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现代测试技术论文

ＫＭＩ１５－１转速型传感器

摘要：

转速传感器是用于将旋转物体转速状态转换为电信号的一种传感器。

转速传感器可以应用在各种转速测量场合，能适应对旋转物体的低速、高速、稳速和瞬时速度等多种转速状态测量工作，并可将信号传导给控制部门。

集成转速传感器[1]具有灵敏度高、测量范围宽、抗干扰能力强、外围电路简单等优点，是传统分立式转速传感器升级换代产品。

文中介绍了KMI15系列磁阻式集成转速传感器工作原理与典型应用，以及针对不足处的改进措施。

关键词：

转速传感器，磁阻，电磁干扰滤波器，KMI15。

Abstract:

Thetachometergeneratorwillbewilluseinrevolvingtheobjectrotationalspeedphasetransitionfortheelectricalsignalonekindofsensor.Thetachometergeneratormayapplyineachkindoftachometricsurveysituation,canadapttotherevolvingobjectlowspeed,highspeed,steadyfastandtheinstantaneousvelocityandsoonmanykindsofrotationalspeedconditionsurveyingwork,andmaygivethesignalconductionthecontroldivision.Integrationtachometergenerator[5]hasthesensitivityhigh,thesurveyscopewidth,antijammingabilitystrong,theperipheryelectriccircuitsimpleandsoonthemerits,isthetraditionalseparationtypetachometergeneratorturnstoanewgenerationtheproduct.InthearticleintroducedtheKMI15seriesmagneticresistancetypeintegrationtachometergeneratorprincipleofworkandthemodelapplication,aswellasinviewofinsufficientimprovementmeasure.

Keyword:

Tachometergenerator;Magneticresistance;Electromagneticinterferencefilter;KMI15.

一、主题

转速属于常规电测参数。

测量转速时经常采用磁阻式传感器或光电式传感器进行非接触性测量，传统磁阻式传感器是由磁钢、线圈等分立元件构成，亦可用耳塞机改装而成。

但这种传感器存在一些缺点：

第一，灵敏度低，传感器与转动齿轮最大间隙（亦称磁感应距离）只有零点几毫米；第二，在测量高速旋转物体转速时，因安装不牢固或受机械振动，容易与齿轮发生碰撞，安全性较差；第三，这种传感器所产生是幅度很低且变化缓慢模拟电压信号，因此，需要经过放大、整形后变成沿口陡直数字频率信号，才能送给数字转速仪或数字频率计测量转速，而且外围电路比较复杂；第四，它无法测量非常低（接近于零）转速，因为这时磁阻式传感器可能检测不到转速信号。

目前，转速传感器正朝着高灵敏度、高可靠性和全集成化方向发展，典型产品有飞利浦（Ｐｈｉｌｉｐｓ）公司生产ＫＭＩ１５系列磁阻式集成转速传感器。

该传感器性能优良，安全性好，稳定性强，是分立式转速传感器理想升级换代产品。

ＫＭＩ１５系列包括ＫＭＩ１５－１、ＫＭＩ１５－２、ＫＭＩ１５－４等型号，它们工作原理相同，仅性能指标略有差异。

下面就以ＫＭＩ１５－１为例来介绍该系列集成转速传感器工作原理与具体应用方法。

二、内容

1、工作原理

KMI15-1型集成转速传感器的外形如图1所示,它的两个引脚分别为UCC（接+12V电源端）和U-（方波电流信号输出端）｡为使IC处于较低的环境温度中,设计时专门将IC与传感元件分开,以改善传感器的高温工作性能｡

　　该传感器的简化电路主要包括以下六部分:

（1）磁敏电阻传感器[2];

（2）前置放大器A1[3];

　　（3）施密特触发器;

　　（4）开关控制式电流源;

　　（5）恒流源;

（6）电压控制器｡实际上,该传感器是由4只磁敏电阻构成的一个桥路,可固定在靠近齿轮的地方,其测量原理如图3所示｡

1.1磁阻效应

磁敏传感器是基于磁电转换原理的传感器，将一载流导体置于外磁场中，除了产生霍尔效应外，其电阻也会随磁场而变化，这种现象称为磁电阻效应，简称磁阻效应。

磁敏电阻器就是利用磁阻效应制成的一种磁敏元件。

当温度恒定时，在弱磁场范围内，磁阻与磁感应强度B的平方成正比。

对于只有电子参与导电的最简单的情况，理论推出磁阻效应的表达式为:

