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转速传感器的类型及信号处理原理
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小苹果22 个人主页 给TA发消息 加TA为好友 发表于:2019-03-25 11:04:27 楼主

随着科技进步和工业的发展,转速传感器广泛应用于旋转机械、轨道交通、汽车运输等领域,长寿命、高可靠性、测量准确的转速传感器越来越受到业内人士的重视和青睐。

一、转速传感器的类型及工作原理

转速传感器大致分为电涡流式、磁电式、霍尔式和磁阻式四种类型。其中,磁电式转速传感器是被动式转速传感器,又称无源转速传感器;相对应的,电涡流式、霍尔式和磁阻式转速传感器是主动式转速传感器,也称有源转速传感器,有一个电源电路为传感器提供外部电压供电,在外部供电无法提供时,主动式转速传感器将无转速信号产生。

转速信号的采集过程实际上可以看作是对旋转件的测速过程。转速测量常用的电涡流式和磁电式等也曾应用于汽车轮速信号的测量。相比较而言,电涡流式转速传感器工作可靠,信号强,容易实现转速测量,价格适中,受环境因素(如温度、水、油污、各种粉尘等)的影响较小,基于以上优点,电涡流式转速传感器在转速信号的采集中应用广泛。

1、电涡流式转速传感器

电涡流式转速传感器基于电涡流效应。当接通传感器电源时,在前置器内会产生一个高频电流信号,该信号通过电缆送到探头的头部,在头部周围产生交变磁场H1,见图1。如果在磁场H1的范围内没有金属导体材料接近,则发射出去的交变磁场的能量会全部释放;反之,如果有金属导体材料靠近探头头部,则交变磁场H1将在导体的表面产生电涡流场,该电涡流场也会产生一个方向与H1相反的交变磁场H2。由于H2的反作用,就会改变探头头部线圈高频电流的幅度和相位,即改变了线圈的有效阻抗。这种变化既与电涡流效应有关,又与静磁学有关,即与金属导体的电导率、磁导率、几何形状、线圈几何参数、激励电流频率以及线圈到金属导体的距离参数有关。假定金属导体是均质的,其性能是线性和各向同性的,则线圈─金属导体系统的物理性质通常可由金属导体的磁导率μ、电导率σ、尺寸因子r、线圈与金属导体的距离δ,线圈激励电流强度I和频率ω等参数来描述。因此线圈的阻抗可用函数Z=F(μ,σ,r,δ,I,ω)来表示。

如果控制μ,σ,r,I,ω恒定不变,那么阻抗Z就成为距离δ的单值函数,由麦克斯韦尔公式可以求得此函数为一非线性函数,其曲线为“S”形曲线,在一定范围内可以近似为一线性函数。

在转速测量实际应用中,被测体通常是凹槽或凸键或齿轮,线圈密封在探头中,线圈阻抗的变化通过封装在前置器中的电子线路处理转换成电压或电流输出。这个电子线路并不是直接测量线圈的阻抗,而是采用并联諧振法,见图2:

即在前置器中将一个固定电容和探头线圈LX并联并与晶体管T一起构成一个振荡器,振荡器的振幅UX与线圈阻抗成正比,因此振荡器的振幅UX会随探头与被测体顶面和底面距离的交替改变而改变。UX经检波、滤波、放大、整形后输出转速信号UO,见图3,根据使用需要UO也可以是方波。

 

2、磁电式转速传感器

磁电式转速传感器基于电磁感应原理,利用电磁感应把被测对象的运动转换成线圈的自感系数和互感系数的变化,再由电路转换为电压或电流的变化量输出,实现非电量到电量的转换。

由电磁感应定律可知,通过回路面积的磁通量发生变化时,回路中会产生感应电动势,如公式(1)所示:

由式(1)、(2)可见,磁通量的变化决定了感应电动势的输出,磁通量的变化频率决定了感应电动势的输出频率。电感式转速传感器工作原理结构如图4所示。

当旋转件运动时,齿圈随半轴转动,齿圈的齿形变化引起齿圈与永久磁铁间隙的变化,继而对磁通量造成影响,感应线圈中的感应电动势随之变化。通过对输出电势的频率统计,可知旋转件转速为:

3、霍尔式转速传感器
   霍尔式转速传感器基于霍尔效应,由霍尔组件结合电子元件组成,霍尔元件外加与电流方向垂直的磁场,在霍尔元件的两端会产生电势差,即霍尔电势差。

