KMI15系列集成轉速傳感器的原理與應用
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摘要：集成轉速傳感器具有靈敏度高、測量范圍寬、抗干擾能力強、外圍電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，是傳統的分立式轉速傳感器的升級換代產(chǎn)品。文中介紹了KMI15系列磁阻式集成轉速傳感器的工作原理與典型應用。 關(guān)鍵詞：轉速傳感器；磁阻；電磁干擾濾波器；KMI15 轉速屬于常規電測參數。測量轉速時(shí)經(jīng)常采用磁阻式傳感器或光電式傳感器進(jìn)行非接觸性測量，傳統的磁阻式傳感器是由磁鋼、線(xiàn)圈等分立元件構成的，亦可用耳塞機改裝而成。但這種傳感器存在一些缺點(diǎn)：第一，靈敏度低，傳感器與轉動(dòng)齒輪的最大間隙（亦稱(chēng)磁感應距離）只有零點(diǎn)幾毫米；第二，在測量高速旋轉物體的轉速時(shí)，因安裝不牢固或受機械振動(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，因此，需要經(jīng)過(guò)放大、整形后變成沿口陡直的數字頻率信號，才能送給數字轉速儀或數字頻率計測量轉速，而且外圍電路比較復雜；第四，它無(wú)法測量非常低（接近于零）的轉速，因為這時(shí)磁阻式傳感器可能檢測不到轉速信號。 目前，轉速傳感器正朝著(zhù)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系列磁阻式集成轉速傳感器。該傳感器性能優(yōu)良，安全性好，穩定性強，是分立式轉速傳感器理想的升級換代產(chǎn)品。ＫＭＩ１５系列包括ＫＭＩ１５－１、ＫＭＩ１５－２、ＫＭＩ１５－４等型號，它們的工作原理相同，僅性能指標略有差異。下面就以ＫＭＩ１５－１為例來(lái)介紹該系列集成轉速傳感器的工作原理與具體應用方法。 ＫＭＩ１５－１芯片內含高性能磁鋼、磁敏電阻傳感器和ＩＣ。它利用ＩＣ來(lái)完成信號變換功能，其輸出的電流信號頻率與被測轉速成正比，電流信號的變化幅度為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量轉速。 ＫＭＩ１５－１器件的測量范圍寬，靈敏度高，它的齒輪轉動(dòng)頻率范圍是０～２５ｋＨｚ，而且即使在轉動(dòng)頻率接近于零時(shí)，它也能夠進(jìn)行測量。傳感器與齒輪的最大磁感應距離為２．９ｍｍ（典型值），由于與齒輪相距較遠，因此使用比較安全。 該傳感器抗干擾能力強，同時(shí)具有方向性，它對軸向振動(dòng)不敏感。另外，芯片內部還有電磁干擾（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８６２１ｍｍ，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－４０～＋８５℃。 ＫＭＩ１５－１型集成轉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－（方波電流信號輸出端）。為使ＩＣ處于較低的環(huán)境溫度中，設計時(shí)專(zhuān)門(mén)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只磁敏電阻構成的一個(gè)橋路，可固定在靠近齒輪的地方，其測量原理如圖３所示。 工作時(shí)，傳感器產(chǎn)生的電信號首先通過(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 當控制信號ＵＫ＝０（低電平）時(shí)，該電流源關(guān)斷，ＩＫ＝０，ＩＣＣ＝ＩＨ＝７ｍＡ。當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的波形，其高電平持續時(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)調整式穩壓器，可用于為傳感器提供穩定的工作電壓ＵＣ。而電阻Ｒ３、穩壓管ＶＤＺ和晶體管ＶＴ１則可構成取樣電路，其中ＶＴ１接成射極跟隨器。Ａ２為誤差放大器，ＶＴ２為并聯(lián)式調整管。這樣，ＩＨ在經(jīng)過(guò)Ｒ１、Ｒ２分壓后可給Ａ２提供基準電壓ＵＲＥＦ，從而在ＵＣＣ發(fā)生變化時(shí)，由Ａ２對取樣電壓與基準電壓進(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。 ３．１ 安裝方法 ＫＭＩ１５－１應當安裝在轉動(dòng)齒輪的旁邊。若被測轉動(dòng)工件上沒(méi)有齒輪，亦可在轉盤(pán)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速標記信號。 ＫＭＩ１５－１型集成轉速傳感器的典型應用電路如圖５（ａ）所示。工作時(shí)，轉速傳感器輸出方波電流信號，從而在負載電阻ＲＬ與負載電容ＣＬ上形成電壓頻率信號ＵＯ（ｆ），并送至二次儀表。通常?。遥蹋剑保保郸?、ＣＬ＝０．１μＦ。需要指出：ＫＭＩ１５－１輸出的是齒輪轉動(dòng)頻率ｆ（單位是Ｈｚ，即次／ｓ）信號，欲得到轉速ｎ（ｒ／ｍｉｎ），還應將ｆ除以齒輪上的齒數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、穩壓管ＶＤＺ和電容Ｃ１構成的靜電放電（ＥＳＤ）保護電路，該電路可吸收２ｋＶ的ＥＳＤ電壓，因而可對芯片起到保護作用。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。 |
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