PB=P0（1+0.273u2B2）

式中B表示磁感应强度；

μ表示电子迁移率；

P0表示零磁场下的电阻率；

PB表示磁感应强度为B时的电阻率。

设电阻率的变化为ΔP=PB-PO，则电阻率的相对变化率为:

ΔP/PO=0.273u2B2=K（μB）2

1.2各向异性磁阻效应:

电流

磁化

图4各向异性磁阻效应

首先考虑通常具有多种磁畴结构的铁磁性材料。

这些称之为韦斯磁畴的结构，其内部磁化的方向彼此不同。

如果将这种材料平铺为一薄层，那么磁化矢量处于材料层平面方向。

另外，可较精确地假设只存在一个磁畴。

当这种元件暴露于外部磁场中时，后者会改变内部磁化矢量的方向。

如果同时一股电流通过该元件，就会产生电阻（图4），这取决于电流和磁化之间的角度。

当电流和磁化方向彼此成直角时，电阻最小，当二者平行时，电阻最大。

1.3磁阻传感器工作原理：

图5磁阻传感器工作原理图

它由四个磁阻组成了惠斯通电桥。

其中供电电源为,在电阻中有电流流过,且在电桥上施加一个偏置磁场,使得两个相对放置的电阻的磁化方向朝着电流方向转动,引起电阻阻值增加;另外两相对放置的电阻的磁化方向背向电流转动,从而引起电阻阻值减少。

在线性区域,输出和外加磁场成正比,灵敏度和传递函数的线性区域成反比，当外加磁场后，电桥的电阻变化：

Vout=（△R／R）Vb

1.4转速型传感器工作方式：

当齿轮沿Y轴方向转动时,由于气隙处的磁力线发生变化,磁路中的磁阻也随之改变,从而可在传感器上产生电信号｡此外,该传感器具有很强的方向性,它对沿Y轴转动的物体十分敏感,而对沿Z轴方向的振动或抖动量很不敏感｡这正是测量转速所需要的｡

工作时,传感器产生的电信号首先通过EMI滤波器滤除高频电磁干扰,然后经过前置放大器,再利用施密特触发器进行整形以获得控制信号UK,并将其加到开关控制式电流源的控制端｡KMI15-1的输出电流信号ICC是由两个电流叠加而成的,一个是由恒流源提供的7mA恒定电流IH,另一个是由开关控制式电流源输出的可变电流IK｡它们之间的关系式为:

ICC=IH+IK

当控制信号UK=0（低电平）时,该电流源关断,IK=0,ICC=IH=7mA｡当UK=1（高电平）时,电流源被接通,IK=7mA,从而使得ICC=14mA｡（图6）给出了从U-端输出的方波电流信号的波形,其高电平持续时间为t1,周期为T｡输出波形的占空比D=t1/T=50%±20%｡上升时间和下降时间分别仅为0.5μs和0.7μs｡

KMI15芯片中的电压控制器实际上是一个并联调整式稳压器,可用于为传感器提供稳定的工作电压UC｡而电阻R3､稳压管VDZ和晶体管VT1则可构成取样电路,其中VT1接成射极跟随器｡A2为误差放大器,VT2为并联式调整管｡这样,IH在经过R1､R2分压后可给A2提供基准电压UREF,从而在UCC发生变化时,由A2对取样电压与基准电压进行比较后产生误差电压Ur,同时通过改变VT2上的电流来使UC保持不变｡

图6

2.测量的物理量及范围

KMI15-1芯片内含高性能磁钢､磁敏电阻传感器和IC｡它利用IC来完成信号变换功能,其输出的电流信号频率与被测转速成正比,电流信号的变化幅度为7mA~14mA｡由于其外围电路比较简单,因而很容易配二次仪表测量转速｡

