一種可用于齒輪轉(zhuǎn)速測量的磁阻式接近開關(guān)

摘要：介紹了一種基于磁敏電阻元件的磁阻式接近開關(guān)，設(shè)計了其信號處理電路，并將其應(yīng)用于鐵磁性齒輪的轉(zhuǎn)速測量。該接近開關(guān)利用磁阻效應(yīng)原理制成，具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，靈敏度高的優(yōu)點。對不同徑向間距下接近開關(guān)的差程值進行測量，由實驗結(jié)果可知，在3～7 mm的檢測距離內(nèi)，該磁阻式接近開關(guān)工作性能穩(wěn)定，動態(tài)特性良好，抗干擾能力強，且工作頻率范圍較寬，能適應(yīng)高速和低速的齒輪轉(zhuǎn)速變化，可替代傳統(tǒng)的磁電式和霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器，用于鐵磁性齒輪的轉(zhuǎn)速測量。
關(guān)鍵詞：接近開關(guān)；轉(zhuǎn)速；傳感器；磁阻

0 引言
    接近開關(guān)是一種電子開關(guān)量傳感器，主要功能是完成對位置的檢測，將被測物體的位置量轉(zhuǎn)換成開關(guān)量電信號輸出，具有防水、防油污、耐腐蝕等優(yōu)點，已廣泛用于定位、計數(shù)和控制等應(yīng)用中。傳統(tǒng)的磁電式轉(zhuǎn)速傳感器，輸出信號的幅值受轉(zhuǎn)速和氣隙影響，當(dāng)氣隙一定時，轉(zhuǎn)速越高，幅值越大；轉(zhuǎn)速一定時，氣隙越小，幅值越大，不易實現(xiàn)低速測量，且信號處理復(fù)雜。磁阻式接近開關(guān)可用于齒輪轉(zhuǎn)速測量，輸出信號大小不受齒輪轉(zhuǎn)速的影響，且成本低、重量輕，替代傳統(tǒng)的磁電式轉(zhuǎn)速傳感器和霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器。

1 磁阻式接近開關(guān)工作原理
    磁阻式接近開關(guān)核心部件為InSb磁敏電阻，基本原理是基于磁阻效應(yīng)。磁敏電阻由引腳、磁阻元件MR1和MR2、永磁體、絕緣基片、金屬外殼組成，結(jié)構(gòu)及等效電路如圖1所示。

    當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)速為零時，兩磁阻元件阻值大概相等，磁敏電阻中點輸出電壓為電源電壓值的1／2。永磁體提供的偏置磁場，提高磁敏電阻靈敏度，使磁阻元件工作特性移到電阻一磁場變化曲線的線性范圍之內(nèi)，使磁敏電阻不僅對磁鐵敏感，而且對鐵磁性物體也非常敏感。當(dāng)齒輪齒尖對準MR1時，齒根對準MR2，永磁體的磁場分布發(fā)生變化，通過MR1的磁感線增多，通過MR2的磁感線減少，即MR1的阻值增大而MR2的阻值減小。當(dāng)齒輪齒尖對準MR2時，齒根對準MR1，此時MR2的阻值增大而MR1的阻值減小。因此齒輪的連續(xù)轉(zhuǎn)動，將引起磁阻元件MR1和MR2的阻值發(fā)生周期性變化，磁阻元件中點就會輸出以電源電壓的1／2為基準電壓做微小變化的周期性電壓。若設(shè)輸出信號頻率、轉(zhuǎn)速和齒輪數(shù)分別為f，n(r／min)和Z，則f=nZ／60。由此，當(dāng)齒輪齒數(shù)一定時，輸出信號的頻率只與齒輪轉(zhuǎn)速有關(guān)。經(jīng)過后級的信號處理電路進行電壓放大，然后輸入到電壓比較級電路，就可得到與齒輪轉(zhuǎn)速對應(yīng)的周期性變化的方波信號，根據(jù)輸出波形的頻率可計算出齒輪轉(zhuǎn)速。

2 信號處理電路
    磁阻式接近開關(guān)電路由信號采集、信號放大、比較級和驅(qū)動級四部分構(gòu)成，如圖2所示。磁敏電阻采用三端式可以克服環(huán)境溫度變化引起的溫漂問題，穩(wěn)定低頻輸出電壓。電壓跟隨器可以提高輸入電阻，減小輸出電阻，達到阻抗匹配的目的，減少對磁敏電阻的影響。放大電路采用直接耦合反相濾波放大，既可以放大直流信號和交流信號，又能濾除高頻噪聲。反相輸入比較器保證接近開關(guān)動態(tài)響應(yīng)速度快，差程小，靈敏度高。驅(qū)動電路采用達林頓連接方式提高接近開關(guān)的帶負載能力。

3 結(jié)果分析
    由于接近開關(guān)的差程是接近開關(guān)重要的技術(shù)指標，決定了接近開關(guān)動作性能的優(yōu)劣，因此對不同徑向間距下磁阻式接近開關(guān)的差程進行了測量，結(jié)果如圖3所示。

    由圖3可以看出，徑向間距3～7 mm內(nèi)，接近開關(guān)的差程大致基本相等，說明接近開關(guān)動態(tài)性能穩(wěn)定，開關(guān)特性良好。當(dāng)徑向間距大于7 mm時，差程變大，接近開關(guān)動態(tài)性能變差，這是由于外界環(huán)境的干擾影響造成接近開關(guān)穩(wěn)定性變差?？紤]到實際的工作環(huán)境和距離需要等因素，接近開關(guān)取徑向距離為3～7 mm。研究結(jié)果表明，環(huán)境溫度在-30～+80℃內(nèi)變化時，接近開關(guān)都能夠正常工作，輸出比較工整的脈沖波形，在0～5 kHz的工作頻率范圍內(nèi)，工作可靠，性能穩(wěn)定。

4 結(jié)語
    磁阻式接近開關(guān)結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、靈敏度高，可用于鐵磁性齒輪轉(zhuǎn)速測量。實驗結(jié)果可知，檢測距離3～7 mm內(nèi)，動態(tài)特性良好，性能穩(wěn)定，可靠性高，輸出電壓和工作頻率范圍能滿足工作需要。其性能穩(wěn)定，抗干擾能力強，能在惡劣環(huán)境下工作，替代傳統(tǒng)的磁電式轉(zhuǎn)速傳感器。