隨著科技進(jìn)步和工業(yè)的發(fā)展，轉(zhuǎn)速傳感器廣泛應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)機(jī)械、軌道交通、汽車運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域，長(zhǎng)壽命、高可靠性、測(cè)量準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)速傳感器越來越受到業(yè)內(nèi)人士的重視和青睞。
一、轉(zhuǎn)速傳感器的類型及工作原理
轉(zhuǎn)速傳感器大致分為電渦流式、磁電式、霍爾式和磁阻式四種類型。其中，磁電式轉(zhuǎn)速傳感器是被動(dòng)式轉(zhuǎn)速傳感器，又稱無源轉(zhuǎn)速傳感器；相對(duì)應(yīng)的，電渦流式、霍爾式和磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器是主動(dòng)式轉(zhuǎn)速傳感器，也稱有源轉(zhuǎn)速傳感器，有一個(gè)電源電路為傳感器提供外部電壓供電，在外部供電無法提供時(shí)，主動(dòng)式轉(zhuǎn)速傳感器將無轉(zhuǎn)速信號(hào)產(chǎn)生。
轉(zhuǎn)速信號(hào)的采集過程實(shí)際上可以看作是對(duì)旋轉(zhuǎn)件的測(cè)速過程。轉(zhuǎn)速測(cè)量常用的電渦流式和磁電式等也曾應(yīng)用于汽車輪速信號(hào)的測(cè)量。相比較而言，電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器工作可靠，信號(hào)強(qiáng)，容易實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速測(cè)量，價(jià)格適中，受環(huán)境因素（如溫度、水、油污、各種粉塵等）的影響較小，基于以上優(yōu)點(diǎn)，電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器在轉(zhuǎn)速信號(hào)的采集中應(yīng)用廣泛。
1、電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器
電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器基于電渦流效應(yīng)。當(dāng)接通傳感器電源時(shí)，在前置器內(nèi)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)高頻電流信號(hào)，該信號(hào)通過電纜送到探頭的頭部，在頭部周圍產(chǎn)生交變磁場(chǎng)H1，見圖1。如果在磁場(chǎng)H1的范圍內(nèi)沒有金屬導(dǎo)體材料接近，則發(fā)射出去的交變磁場(chǎng)的能量會(huì)全部釋放；反之，如果有金屬導(dǎo)體材料靠近探頭頭部，則交變磁場(chǎng)H1將在導(dǎo)體的表面產(chǎn)生電渦流場(chǎng)，該電渦流場(chǎng)也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)方向與H1相反的交變磁場(chǎng)H2。由于H2的反作用，就會(huì)改變探頭頭部線圈高頻電流的幅度和相位，即改變了線圈的有效阻抗。這種變化既與電渦流效應(yīng)有關(guān)，又與靜磁學(xué)有關(guān)，即與金屬導(dǎo)體的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、幾何形狀、線圈幾何參數(shù)、激勵(lì)電流頻率以及線圈到金屬導(dǎo)體的距離參數(shù)有關(guān)。假定金屬導(dǎo)體是均質(zhì)的，其性能是線性和各向同性的，則線圈─金屬導(dǎo)體系統(tǒng)的物理性質(zhì)通?？捎山饘賹?dǎo)體的磁導(dǎo)率μ、電導(dǎo)率σ、尺寸因子r、線圈與金屬導(dǎo)體的距離δ，線圈激勵(lì)電流強(qiáng)度I和頻率ω等參數(shù)來描述。因此線圈的阻抗可用函數(shù)Z=F（μ，σ，r，δ，I，ω）來表示。
如果控制μ，σ，r，I，ω恒定不變，那么阻抗Z就成為距離δ的單值函數(shù)，由麥克斯韋爾公式可以求得此函數(shù)為一非線性函數(shù)，其曲線為“S”形曲線，在一定范圍內(nèi)可以近似為一線性函數(shù)。
在轉(zhuǎn)速測(cè)量實(shí)際應(yīng)用中，被測(cè)體通常是凹槽或凸鍵或齒輪，線圈密封在探頭中，線圈阻抗的變化通過封裝在前置器中的電子線路處理轉(zhuǎn)換成電壓或電流輸出。這個(gè)電子線路并不是直接測(cè)量線圈的阻抗，而是采用并聯(lián)諧振法，見圖2：