KMI15-1器件的测量范围宽,灵敏度高,它的齿轮转动频率范围是0~25kHz,而且即使在转动频率接近于零时,它也能够进行测量｡传感器与齿轮的最大磁感应距离为2.9mm（典型值）,由于与齿轮相距较远,因此使用比较安全｡

该传感器抗干扰能力强,同时具有方向性,它对轴向振动不敏感｡另外,芯片内部还有电磁干扰（EMI）滤波器､电压控制器以及恒流源,从而保证了其工作特性不受外界因素的影响｡

KMI15-1的体积较小,其最大外形尺寸为8×6×21mm,能可靠固定在齿轮附近｡

KMI15采用+12V电源供电（典型值）,最高不超过16V｡工作温度范围宽达-40~+85℃｡

3.具体应用一例

3.1安装方法

KMI15-1应当安装在转动齿轮的旁边｡若被测转动工件上没有齿轮,亦可在转盘外缘处钻一个小孔,套上螺扣,再拧上一个螺杆并用弹簧垫圈压紧,以防止受震动后松动,并以此代替齿尖获得转速标记信号｡

3.2典型应用电路

KMI15-1型集成转速传感器的典型应用电路如图7（a）所示｡

图7

工作时,转速传感器输出方波电流信号,从而在负载电阻RL与负载电容CL上形成电压频率信号UO（f）,并送至二次仪表｡通常取RL=115Ω､CL=0.1μF｡需要指出:

KMI15-1输出的是齿轮转动频率f（单位是Hz,即次/s）信号,欲得到转速n（r/min）,还应将f除以齿轮上的齿数N,并将时间单位改成分钟,公式如下:

n=60f/N[4]

通过以上转化既可以测出转速。

4.该类传感器的主要技术指标及参考价格、可能的生产厂家

4.1主要技术指标

测量物理量

主要技术指标

电源信号Icc

7mA~14mA（Icc=IH+Ik）

输出波形占空比

D=t1/T=50%±20%

上升时间和下降时间

0.5μs和0.7μs

齿轮转动频率范围

0~25kHz

传感器与齿轮的最大磁感应距离

2.9mm

工作温度范围宽

-40~+85℃

最大外形尺寸

8×6×21mm

转速n（r/min）

n=60f/N

说明：

电源信号Icc的范围为：

（1）当控制信号UK=0（低电平）时：

IK=0,ICC=IH=7mA。

（2）当UK=1（高电平）时,电流源被接通：

IK=7mA,ICC=14mA。

4.2参考价格：

其中Philips代理03+封装SOT453价格为：

9.00元。

4.3生产厂家：

主要生产厂家：

飞利浦公司（Ｐｈｉｌｉｐｓ）。

5.该产品的优缺点

5.1该产品具有很多优点，但主要集中表现在：

（1）灵敏度高，传感器与转动齿轮最大间隙（亦称磁感应距离）可以达到二点几毫米，因此使用比较安全。

（2）抗干扰能力强,同时具有方向性,而且它对轴向振动不敏感｡

（3）芯片内部还有电磁干扰（EMI）滤波器､电压控制器以及恒流源,从而保证了其工作特性不受外界因素的影响｡

5.2与此同时该产品也还存在一定缺陷主要表现如下：

（1）当把多快该产品放一起容易引起磁化损坏芯片.

