宽空气间距巨磁电阻齿轮转速传感器

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【摘要】本文设计了一种宽空气间距齿轮转速传感器。所研制的齿轮转速传感器选用巨磁电阻作为敏感元件，外加永磁体提供偏置磁场，通过信号处理电路采集齿轮转动过程中所产生的磁场变化信号，经过信号处理实现齿轮转速的测量。所研制的齿轮转速传感器不仅具有频率性能好，灵敏度高，体积小等优点，测量间距可超过4mm，解决了传统转速传感器测量间距小的问题。

【关键词】巨磁阻；齿轮转速传感器；宽空气间距

1.引言

齿轮转速传感器在工业测量、自动控制和汽车安全等领域，都发挥着重要的作用。在工业测量和自动控制领域中，需要实时检测机械转动设备的速度，以确保测量和控制作业的工作精度。在防抱死制动系统（ABS）中，利用转速传感器来监测汽车、摩托车的行驶速度进而发出制动信号，实现快速安全刹车的目的。但这些应用场合大都环境恶劣，齿轮转速传感器容易受到振动冲击的作用而发生错位或者损坏，造成不能准确测量转速。因此，需要一种宽空气间距的齿轮转速传感器来克服这个缺陷，达到能够精准、无误、安全地测量转速的目的。

文中将采用宜昌东方微磁科技有限责任公司制造的高灵敏度VA100F3巨磁电阻芯片作为敏感元件，研制一种巨磁电阻齿轮转速传感器。Ansoft Maxwell软件被用于分析齿轮与偏置磁铁的磁场特性。齿轮传感器测试平台被用于对传感器的输出特性的分析。

2.齿轮转速传感器整体设计

巨磁电阻齿轮转速传感器是通过采集齿轮的凸齿和凹齿在转动过程中对分布在敏感芯片周围磁场的不同扰动信号，从而得到齿轮转速的一种传感器。文中设计的齿轮转速传感器主要由巨磁电阻芯片、永磁体和信号处理电路三部分组成，具体结构分布如图1所示。

齿轮（如图1中A所示）是由导磁材料（钢铁材料）做成的，易被放置在其后的永磁体B磁化。巨磁电阻芯片的磁敏感轴方向沿齿轮运动方向。

当齿轮的凸齿正对着巨磁阻芯片时，分布在巨磁电阻芯片上的磁场方向垂直于磁敏感轴；随着齿轮的转动，凸齿逐渐远离敏感芯片时，分布在巨磁电阻芯片上的磁场会沿着磁敏感轴向上形成一个分量；当凹齿正对着巨磁阻芯片时，分布在巨磁阻芯片上的磁场方向又逐渐恢复垂直于磁敏感轴；当凸齿逐渐接近巨磁电阻芯片时，使得分布在巨磁电阻芯片上的磁场在磁敏感轴方向形成一个分量。巨磁电阻芯片可以灵敏地感应微弱磁场信号的变化，并把它转换输出相应的电压信号。

文中设计的齿轮转速传感器采用的传感芯片是由四个GMR电阻以惠斯通电桥的形式连接起来构成的。这种桥式结构可以提供较好的温度补偿，温度漂移较小。

随着齿轮的转动，作用在敏感芯片上的磁场信号只在其线性工作磁场区间内发生变化。因此，齿轮每转过一个齿周期巨磁电阻芯片输出一个正弦波信号，再通过放大、比较电路对其进行处理之后可以得到一个脉冲信号。

3.齿轮转速传感器磁路仿真

为了能够更加清晰地反映齿轮在运动过程中对分布在敏感元件周围的磁场变化情况的影响，文中利用Ansoft Maxwell有限元磁场仿真软件对齿轮转速传感器的磁路进行仿真。

如图3所示是在Ansoft Maxwell中建立的齿轮和永磁体的二维几何模型。A代表齿轮，齿顶宽4mm，齿高4.5mm，齿间距6mm，材料选择steel_1010。B代表永磁体，其长为5mm，宽为3mm，材料选择AlNiCo5。如齿轮上的D和E两点坐标所示，在齿轮每个点的横、纵坐标上都分别加了一个参变量L和H，随着参数L和H的变化能够实现该齿轮沿着X轴和Y轴的直线运动。L的变化范围是从0mm到12mm；H的变化范围是从0mm到5mm，齿轮自身高有5mm，因此齿轮凸齿顶与C点（0mm，11mm）的间隙σ是从6mm到1mm发生变化。参考位置和背景材料都选择vacuum。

然后对其边界条件、参数和相关求解条件进行设置。运行结束后，在C点（0mm，11mm）处，即相当于放置巨磁阻芯片的位置，求永磁体的磁场强度在该点处沿着X轴方向（即巨磁电阻芯片的磁敏感轴方向）的磁场分量的磁场变化情况，求解结果如图4所示。

图4中X轴坐标表示齿轮沿着X轴正方向运动的距离，单位用mm表示；Y轴坐标表示齿轮运动过程中，在C点处沿着X轴方向分布的磁场强度Hx的变化情况，单位用Oe表示。图4中一共有六条曲线，是齿轮转速传感器与齿轮的间隙σ分别为1mm、2mm、3mm、4mm、5mm和6mm时，在C点处沿着X轴方向分布的磁场强度的变化曲线。可以看出这六条曲线的变化趋势大致相同，与在前一章中理论分析齿轮转动一个齿周期时，齿轮对巨磁电阻敏感芯片周围磁场影响的变化情况一致。

4.齿轮转速传感器信号处理

齿轮传感器信号处理电路主要由放大器、比较器及驱动器三部分构成。GMR芯片把磁场信号转变成了电信号，经过放大器放大后，进入比较器产生方波脉冲信号，最后经过驱动增强后输出。随着探测距离的调整，齿轮传感器输出信号的占空比大小也跟着变化；为了保持占空比的一致性，在上述的传感器前置放大部分加入了一个自动增益调节控制器，自动增益控制环节的作用是当探测间距大，传感器输出信号小时，通过闭环调节使前置放大器的增益增大，反之则减小。

5.试验与分析

在实验室自主设计的齿轮转速测试平台上对文中设计的巨磁阻齿轮转速传感器进行测速实验。

设定齿轮转速为3200r/min，因为齿轮齿数为48，由公式（1）计算可知对应的输出波形频率应为2.560KHz。

图6为测量结果。如图6（a）所示，在工作间隙σ=2mm时，输出波形频率为2.579KHz，近似等于设定的齿轮转速频率；在工作间隙σ=4mm时，输出波形频率为2.610KHZ，与设定的齿轮转速频率基本吻合。

通过对以上实验结果的对比分析可知，文中设计的巨磁电阻齿轮转速传感器，能够高精度测量齿轮转速的工作间隙σ超过4mm，且齿轮每转过一个齿周期，巨磁阻齿轮转速传感器输出一个脉冲信号，这与Ansoft Maxwell软件的仿真结果是吻合的。

6.结束语

传统转速传感器的测量间距大约都在1.5mm左右，经过以上实验验证可知，文中设计的巨磁阻齿轮转速传感器的测量间距超过4mm。此外，该传感器响应频率高、工作可靠、抗震动、不怕油污，特别适合在环境恶劣的工业场所和汽车领域使用，克服了传统测速传感器的缺陷，具有市场推广和应用价值。

参考文献

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作者简介：于晓东，大学本科，工程师，现供职于中国船舶重工集团公司第七一〇研究所，研究方向：磁计量技术及磁电产品开发。