齿轮传感器技术的革新

 
由于电子技术渗透到机械系统，对可靠、性价比又好的机械测量的需求日趋增加。哪里有转动，哪里就有齿轮；哪里有齿轮，哪里至少就有一半是非接触式的转动传感器，另一半是奇妙的部分。 
　　许多技术可以让人们在不接触运动部件的情况下检测出转动轴的位置和角速度。不接触是实现可靠性的一个普通的必备条件。在低成本、小尺寸、高可靠性是绝对必要的、中等精度是可以接受的场合，采用现有的齿轮、链轮及滚轴的磁性技术就成为测量角位置及角速度的最普通的途径。齿轮传感器比其名称所暗示的用途要广得多。它们除了检测链轮及齿轮之外，还可以检测其它许多部件。例如，人们可以利用这些传感器来跟踪滚子链的运动，而滚子链通常是运动控制系统的一部分。由于这些传感器要求运动部件要用铁磁材料制造，但这些运动部件不必、通常也不应该是永久磁化的，所以系统设计人员很少会遇到麻烦。
　　光传感技术是另一种无接触技术。它可让人们测定转动轴的位置，并进而测定其速度。在控制系统中，光传感技术通常只用于需要高分辨率的场合。一般来说，这类应用场合必须接受体积较大、价格昂贵、把轴完全包围起来的轴角编码器。虽然有光学齿轮传感器，但它们的应用范围有限，因为运动的机械系统往往是凌乱的。在绝大多数运动的机械系统中，润滑剂及杂质会出乎意料地挡住光学齿轮传感器的视线，因为这类传感器不同于轴角编码器，不能完全封闭起来。有时，这种突然的遮挡会造成严重的后果。
　　在磁性齿轮传感器中，根据霍尔效应制成的可变磁阻器件和传感器最为普遍，但用MR（磁阻）元件制成的传感器却也很受欢迎。此外，近几年，根据巨磁阻（GMR）效应制成的传感器也已开始商用。ＧＭＲ传感器成本合理，再加上输出信号大，可简化信号调节，因此在越来越多的应用中不断被人们所接受。

耦合线圈及其它

　　最便宜的磁性齿轮传感器是可变磁阻器件，它只不过是耦合线圈。这类器件的工作情况取决于会使通过传感器线圈的磁通量（即磁场）改变的磁性齿轮转动。一个永磁体就能提供这种磁通量。这些可变磁阻器件除了成本低外，还具有不用电源、只需用二根导线连接的优点（采用信号调节的传感器除外）。然而，由于线圈中的感应电压与通过线圈的磁通量的变化率成比例，因此，可变磁阻器件不能在零速度下，甚至不能在很低的速度（即每分钟几转）下工作。当运动速度减慢时，输出电压就会逐渐降低，直到低得不能使用为止。
　　有一种非接触式磁性传感器在零速度下确实可以工作，但它只需要有两根连线的无源耦合线圈。根据Wiegand效应制成的这些器件采用了HID公司的专有技术，因此在转动检测方面较为罕见。严格地说，Wiegand 效应转动传感器不属于齿轮传感器，因为在传感器工作中齿轮不起任何作用。为了用Wiegand传感器测量转动轮的角位置或角速度，转动轮必须在其外缘装上若干永磁体。永磁体的南北轴必须与转动轮的轴平行，转动轮上装的永磁体必须是偶数，南北取向交替更迭。安装在转动轮外缘附近的耦合线圈是用特制导线制成的。每当起作用的磁场极性颠倒时，也不管颠倒的速度多慢，导线都会产生约为10μS的脉冲。
　　Hall（霍尔）传感器利用一个多世纪以前发现的一种效应。如果在磁场中放置一个载流导线，其电流方向与磁场方向垂直，则在垂直于磁场方向和电流方向的平面内的导线两端就会产生一个小电压（图1）。MR传感器和GMR传感器都利用了某些材料暴露于磁场时所呈现出的电阻率变化的特点。通常，采用对零速度敏感的齿轮传感器的系统可以测定角位置，其分辨率不小于齿轮的节距。例如，如果一个被检测的齿轮有40个齿，角分辨率则为360°/40=9°。然而，最初开发的用于增量光学轴角编码器的各种技术都可能大大提高分辨率。

不连续的磁屏蔽

　　如同可变磁阻传感器那样，霍尔传感器、MR传感器、GMR传感器也都取决于作为不连续作磁屏蔽的齿轮的齿或其它转动或运动的锯齿型铁磁体结构的齿。磁屏蔽会改变对传感元件起作用的磁场的大小，有时也改变磁场的方向。磁场源是一块永磁体。与可变磁阻器件不一样，利用霍尔效应、磁阻效应或巨磁阻效应的齿轮传感器都能检测恒定的（静态的）磁场。因此，这类传感器理论上（通常在实践中）可以在零速度下工作。也就是说，人们可以利用这些器件来监视低速度运动或处于静止状态的可动部件的位置。
　　尽管这几种传感器之间有很大的差异，但齿轮传感器工作所依据的物理现象并不是大部分设计师主要关心的问题。他们主要关心的是传感器是否能实现所需的功能，是否能满足应用对成本、传输、可靠性、包装及电气接口等方面的要求。只需要适量传感器的系统设计师可从产品目录上令人眼花缭乱的大堆传感器中选择。可在零速度下工作的典型传感器件，其体积约为500mm3，这类传感器有许多是可以表面安装的。其价格视规格和所用技术而定，从不到1美元（批量为1000件）到数美元不等。对于需要量较大的设计者，特别是汽车工业中的设计者，传感器制造厂商准备设计比产品目录上的传感器更接近应用要求的定制或半定制传感器。在主要应用于汽车工业的大量传感器中，许多传感器的单价远低于1美元。同时，随着Hall、MR及GMR三种 齿轮传感器设计的进展，不仅不断地降低传感器的成本，而且还可能制造出尺寸比旧式传感器更小，对振动、晃动及类似现象更不敏感的传感器。

