KMI15系列集成轉(zhuǎn)速傳感器的原理與應(yīng)用

    摘要：集成轉(zhuǎn)速傳感器具有靈敏度高、測(cè)量范圍寬、抗干擾能力強(qiáng)、外圍電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，是傳統(tǒng)的分立式轉(zhuǎn)速傳感器的升級(jí)換代產(chǎn)品。文中介紹了KMI15系列磁阻式集成轉(zhuǎn)速傳感器的工作原理與典型應(yīng)用。

    關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)速傳感器；磁阻；電磁干擾濾波器；KMI15

轉(zhuǎn)速屬于常規(guī)電測(cè)參數(shù)。測(cè)量轉(zhuǎn)速時(shí)經(jīng)常采用磁阻式傳感器或光電式傳感器進(jìn)行非接觸性測(cè)量，傳統(tǒng)的磁阻式傳感器是由磁鋼、線圈等分立元件構(gòu)成的，亦可用耳塞機(jī)改裝而成。但這種傳感器存在一些缺點(diǎn)：第一，靈敏度低，傳感器與轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪的最大間隙（亦稱磁感應(yīng)距離）只有零點(diǎn)幾毫米；第二，在測(cè)量高速旋轉(zhuǎn)物體的轉(zhuǎn)速時(shí)，因安裝不牢固或受機(jī)械振動(dòng)，容易與齒輪發(fā)生碰撞，安全性較差；第三，這種傳感器所產(chǎn)生的是幅度很低且變化緩慢的模擬電壓信號(hào)，因此，需要經(jīng)過(guò)放大、整形后變成沿口陡直的數(shù)字頻率信號(hào)，才能送給數(shù)字轉(zhuǎn)速儀或數(shù)字頻率計(jì)測(cè)量轉(zhuǎn)速，而且外圍電路比較復(fù)雜；第四，它無(wú)法測(cè)量非常低（接近于零）的轉(zhuǎn)速，因?yàn)檫@時(shí)磁阻式傳感器可能檢測(cè)不到轉(zhuǎn)速信號(hào)。

目前，轉(zhuǎn)速傳感器正朝著高靈敏度、高可靠性和全集成化的方向發(fā)展，典型產(chǎn)品有飛利浦（Ｐｈｉｌｉｐｓ）公司生產(chǎn)的ＫＭＩ１５系列磁阻式集成轉(zhuǎn)速傳感器。該傳感器性能優(yōu)良，安全性好，穩(wěn)定性強(qiáng)，是分立式轉(zhuǎn)速傳感器理想的升級(jí)換代產(chǎn)品。ＫＭＩ１５系列包括ＫＭＩ１５－１、ＫＭＩ１５－２、ＫＭＩ１５－４等型號(hào)，它們的工作原理相同，僅性能指標(biāo)略有差異。下面就以ＫＭＩ１５－１為例來(lái)介紹該系列集成轉(zhuǎn)速傳感器的工作原理與具體應(yīng)用方法。

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ＫＭＩ１５－１芯片內(nèi)含高性能磁鋼、磁敏電阻傳感器和ＩＣ。它利用ＩＣ來(lái)完成信號(hào)變換功能，其輸出的電流信號(hào)頻率與被測(cè)轉(zhuǎn)速成正比，電流信號(hào)的變化幅度為７ｍＡ～１４ｍＡ。由于其外圍電路比較簡(jiǎn)單，因而很容易配二次儀表測(cè)量轉(zhuǎn)速。

ＫＭＩ１５－１器件的測(cè)量范圍寬，靈敏度高，它的齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)頻率范圍是０～２５ｋＨｚ，而且即使在轉(zhuǎn)動(dòng)頻率接近于零時(shí)，它也能夠進(jìn)行測(cè)量。傳感器與齒輪的最大磁感應(yīng)距離為２．９ｍｍ（典型值），由于與齒輪相距較遠(yuǎn)，因此使用比較安全。

該傳感器抗干擾能力強(qiáng)，同時(shí)具有方向性，它對(duì)軸向振動(dòng)不敏感。另外，芯片內(nèi)部還有電磁干擾（ＥＭＩ）濾波器、電壓控制器以及恒流源，從而保證了其工作特性不受外界因素的影響。

ＫＭＩ１５－１的體積較小，其最大外形尺寸為８×６×２１ｍｍ，能可靠固定在齒輪附近。

ＫＭＩ１５采用＋１２Ｖ電源供電（典型值），最高不超過(guò)１６Ｖ。工作溫度范圍寬達(dá)－４０～＋８５℃。

圖2 圖3

２　工作原理

ＫＭＩ１５－１型集成轉(zhuǎn)速傳感器的外形如圖１所示，它的兩個(gè)引腳分別為ＵＣＣ（接＋１２Ｖ電源端）和Ｕ－（方波電流信號(hào)輸出端）。為使ＩＣ處于較低的環(huán)境溫度中，設(shè)計(jì)時(shí)專門將ＩＣ與傳感元件分開(kāi)，以改善傳感器的高溫工作性能。