即在前置器中將一個(gè)固定電容和探頭線圈LX并聯(lián)并與晶體管T一起構(gòu)成一個(gè)振蕩器，振蕩器的振幅UX與線圈阻抗成正比，因此振蕩器的振幅UX會(huì)隨探頭與被測(cè)體頂面和底面距離的交替改變而改變。UX經(jīng)檢波、濾波、放大、整形后輸出轉(zhuǎn)速信號(hào)UO，見圖3，根據(jù)使用需要UO也可以是方波。
2、磁電式轉(zhuǎn)速傳感器
磁電式轉(zhuǎn)速傳感器基于電磁感應(yīng)原理，利用電磁感應(yīng)把被測(cè)對(duì)象的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成線圈的自感系數(shù)和互感系數(shù)的變化，再由電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出，實(shí)現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)換。
由電磁感應(yīng)定律可知，通過回路面積的磁通量發(fā)生變化時(shí)，回路中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，如公式（1）所示：
由式（1）、（2）可見，磁通量的變化決定了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的輸出，磁通量的變化頻率決定了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的輸出頻率。電感式轉(zhuǎn)速傳感器工作原理結(jié)構(gòu)如圖4所示。
當(dāng)旋轉(zhuǎn)件運(yùn)動(dòng)時(shí)，齒圈隨半軸轉(zhuǎn)動(dòng)，齒圈的齒形變化引起齒圈與永 久磁鐵間隙的變化，繼而對(duì)磁通量造成影響，感應(yīng)線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)隨之變化。通過對(duì)輸出電勢(shì)的頻率統(tǒng)計(jì)，可知旋轉(zhuǎn)件轉(zhuǎn)速為：
3、霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器
霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器基于霍爾效應(yīng)，由霍爾組件結(jié)合電子元件組成，霍爾元件外加與電流方向垂直的磁場(chǎng)，在霍爾元件的兩端會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)差，即霍爾電勢(shì)差。
值得注意的是，自由電子濃度n受溫度影響較大，要注意消除溫度變化造成的影響。
霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器工作原理結(jié)構(gòu)如圖5所示。具有磁化軌道的轉(zhuǎn)軸或磁性軸用于產(chǎn)生磁場(chǎng)，永 久背磁用于產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。A和B可統(tǒng)稱為編碼器。
旋轉(zhuǎn)件運(yùn)動(dòng)時(shí)，編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)，霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器檢測(cè)到編碼器的磁通量的大小變化。通常傳感器內(nèi)部包含兩個(gè)霍爾元件，運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生具有一定相位差的波形，兩波形經(jīng)差分放大，實(shí)現(xiàn)精度和靈敏度的提高。
旋轉(zhuǎn)件轉(zhuǎn)速也可用式（3）表示，其中f表示為霍爾電壓的信號(hào)頻率。
4、磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器
可變磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器基于磁阻效應(yīng)，與霍爾效應(yīng)類似的是，在磁阻效應(yīng)元件上接通電流和通過磁場(chǎng)，這里的磁場(chǎng)與電流成角度α設(shè)置，如圖6，這樣磁場(chǎng)耦合到磁阻效應(yīng)元件（一般為鐵磁材料制作的薄板，稱之為韋斯磁疇）方向的磁通量的變化率發(fā)生變化，從而改變?cè)碾娮瑁ㄏ禂?shù)）。
當(dāng)外部磁場(chǎng)與磁阻元件中的電流之間的夾角α發(fā)生變化時(shí)，磁阻元件電阻R變化，有：
與霍爾元件的信號(hào)處理類似，當(dāng)需要消除零點(diǎn)漂移時(shí)可以做差分處理，磁阻元件可以通過添加磁阻元件以外調(diào)整電橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行差分放大，一般常用的是采用六橋結(jié)構(gòu)。旋轉(zhuǎn)件轉(zhuǎn)速也可用式（3）表示，其中，f表示為霍爾電壓的信號(hào)頻率。