自适应阈值技术

　　一种被称为自适应阈值技术的电路设计技术可以提高传感器对上述扰动的抗干扰能力。通常，齿轮传感器测量由附近的永磁体产生的磁场――（有时也在传感器封装内测量）。你也许会纳闷：与传感元件靠得很近的一个磁体产生的磁场怎么不会消除掉传感器必须检测的磁场变化呢？对于齿轮传感器来说，最明显的办法是使齿轮通过永磁体和传感元件之间接头的槽。然而也有其他办法。因为所有磁性传感器对磁场的方向及其大小都很敏感，一个适当取向的传感元件，甚至在它与磁铁几乎接触时也基本上对永磁体的直流磁场没有反应，而主要对起作用的磁场产生响应。当齿轮在传感器附近通过时，齿轮会改变到达传感元件的磁场，使相关电路产生一个代表该磁场随时间变化的瞬间模拟波形。通常，这个信号不离开传感器外壳。甚至在相当简单的传感器中，一个比较器会将波形转换为一个双值数字信号，该信号在许多传感器件中可驱动一个大功率级。
　　传感器可以用几种方式来实现自适应阈值技术。振动往往会改变传感器和永磁体之间的距离，从而影响模拟波形的振幅及平均值。在经常伴随着令人讨厌的振动的转动速度下，各种变化与一个齿轮和它邻近的槽（两齿间的空间）通过传感器所需的时间相比通常是缓慢的。
在简单的自适应阈值电路中，传感器内的电路确定并储存波形的峰－峰振幅，然后将一个比例电压提供给比较器参考输入端。只要将比较阈值保持在两个波形电压极限之间的中间值，自适应阈值电路就使传感器数字输出保持较恒定的占空比，从而使波形抖动最小。这一技术使传感器和永磁体的安装不如其它技术严格苛刻，而且可以加大传感器和运动齿轮间的容许距离。
　　采用自适应阈值技术、但不必要在零速度下工作的齿轮传感器也许能用模拟电路来跟踪模拟波形电压极限。但由于模拟存储通常是易失性的，所以零速度下工作一般要求采用ADC。然而，数字化数据几乎从来能在系统掉电后保存下来，因此真正的非易性存储是不必要的。此外，ADC不必是很特别的。有些自适应阈值齿轮传感器中的ADC只需分辨5位，因此采用自适应阈值技术的零速度齿轮传感器的价格未必高得令人望而生畏。

检测转动方向

　　如果传感器在零速度下工作，那它还必须指示它监控的齿轮的转动方向。很明显，传感器除了必须在它的“观察窗口”里完成有无齿轮检测之外，还必须测定齿轮转动的方向。了解齿轮传感器如何测量转动方向的最好方法就是把一个齿轮齿及其邻近的一个槽看成一个循环。如果你将该循环分成若干度，一个齿轮度（GTD）代表1/n轴转动度，其中n代表齿轮圆周上的齿数。
　　假设检测齿轮圆周上相隔90GTD的A和B两点上有没有一个齿轮齿，为了以最短的路径从A转到B，就得是顺时针转动。为了以最短的路径从B转到A，就得反时针转动。每个齿和每个槽各占据180GTD。又假设在时间t1，有一个齿是在A和B的前面。在时间t2里，情况也是如此。在t3时，那个齿轮不再在A前面，但仍在B前面。根据这些情况就可以确定齿轮正在顺时针转。如果在t3，那个齿仍在A前面而不在B前面，就可知道齿轮正在反时针转动。这些取样发生的间隔仅仅是齿轮以最快转动速度转动90GTD所需要的时间。换句话说，如果传感器元件相隔90GTD，以取样／秒为单位的取样率至少必须是以转／秒为单位的最高转动速度的4n倍。每当传感器获得一个取样时，它就必需存储2位数据。传感器还必须记忆一个齿是否在A和B的前面，但不必记忆很久。传感器真正需要保留的只是前两个测量值，并需将其与目前的两个测量值进行比较。不管这种状态在A点或B点何时发生变化，传感器都可以测定其转动方向。

两个元件，一个封装

　　A点和B点之间的90GTD间隔没有任何神秘之处。从理论上讲，对间隔的唯一要求就是它必须小于180GTD。然而，间隔越小，最大转动速度给定时所需的取样率就越高。如果间隔为60GTD，最小的取样率就会增加到最大转动速度的6n倍。
　　从物理角度来看，可以将传感元件安装在分开的封装中。然而，将两个传感元件装在一个封装中有几个优点：封装成本较低；几个传感器可以共用某个电路；对于系统制造者来说，在目标系统中安装一个传感器要比