一种可用于齿轮转速测量的磁阻式接近开关

摘要：介绍了一种基于磁敏电阻元件的磁阻式接近开关，设计了其信号处理电路，并将其应用于铁磁性齿轮的转速测量。该接近开关利用磁阻效应原理制成，具有结构简单，成本低廉，灵敏度高的优点。对不同径向间距下接近开关的差程值进行测量，由实验结果可知，在3～7 mm的检测距离内，该磁阻式接近开关工作性能稳定，动态特性良好，抗干扰能力强，且工作频率范围较宽，能适应高速和低速的齿轮转速变化，可替代传统的磁电式和霍尔式转速传感器，用于铁磁性齿轮的转速测量。
关键词：接近开关；转速；传感器；磁阻

0 引言
    接近开关是一种电子开关量传感器，主要功能是完成对位置的检测，将被测物体的位置量转换成开关量电信号输出，具有防水、防油污、耐腐蚀等优点，已广泛用于定位、计数和控制等应用中。传统的磁电式转速传感器，输出信号的幅值受转速和气隙影响，当气隙一定时，转速越高，幅值越大；转速一定时，气隙越小，幅值越大，不易实现低速测量，且信号处理复杂。磁阻式接近开关可用于齿轮转速测量，输出信号大小不受齿轮转速的影响，且成本低、重量轻，替代传统的磁电式转速传感器和霍尔式转速传感器。

1 磁阻式接近开关工作原理
    磁阻式接近开关核心部件为InSb磁敏电阻，基本原理是基于磁阻效应。磁敏电阻由引脚、磁阻元件MR1和MR2、永磁体、绝缘基片、金属外壳组成，结构及等效电路如图1所示。

    当齿轮转速为零时，两磁阻元件阻值大概相等，磁敏电阻中点输出电压为电源电压值的1／2。永磁体提供的偏置磁场，提高磁敏电阻灵敏度，使磁阻元件工作特性移到电阻一磁场变化曲线的线性范围之内，使磁敏电阻不仅对磁铁敏感，而且对铁磁性物体也非常敏感。当齿轮齿尖对准MR1时，齿根对准MR2，永磁体的磁场分布发生变化，通过MR1的磁感线增多，通过MR2的磁感线减少，即MR1的阻值增大而MR2的阻值减小。当齿轮齿尖对准MR2时，齿根对准MR1，此时MR2的阻值增大而MR1的阻值减小。因此齿轮的连续转动，将引起磁阻元件MR1和MR2的阻值发生周期性变化，磁阻元件中点就会输出以电源电压的1／2为基准电压做微小变化的周期性电压。若设输出信号频率、转速和齿轮数分别为f，n(r／min)和Z，则f=nZ／60。由此，当齿轮齿数一定时，输出信号的频率只与齿轮转速有关。经过后级的信号处理电路进行电压放大，然后输入到电压比较级电路，就可得到与齿轮转速对应的周期性变化的方波信号，根据输出波形的频率可计算出齿轮转速。

2 信号处理电路
    磁阻式接近开关电路由信号采集、信号放大、比较级和驱动级四部分构成，如图2所示。磁敏电阻采用三端式可以克服环境温度变化引起的温漂问题，稳定低频输出电压。电压跟随器可以提高输入电阻，减小输出电阻，达到阻抗匹配的目的，减少对磁敏电阻的影响。放大电路采用直接耦合反相滤波放大，既可以放大直流信号和交流信号，又能滤除高频噪声。反相输入比较器保证接近开关动态响应速度快，差程小，灵敏度高。驱动电路采用达林顿连接方式提高接近开关的带负载能力。

3 结果分析
    由于接近开关的差程是接近开关重要的技术指标，决定了接近开关动作性能的优劣，因此对不同径向间距下磁阻式接近开关的差程进行了测量，结果如图3所示。

    由图3可以看出，径向间距3～7 mm内，接近开关的差程大致基本相等，说明接近开关动态性能稳定，开关特性良好。当径向间距大于7 mm时，差程变大，接近开关动态性能变差，这是由于外界环境的干扰影响造成接近开关稳定性变差。考虑到实际的工作环境和距离需要等因素，接近开关取径向距离为3～7 mm。研究结果表明，环境温度在-30～+80℃内变化时，接近开关都能够正常工作，输出比较工整的脉冲波形，在0～5 kHz的工作频率范围内，工作可靠，性能稳定。

4 结语
    磁阻式接近开关结构简单、成本低廉、灵敏度高，可用于铁磁性齿轮转速测量。实验结果可知，检测距离3～7 mm内，动态特性良好，性能稳定，可靠性高，输出电压和工作频率范围能满足工作需要。其性能稳定，抗干扰能力强，能在恶劣环境下工作，替代传统的磁电式转速传感器。