二、轉(zhuǎn)速信號(hào)的處理
轉(zhuǎn)速信號(hào)采集后，還需要進(jìn)行限幅、濾波等信號(hào)處理，從而使主機(jī)能夠使用更穩(wěn)定有效的轉(zhuǎn)速信息。
1、轉(zhuǎn)速信號(hào)類型
首先要區(qū)分采集后轉(zhuǎn)速信號(hào)類型，輸出信號(hào)類型主要有如圖8所示。
圖8（a）中表示被動(dòng)式轉(zhuǎn)速傳感器的輸出波形，這是一種類似于正弦波的波形，其頻率、幅值的變化與氣隙（傳感器測(cè)試端外表面與靶目標(biāo)間的距離）和編碼器的旋轉(zhuǎn)頻率有關(guān)。
圖8（b）、（c）、（d）中表示主動(dòng)式轉(zhuǎn)速傳感器的輸出波形，一般采用電渦流式或霍爾元件或磁阻元件。
圖8（b）表示高低電流交替進(jìn)行的方波信號(hào)。一般來說，在傳感器允許的氣息范圍內(nèi)，方波信號(hào)的參數(shù)是基本一致的，或者說是有效的。這里的參數(shù)主要包括高電流 、低電流 和占空比t/T（一般為50%），參數(shù)有效體現(xiàn)在數(shù)值處于一定區(qū)間內(nèi)，這主要是由芯片性能確定，一般要求 處于11.5mA～16.8mA， 處于5.7mA～9.6mA，占空比30%～70%。輸出參數(shù)穩(wěn)定有效，與轉(zhuǎn)速傳感器相連接的處理單元才能有效識(shí)別出轉(zhuǎn)速。
圖8（c）、（d）中的傳感器相當(dāng)于圖8（b）中傳感器的升級(jí)版，表現(xiàn)在通過一定的方式體現(xiàn)出轉(zhuǎn)速處更多的信息。
圖8（c）中方波 的脈寬相對(duì)于半周期 較窄（這里要注意的是：相對(duì)于圖8（b），PWM協(xié)議傳感器占空比也是50%的上下區(qū)間，但不是 ，而是 ），這是該類傳感器通過脈寬調(diào)制的方式輸出額外信息，包括安裝氣隙的變化、旋轉(zhuǎn)件的正反轉(zhuǎn)以及其他的警告信息。
圖8（d）中的電流輸出多出了一系列電流方波，這一類傳感器通過電流方波組成的序列提供了附加信息，包括氣隙儲(chǔ)備、旋轉(zhuǎn)件正反轉(zhuǎn)等。相對(duì)于PWM協(xié)議的轉(zhuǎn)速傳感器，AK協(xié)議的轉(zhuǎn)速傳感器面對(duì)接近靜止的低速情況下，以及靜止情況（轉(zhuǎn)速為0）下具有更好的信息，體現(xiàn)在靜止情況下，AK協(xié)議中的轉(zhuǎn)速方波消失，但是后面9位的信息方波依然能夠輸出。
圖8（c）、（d）中的方波類型我們統(tǒng)稱為數(shù)據(jù)協(xié)議，具有數(shù)據(jù)協(xié)議的轉(zhuǎn)速傳感器***大的優(yōu)點(diǎn)是能夠判定旋轉(zhuǎn)件的正反轉(zhuǎn)，這大大提高了轉(zhuǎn)速傳感器在智能方面的應(yīng)用。
2、轉(zhuǎn)速信號(hào)處理
當(dāng)轉(zhuǎn)速傳感器在主機(jī)安裝固定好后，轉(zhuǎn)速信號(hào)的影響因素主要包括因振蕩導(dǎo)致的氣隙變化和齒圈的表面整潔度。另外，轉(zhuǎn)速信號(hào)隨旋轉(zhuǎn)件轉(zhuǎn)速的輸出信號(hào)，應(yīng)是便于主機(jī)接收和處理的方波信號(hào)，也就是轉(zhuǎn)速傳感器需要對(duì)輸入信號(hào)（根據(jù)前面所述轉(zhuǎn)速信號(hào)采集方式的不同，輸入信號(hào)影包括模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)）進(jìn)行波形調(diào)制、穩(wěn)壓、濾波以及智能式的補(bǔ)償調(diào)節(jié)等，要提高轉(zhuǎn)速測(cè)量的精度和準(zhǔn)確性，轉(zhuǎn)速信號(hào)處理電路應(yīng)具有的功能包括：
（1）正弦波信號(hào)轉(zhuǎn)換為同頻率的方波信號(hào)（相對(duì)于被動(dòng)式轉(zhuǎn)速傳感器）；
（2）抑制噪聲干擾；
（3）降低氣隙變化對(duì)轉(zhuǎn)速信號(hào)的影響。
基于以上功能，轉(zhuǎn)速信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)如圖9所示。
其中，限幅處理主要相對(duì)于輸出波形微類正弦的信號(hào)，一般采用穩(wěn)壓管，將輸出信號(hào)的輸出幅值限制在目標(biāo)值。其限幅特性表現(xiàn)為：當(dāng)穩(wěn)壓管選取限制電壓為 時(shí)，輸入信號(hào) 時(shí)，輸出信號(hào) 時(shí)，輸出信號(hào) 。
濾波電路要將信號(hào)中的噪聲干擾信號(hào)濾除和衰減，一般來說，衰減高頻雜波是主要目的，這樣采用有源低通濾波電路，同時(shí)采用放大器芯片組合放大，從而得到有效的轉(zhuǎn)速信號(hào)。
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