值得注意的是,自由电子浓度n受温度影响较大,要注意消除温度变化造成的影响。

霍尔式转速传感器工作原理结构如图5所示。具有磁化轨道的转轴或磁性轴用于产生磁场,永久背磁用于产生偏转磁场。A和B可统称为编码器。

旋转件运动时,编码器转动,霍尔式转速传感器检测到编码器的磁通量的大小变化。通常传感器内部包含两个霍尔元件,运动过程中产生具有一定相位差的波形,两波形经差分放大,实现精度和灵敏度的提高。

旋转件转速也可用式(3)表示,其中f表示为霍尔电压的信号频率。

4、磁阻式转速传感器
   可变磁阻式转速传感器基于磁阻效应,与霍尔效应类似的是,在磁阻效应元件上接通电流和通过磁场,这里的磁场与电流成角度α设置,如图6,这样磁场耦合到磁阻效应元件(一般为铁磁材料制作的薄板,称之为韦斯磁畴)方向的磁通量的变化率发生变化,从而改变元件的电阻(系数)。
   当外部磁场与磁阻元件中的电流之间的夹角α发生变化时,磁阻元件电阻R变化,有:

与霍尔元件的信号处理类似,当需要消除零点漂移时可以做差分处理,磁阻元件可以通过添加磁阻元件以外调整电桥结构进行差分放大,一般常用的是采用六桥结构。旋转件转速也可用式(3)表示,其中,f表示为霍尔电压的信号频率。

二、转速信号的处理

转速信号采集后,还需要进行限幅、滤波等信号处理,从而使主机能够使用更稳定有效的转速信息。

1、转速信号类型

首先要区分采集后转速信号类型,输出信号类型主要有如图8所示。

图8(a)中表示被动式转速传感器的输出波形,这是一种类似于正弦波的波形,其频率、幅值的变化与气隙(传感器测试端外表面与靶目标间的距离)和编码器的旋转频率有关。

图8(b)、(c)、(d)中表示主动式转速传感器的输出波形,一般采用电涡流式或霍尔元件或磁阻元件。

图8(b)表示高低电流交替进行的方波信号。一般来说,在传感器允许的气息范围内,方波信号的参数是基本一致的,或者说是有效的。这里的参数主要包括高电流 、低电流 和占空比t/T(一般为50%),参数有效体现在数值处于一定区间内,这主要是由芯片性能确定,一般要求 处于11.5mA~16.8mA, 处于5.7mA~9.6mA,占空比30%~70%。输出参数稳定有效,与转速传感器相连接的处理单元才能有效识别出转速。

图8(c)、(d)中的传感器相当于图8(b)中传感器的升级版,表现在通过一定的方式体现出转速处更多的信息。

图8(c)中方波 的脉宽相对于半周期 较窄(这里要注意的是:相对于图8(b),PWM协议传感器占空比也是50%的上下区间,但不是 ,而是 ),这是该类传感器通过脉宽调制的方式输出额外信息,包括安装气隙的变化、旋转件的正反转以及其他的警告信息。

图8(d)中的电流输出多出了一系列电流方波,这一类传感器通过电流方波组成的序列提供了附加信息,包括气隙储备、旋转件正反转等。相对于PWM协议的转速传感器,AK协议的转速传感器面对接近静止的低速情况下,以及静止情况(转速为0)下具有更好的信息,体现在静止情况下,AK协议中的转速方波消失,但是后面9位的信息方波依然能够输出。

图8(c)、(d)中的方波类型我们统称为数据协议,具有数据协议的转速传感器最大的优点是能够判定旋转件的正反转,这大大提高了转速传感器在智能方面的应用。

2、转速信号处理

当转速传感器在主机安装固定好后,转速信号的影响因素主要包括因振荡导致的气隙变化和齿圈的表面整洁度。另外,转速信号随旋转件转速的输出信号,应是便于主机接收和处理的方波信号,也就是转速传感器需要对输入信号(根据前面所述转速信号采集方式的不同,输入信号影包括模拟信号和数字信号)进行波形调制、稳压、滤波以及智能式的补偿调节等,要提高转速测量的精度和准确性,转速信号处理电路应具有的功能包括:
(1)正弦波信号转换为同频率的方波信号(相对于被动式转速传感器);
(2)抑制噪声干扰;
(3)降低气隙变化对转速信号的影响。
     基于以上功能,转速信号处理电路的设计如图9所示。

其中,限幅处理主要相对于输出波形微类正弦的信号,一般采用稳压管,将输出信号的输出幅值限制在目标值。其限幅特性表现为:当稳压管选取限制电压为 时,输入信号 时,输出信号 时,输出信号 。

滤波电路要将信号中的噪声干扰信号滤除和衰减,一般来说,衰减高频杂波是主要目的,这样采用有源低通滤波电路,同时采用放大器芯片组合放大,从而得到有效的转速信号。


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