該傳感器的簡(jiǎn)化電路如圖２所示。其內(nèi)部主要包括以下六部分：

（１）磁敏電阻傳感器；

（２）前置放大器Ａ１；

（３）施密特觸發(fā)器；

（４）開(kāi)關(guān)控制式電流源；

（５）恒流源；

（６）電壓控制器。實(shí)際上，該傳感器是由４只磁敏電阻構(gòu)成的一個(gè)橋路，可固定在靠近齒輪的地方，其測(cè)量原理如圖３所示。

    當(dāng)齒輪沿Ｙ軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于氣隙處的磁力線發(fā)生變化，磁路中的磁阻也隨之改變，從而可在傳感器上產(chǎn)生電信號(hào)。此外，該傳感器具有很強(qiáng)的方向性，它對(duì)沿Ｙ軸轉(zhuǎn)動(dòng)的物體十分敏感，而對(duì)沿Ｚ軸方向的振動(dòng)或抖動(dòng)量很不敏感。這正是測(cè)量轉(zhuǎn)速所需要的。

工作時(shí)，傳感器產(chǎn)生的電信號(hào)首先通過(guò)ＥＭＩ濾波器濾除高頻電磁干擾，然后經(jīng)過(guò)前置放大器，再利用施密特觸發(fā)器進(jìn)行整形以獲得控制信號(hào)ＵＫ，并將其加到開(kāi)關(guān)控制式電流源的控制端。ＫＭＩ１５－１的輸出電流信號(hào)ＩＣＣ是由兩個(gè)電流疊加而成的，一個(gè)是由恒流源提供的７ｍＡ恒定電流ＩＨ，另一個(gè)是由開(kāi)關(guān)控制式電流源輸出的可變電流ＩＫ。它們之間的關(guān)系式為：

ＩＣＣ＝ＩＨ＋ＩＫ　　　

當(dāng)控制信號(hào)ＵＫ＝０（低電平）時(shí)，該電流源關(guān)斷，ＩＫ＝０，ＩＣＣ＝ＩＨ＝７ｍＡ。當(dāng)ＵＫ＝１（高電平）時(shí)，電流源被接通，ＩＫ＝７ｍＡ，從而使得ＩＣＣ＝１４ｍＡ。圖４給出了從Ｕ－端輸出的方波電流信號(hào)的波形，其高電平持續(xù)時(shí)間為ｔ１，周期為Ｔ。輸出波形的占空比Ｄ＝ｔ１／Ｔ＝５０％±２０％。上升時(shí)間和下降時(shí)間分別僅為０．５μｓ和０．７μｓ。

ＫＭＩ１５芯片中的電壓控制器實(shí)際上是一個(gè)并聯(lián)調(diào)整式穩(wěn)壓器，可用于為傳感器提供穩(wěn)定的工作電壓ＵＣ。而電阻Ｒ３、穩(wěn)壓管ＶＤＺ和晶體管ＶＴ１則可構(gòu)成取樣電路，其中ＶＴ１接成射極跟隨器。Ａ２為誤差放大器，ＶＴ２為并聯(lián)式調(diào)整管。這樣，ＩＨ在經(jīng)過(guò)Ｒ１、Ｒ２分壓后可給Ａ２提供基準(zhǔn)電壓ＵＲＥＦ，從而在ＵＣＣ發(fā)生變化時(shí)，由Ａ２對(duì)取樣電壓與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較后產(chǎn)生誤差電壓Ｕｒ，同時(shí)通過(guò)改變ＶＴ２上的電流來(lái)使ＵＣ保持不變。

３?。耍停桑保担钡牡湫蛻?yīng)用

３．１ 安裝方法

ＫＭＩ１５－１應(yīng)當(dāng)安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪的旁邊。若被測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)工件上沒(méi)有齒輪，亦可在轉(zhuǎn)盤外緣處鉆一個(gè)小孔，套上螺扣，再擰上一個(gè)螺桿并用彈簧墊圈壓緊，以防止受震動(dòng)后松動(dòng)，并以此代替齒尖獲得轉(zhuǎn)速標(biāo)記信號(hào)。

    ３．２ 典型應(yīng)用電路

ＫＭＩ１５－１型集成轉(zhuǎn)速傳感器的典型應(yīng)用電路如圖５（ａ）所示。工作時(shí)，轉(zhuǎn)速傳感器輸出方波電流信號(hào)，從而在負(fù)載電阻ＲＬ與負(fù)載電容ＣＬ上形成電壓頻率信號(hào)ＵＯ（ｆ），并送至二次儀表。通常取ＲＬ＝１１５Ω、ＣＬ＝０．１μＦ。需要指出：ＫＭＩ１５－１輸出的是齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)頻率ｆ（單位是Ｈｚ，即次／ｓ）信號(hào)，欲得到轉(zhuǎn)速ｎ（ｒ／ｍｉｎ），還應(yīng)將ｆ除以齒輪上的齒數(shù)Ｎ，并將時(shí)間單位改成分鐘，公式如下：

ｎ＝６０ｆ／Ｎ　　　

圖５（ｂ）所示電路是由二極管ＶＤ、穩(wěn)壓管ＶＤＺ和電容Ｃ１構(gòu)成的靜電放電（ＥＳＤ）保護(hù)電路，該電路可吸收２ｋＶ的ＥＳＤ電壓，因而可對(duì)芯片起到保護(hù)作用。此外，還需注意，在存放ＫＭＩ１５系列產(chǎn)品時(shí)，不要將多個(gè)芯片放在一起以防磁化。