（2）容易受静电影响。

（3）芯片IC容易受外界温度的影响，导致测量结果有一定的误差。

（4）可能产生灵敏度温漂，以及会产生偏置电压。

6.改进措施

6.1加防磁化网罩

在存放KMI15系列产品时,不要将多个芯片放在一起,这样以防磁化｡同时，也可以将放芯片的盒子设计成防磁化的网罩，具体做法是在放置芯片的地方加设环形防磁铁圈。

并且在现在阶段，随着各种新型防磁材料的研究，也可以在盒子面板上加设防磁材料。

减轻由于大面积存放芯片的麻烦。

6.2接保护电路

如图7（b）所示电路是由二极管VD､稳压管VDZ和电容C1构成的静电放电（ESD）保护电路,该电路可吸收2kV的ESD电压,因而可对芯片起到保护作用｡

6.3加散热片

图8各种散热片

因为IC一般处于较低的环境温度中，IC片的热量主要来自传感器元件。

所以即使将IC与传感元件分开但是IC依然能吸收来自汽车零器件之间的摩擦带来的热量。

所以，可以在IC上包围一层散热片（图8），在电子元件与散热片接触面涂上一层导热硅脂，使元器件发出的热量更有效的传导到散热片上，在经散热片散发到周围空气中去。

这样虽然传感器体积有所增大，但是可以提高装置的精确度。

从而让操作者更好的根据检测到得信号，作出相应的处理。

6.4接补偿线圈和触发线圈

6.4.1用补偿线圈减小系统的灵敏度温漂。

随着环境温度的变化，传感器的灵敏度变化很大，而在零点处，灵敏度不随环境温度的改变而改变。

以补偿线圈为核心的电磁反馈所形成的闭环控制电路将传感器输出电压的变化量转化为电流来驱动补偿线圈产生一个补偿磁场，该磁场与外界磁场大小相等，方向相反，恰好与之抵消，使传感器工作在零点附近，从而尽可能地减小了测量系统的灵敏度温漂。

6.4.2用触发线圈减小偏置电压

应用触发线圈结合外围电路既可以极大地减小传感器和前置放大器的偏置电压，又可以置位传感器，使传感器受强磁影响后保持稳定状态。

传感器有正负2个稳定的输出状态。

在触发线圈中通以正反向交替的周期性脉冲电流（脉宽几个μs），他会产生一个正反向交替的周期性脉冲磁场（脉宽几个μs），使传感器的输出呈现正负2个稳定状态交替出现的周期性交流波形。

传感器和前置放大器的偏置电压均为恒定的直流量，叠加于传感器的交流输出信号上。

前置放大器的输出信号经过高通滤波器滤除直流偏置电压，再经过整流电路，就可以得到对应于被测磁场的输出信号。

这里需注意保证触发线圈驱动电路和整流电路在时序上的一致性。

若采用在前置放大器后加电容的滤波方法，只能消除传感器的偏置，无法消除前置放大器的偏置。

这样，为了保证仪器的精度，必须使用超低偏置前置放大器，

三、课程建议

时间过得飞快，现代测试技术课程已经结束了我不敢说我学的有多好，但是通过专门课的学习让我懂得了现代测试技术是一项重要的基础技术，而于我们学生来说，现代测试技术更是至关重要它就像一块敲门砖，为我们叩开了现代技术的大门。

经过这几周的学习，我对现代测试已有了一定的了解，知道这是一门实用性相对来说很强的课程，而且叫我们学会思考当然更多的是用创新思维去思考。

平日里仅仅只是嘴上说说的话是绝对不能将此课程学好学精.

在此，我希望课堂上老师能够更多的举一些工程上的应用，这是极有好处的，既可以满足我们的求知欲，也可以活跃课堂气氛，让我们带着一份好奇的心去学习。

再则就是师生互动，目前在我们的课堂上，已经有一定成效但是这个还不足，只有一部分学生在听讲而有部分同学在下面听的很懒散。

同事我觉得老师是否可以将课件做到与书本步调一致，让我们能够对应着书本去听课，还有就是希望老师上课能对一些结论以及推导有适当的讲解。

因为我们总是感觉思维有很大的跳跃性，所以一下子很难去接受。

最后，我认为，老师是否可以将一些设备的实物带到课堂上来这样可以更好的帮助我们理解。

四、取得结果及致谢

学习工程测试这门课程已将近一个学期了，在这学期我们将重点放在了传感器的学习上。

通过这段时间的学习，使我对各类常见的传感器有了一个初步的了解。

但是，最终要对这门学科有深入的了解我们任然需要努力。

在学习的过程中我得到了来自同学们的帮助，当然最重要的还是谭老师的悉心教导使我不但学到了书本上的知识，而且对书本以外的知识有了一定得认识。

感谢这些帮助和教导我的人。

五、参考文献

[1]刘迎春主编.现代新型传感器原理与应用国防工业出版社。

[2]曾光奇主编.工程测试基础华中科技大学出版社。

[3]康华光主编.电子技术基础高等教育出版社。

[4]唐介主编.电机与拖动高等教育出版社。

[5]参考网站：