［1］.本文介紹的磁敏傳感器以磁場為媒介，該傳感器對信號的檢測過程不需要從磁場中獲取能量［2－4］，其輸出電壓大小不因轉速高低而改變，具有較強的防水、耐油污和抗干擾能力，能適應惡劣工作環境，且檢測距離較遠，可以有效避免檢測過程與被檢測物體發生碰撞.磁敏傳感器制造方法簡單、成本低、體積小、重量輕，因而可替代傳統的磁電式和霍爾傳感器，對鐵磁性齒輪的轉速進行測量.

1 工作原理及信號處理電路

磁敏傳感器是利用磁阻效應原理的一種傳感器.磁阻效應是指當通有電流的半導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，運動方向發生偏轉，因而運動路徑加長.從電學量來看，這反映為電阻率的增大，即電阻增大.當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［2－4］:

其中:B為外加磁場的磁感應強度，ρB、ρ0是磁感應強度分別為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，當磁感應強度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系以內，提高其工作靈敏度.因此，在磁敏傳感器的實際使用過程中，可以使用較強磁感應強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.

圖1 磁敏傳感器結構及等效電路

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，其內部結構與等效電路如圖1所示［5－6］.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內部磁敏電阻的作用;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—磁場關系曲線的線性范圍內，提高其檢測靈敏度.圖1(b)中，當待檢測齒輪的轉速為零時，偏置磁場使兩個磁敏電阻處于相同的磁場環境，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.當鐵磁性齒輪轉動時，齒輪的齒尖對準MR1時，齒輪的齒跟正好對準MR2，因此齒輪的轉動將引起MR1和MR2所處的空間磁場發生周期性變化，因此磁阻元件的阻值也會發生周期性變化，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、齒輪轉速和齒輪數分別為f、n(r/s)和z，則三者關系為f=nz.由此可知，在齒輪數目保持不變的情況下，磁敏傳感器輸出電壓信號的頻率f只與齒輪的轉速n有關，因此只要得到輸出電壓信號的頻率，就可以得知齒輪的轉速，實現對轉速的測量.由于磁敏傳感器所處空間的磁感應強度變化極其微弱，因此磁敏傳感器將采集到的周期性變化的微弱磁信號轉化成電壓信號后，需要經過信號處理電路進行放大，并通過帶通濾波電路，濾除高頻和低頻的干擾信號，最終轉化為方波信號，就可以根據輸出波形的頻率計算出齒輪轉速，信號處理電路如圖2所示.

圖2 信號處理電路

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+5 V直流電壓，磁敏傳感器采集到齒輪的轉動信號后，通過跟隨器后進入兩級放大電路進行放大，電路采用阻容耦合方式進行連接，可以消除低頻信號對電路的影響，抑制環境溫漂引起的傳感器微弱電壓輸出變化，提高電路穩定性.電壓放大倍數可通過設置反饋電阻R4與R2，R6與R5的比值實現，滯回比較器的閾值電壓可以通過調節R9設置.利用滯回比較器，相當于引入了正反饋網絡，大大提高了系統的抗干擾能力，可有效避免齒輪轉動過程中由于振動或其他環境因素引起的電磁干擾，減少錯誤輸出，提高輸出穩定性和測量可靠性.

2 實驗結果與結論

在－25℃ ～+85℃的工作環境下，改變環境溫度，隨機挑選10只相同類型的磁敏傳感器，分別對同一個旋轉齒輪進行轉速測量實驗，并重復10次上述實驗.實驗研究結果表明，在工作頻率為0～10 kHz的齒輪轉速范圍內，當磁敏傳感器與旋轉齒輪之間的檢測距離為2～5 mm時，磁敏傳感器都能夠采集到齒輪信號，且工作特性穩定，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速高低影響.多次測量結果表明，該傳感器測量的齒輪轉速值與某商用磁電式傳感器的測量值相同，測量過程中未出現測量誤差，說明該磁敏傳感器測量轉速工作性能穩定，測量結果可靠有效.由于磁敏傳感器的抗干擾能力較強，能在惡劣環境下工作，且檢測距離較長，因而可以替代傳統的磁電式轉速傳感器，用于對鐵磁性齒輪的轉速測量，用于改造汽車齒輪轉速傳感器、ABS轉速傳感器以及其他領域的齒輪轉速傳感器等.

［1］汪知望，方錫邦，陳燕.汽車ABS輪速傳感器及其信號處理［J］.汽車科技，2006，7(4):28－31.

［2］曲喜新.電子元件材料手冊［M］.北京:電子工業出版社，1989.

［3］張之圣，胡明，劉志剛，等.InSb磁敏電阻器導電機理及可靠性［J］.半導體學報，1996，17(2):136－140.

［4］黃釗洪.InSb-In共晶體磁阻薄膜的晶面和磁阻特性［J］.傳感器技術，2001，20(8):7－9.

［5］劉洪，黃釗洪，代貴華，等.InSb-In共晶體薄膜磁阻式齒輪轉速傳感器［J］.傳感器技術，2002，21(5):19－21.

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